Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

На первом лабораторном занятии со студентами проводится инструктаж по технике безопасности в лаборатории с последующей регистрацией и личной подписью студента в журнале по технике безопасности.

Перед выполнением лабораторной работы в целях исключения травматизма, а также поломки оборудования, технологической оснастки и приборов, каждого студента знакомят с правилами техники безопасности при выполнении соответствующей работы.

ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

- приступать к выполнению лабораторной работы без ознакомления с правилами техники безопасности;

- включать оборудование без разрешения учебного мастера или преподавателя;

- отводить или сметать стружку без применения специальных средств;

- касаться движущихся частей механизмов, инструмента и заготовки;

- подходить к оборудованию в расстегнутых халатах, с расстегнутыми рукавицами, с незаправленными под головной убор волосами;

- применять излишние усилия при работе с приборами;

- курить и загрязнять помещение лаборатории, портить имущество.

СТУДЕНТ ОБЯЗАН:

- выполнять только порученную преподавателем работу;

- сдавать свое рабочее место учебному мастеру или преподавателю чистым и в полном порядке;

- сообщать учебному мастеру или преподавателю обо всех неполадках оборудования, приборов до и во время выполнения работы;

- знать места расположения и размещения средств пожаротушения и правила

пользования ими;

- не вмешиваться в работу студентов, выполняющих другую лабораторную работу, если это не поручено преподавателем;

- перед началом работы заправить одежду, застегнуть рукава;

- подготовить рабочее место для безопасной работы, убрать все лишнее с рабочей площади и со станка;

- проверить и подготовить к работе технологическую оснастку и приборы;

- проверить целостность заземляющего провода и надежность его контактов;

- проверить исправность светильника местного освещения;

- для защиты глаз пользоваться защитными очками;

- при легких травмах (ушибах, мелких порезах, незначительных ожогах) воспользоваться средствами лабораторной аптечки, а при серьезных травмах обратиться к врачу.

Лабораторная работа № 1

«РАСЧЕТ РАБОЧЕГО ОБЪЕМА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ МАШИНЫ»

Цели:

1. Изучить устройство, параметры и работу гидравлических машин (насосов)

2. Освоить методику расчета рабочего объема гидромашин (насосов)

Оборудование и приборы: насосы гидроусилителей рулевого управления автомобилей ЗИЛ, КамАЗ; шестеренный масляный насос двигателей ВАЗ, ЗИЛ; набор автомобильного слесарного инструмента; штангенциркуль ШЦ-150-0,1; линейка; мерная емкость (стакан на 100мл); емкость с маслом.

1. Теоретические сведения.

Гидравлические насосы предназначены для преобразования механический энергии (крутящий момент, частоту вращения) в гидравлическую (подача, давление). Существует большое разнообразие типов и конструкций гидравлических насосов, но всех их объединяет единый принцип действия – вытеснение жидкости. Насосы использующие принцип вытеснения называются объемными. Во время работы внутри насоса образуются изолированные камеры, в которых рабочая жидкость перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Поскольку между полостями всасывания и нагнетания не существует прямого соединения, объемные насосы очень хорошо приспособлены для работы в условиях высокого давления в гидросистеме.

Основными параметрами гидронасосов являются: • Рабочий объем (удельная подача) [см³/об] – это объем жидкости вытесняемый насосом за 1 оборот вала.

•Максимальное рабочее давление [МПа, bar]; • Максимальная частота вращения [об/мин]. Классификация объемных насосов по типу вытесняющего элемента показана на Схеме 1.

При выборе типа насоса для гидросистемы необходимо учитывать ряд факторов свойственных определенным типам насосов и особенности разрабатываемой гидросистемы.

Основными критериями выбора насоса являются:

-диапазон рабочих давлений

- интервал частот вращения;

- диапазон значений вязкости рабочей жидкости;

- габаритные размеры

- доступность конструкции для обслуживания.

Шестеренные гидромашины относятся к классу роторно-вращательных гидромашин. Они могут работать как в режиме насоса, так и в режиме мотора, то есть являются обратимыми. Рабочие камеры образованы рабочими поверхностями смежных зубчатых колес, внутренней расточкой корпуса и поверхностью боковых крышек.

Шестеренные насосы отличаются простотой конструкции, надежностью, компактностью и малым весом. Они более надежно осуществляют подачу вязких жидкостей и поэтому нашли широкое применение в системах смазки автомобильных двигателей, в которых возможно значительное повышение вязкости масла при его охлаждении. К тому же шестеренные насосы способны устойчиво работать на загрязненных рабочих жидкостях, подвергнутых лишь очень грубой очистке (тонкость фильтрации 0,2 – 0,3 мм). Отсутствие конструктивных элементов, подверженных действию центробежных сил, а также элементов, движущихся с ускорением, позволяет эксплуатировать их на достаточно больших частотах вращения (до 2500 об ⁄ мин).

По виду зубчатого зацепления шестеренные гидромашины подразделяются на гидромашины с внешним и внутренним зацеплением. Из шестеренных гидромашин в гидравлических системах грузовых и легковых машин наибольшее распространение получили гидромашины с внешним зацеплением, состоящие из двух шестерен с одинаковым числом зубьев эвольвентного профиля. Шестеренные гидромашины с внутренним зацеплением нашли применение в автоматических коробках передач, в системах смазки и в топливных насосах современных автомобилей.

На рис. 1 показана кинематическая схема шестеренного насоса с внешним зацеплением. Для шестерен с эвольвентной формой зуба можно с достаточной для практического использования точностью считать, что объем самих зубьев равен объему впадин между ними. Поэтому количество рабочей жидкости, которое насос теоретически подает за один оборот, можно считать равным сумме объемов впадин между зубьями, и что объем впадины равен объему зуба.

Рис.1. Кинематическая схема шестеренного насоса с внешним зацеплением: R –

радиус вершин зубьев шестерни; Rе – радиус основной окружности.

При таком допущении рабочий объем гидромашины

W = 4πR_еmb, см3; (1.1)

где Rе – радиус начальной окружности, см.; m – модуль зацепления, см.; b –

ширина шестерни, см.

Возможен расчет рабочего объема по следующей формуле: V_нш=2πm²bz, см3, где z- кличество зубьев шестерни.

Так как параметры, определяющие рабочий объем шестеренных гидромашин постоянны, то эти машины являются нерегулируемыми.

Количество зубьев шестерни составляет z = 6 ÷ 16, их уменьшение определяется стремлением к увеличению рабочего объема W и, следовательно, это ведет к увеличению подачи насоса. Однако при уменьшении числа зубьев наблюдается подрезка последних, что влечет за собой нарушение зацепления, в результате чего шестерни работают с шумом и быстро изнашиваются. Указанный недостаток устраняется коррегированием зубьев, то есть при нарезании шестерни ось инструмента смещается от оси заготовки при нарезании каждого зуба на некоторую величину а = km, где k – коэффициент коррегирования (известно, что нарезка зубьев шестерни со смещением применяется при количестве зубьев z < 17). Межосевое расстояние для шестерен с одинаковым числом зубьев принимают в соответствии с диаметром начальной окружности, при этом k = 0,5, и Dе = mz + 2km = m(z + 1).

Модуль зубчатого зацепления с одинаковым числом зубьев при их числе z < 17 определяется как

Теоретическая производительность насоса

Qт.н = Wнn = 2πm² (z + 1)bn/10³, л ⁄ мин (1.3)

где n – частота вращения ведущего вала, об ⁄ мин.

Из формулы (1.3) видно, что производительность насоса Qт.н пропорциональна квадрату модуля m. Значит, при одинаковых размерах шестерен насос, имеющий больший модуль m и, следовательно, меньшее число зубьев, будет иметь больший рабочий объем. Но в то же время возникает большая пульсация, что является одним из существенных недостатков шестеренных насосов.

Максимальная теоретическая подача насоса, приходящаяся на одну рабочую камеру, равна

Qт.н. max = 2πbn(R²- Re²) (1.4)

где R – радиус окружности выступов зубьев шестерни.

При повороте шестерни на один шаг (t₀ = 2m) теоретическая подача будет минимальна, то есть

Qт.н. min = 2πbn(R²- Re²– 4m²), (1.5)

Пульсация рабочей жидкости будет происходить при повороте шестерни на угол, соответствующий одному шагу. На основании этого можно построить график пульсации (рис. 2).

Рис. 2. График пульсаций шестеренных насосов.

Итак, равномерность подачи жидкости шестеренным насосом зависит от числа зубьев шестерни z и модуля m, то есть чем больше зубьев у шестерни, тем меньше подача насоса при тех же габаритах. Неравномерность подачи жидкости шестеренным насосом и, как следствие, неравномерность давления в нагнетательной полости, сглаживается благодаря сжимаемости жидкости в гидросистеме, объем которой значительно больше, чем мгновенная подача насоса. Также для сглаживания пульсаций подачи (давления) возможно применение гидроаккумулятора.

КПД шестеренного насоса составляет: объемный η₀ = 0,85 ÷ 0,95; гидромеханический η_гм = 0,7 ÷ 0,9. Полный КПД шестеренного насоса составляет η = η₀· η гм = 0,6 ÷ 0,85.

Нахождение модуля шестерни.

Зубчатое колесо, шестерня - основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. В машиностроении принято малое зубчатое колесо с меньшим числом зубьев называть шестернёй, а большое — колесом. Однако часто все зубчатые колёса называют шестерня́ми. Зубчатые колёса обычно используются па́рами с разным числом зубьев с целью преобразования вращающего момента и числа оборотов валов на входе и выходе. Колесо, к которому вращающий момент подводится извне, называется ведущим, а колесо, с которого момент снимается — ведомым. Если диаметр ведущего колеса меньше, то вращающий момент ведомого колеса увеличивается за счёт пропорционального уменьшения скорости вращения, и наоборот.

Поперечный профиль зуба

Профиль зубьев колёс как правило имеет эвольвентную боковую форму. Однако, существуют передачи с круговой формой профиля зубьев (передача Новикова с одной и двумя линиями зацепления) и с циклоидальной.

Параметры эвольвентного зубчатого колеса:

m — модуль колеса. Модулем зацепления называется линейная величина в π раз меньшая окружного шага P или отношение шага по любой концентрической окружности зубчатого колеса к π, то есть модуль - число миллиметров диаметра приходящееся на один зуб. Тёмное и светлое колёсо имеют одинаковый модуль.

Рисунок 3-Параметры эвольвентного колеса

Самый главный параметр, стандартизирован, определяется из прочностного расчёта зубчатых передач. Чем больше нагружена передача, тем выше значение модуля. Через него выражаются все остальные параметры. Модуль измеряется в миллиметрах, вычисляется по формуле:

• z — число зубьев колеса;

• p — шаг зубьев;

• d — диаметр делительной окружности;

• d_a — диаметр окружности вершин тёмного колеса;

• d_b — диаметр основной окружности — эвольвенты;

• d_f — диаметр окружности впадин тёмного колеса

• h_aP+h_fP — высота зуба тёмного колеса, x+h_aP+h_fP — высота зуба светлого колеса

В машиностроении приняты определенные значение модуля зубчатого колеса m для удобства изготовления и замены зубчатых колёс, представляющие собой целые числа или числа с десятичной дробью: 0,5; 0,7; 1; 1,25; 1,5; 1,75; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и так далее до 50.

Высота головки зуба — h_aP и высота ножки зуба — h_fP — в случае т.н. нулевого зубчатого колеса (изготовленного без смещения, зубчатое колесо с "нулевыми" зубцами) (смещение режущей рейки, нарезающей зубцы, ближе или дальше к заготовке, причем смещение ближе к заготовке наз. отрицательным смещением, а смещение дальше от заготовки наз. положительным) соотносятся с модулем m следующим образом: h_aP = m; h_fP = 1,25 m, то есть:

Отсюда получаем, что высота зуба h (на рисунке не обозначена):

Вообще из рисунка ясно, что диаметр окружности вершин d_a больше диаметра окружности впадин d_f на двойную высоту зуба h. Исходя из всего этого, если требуется практически определить модуль m зубчатого колеса, не имея нужных данных для вычислений (кроме числа зубьев z), то необходимо точно измерить его наружный диаметр d_a и результат разделить на число зубьев z плюс 2:

Насос НШ – 32А

Устройство масляного насоса рассмотрим на примере промышленного насоса НШ.

Вал – шестерни 2 и 8 вращаются в опорах (рис.4), образованных деталями 5 и 7. При работе насоса осуществляется автоматическое регулирование осевого и радиального зазоров. Регулирование осевого зазора достигается за счет поджима платика 5 к боковым поверхностям зубчатых колес. С этой целью в камеры С, Д и Е подводится рабочая жидкость из зоны нагнетания насоса.

Радиальный зазор компенсируется за счет поджима обоймы 4. Усилие поджима обусловлено давлением жидкости на поверхность манжеты 6, установленной в выходном отверстии корпуса 1 насоса (рис. 4, а ,б и с).

Рис. 4. Насос шестеренный НШ – 32А:

1 – корпус; 2 и 8 – ведущий и ведомый валы; 3 – обойма подшипника скольжения; 4 –обойма поджимная; 5 – манжета торцового уплотнения; 6 – манжета радиального уплотнения; 7 - обойма подшипниковая; С, Д и Е – полости давления.

Пластинчатые гидромашины.

Пластинчатые гидронасосы это гидромашины, в которых роль вытеснителя рабочей жидкости выполняют радиально расположенные пластины, которые совершают возвратно-поступательные движения при вращении ротора. В российской литературе пластины часто называют – шиберами, а насосы – шиберными.

Пластинчатые роторно-поступательные гидромашины, также как и шестеренные, просты по конструкции, надежны в эксплуатации и относительно долговечны. Благодаря малым габаритным размерам, удобству встраивания и высокому КПД пластинчатые гидромашины получили широкое применение в технике, и в первую очередь, в станкостроении. В автомобилях пластинчатые гидромашины получили применение в гидроусилителях руля.

По принципу действия пластинчатые насосы делятся на машины однократного, двукратного и многократного действия. Особенно распространены пластинчатые нерегулируемые гидронасосы двукратного действия для давлений 7 ÷ 12 МПа, отличающихся большой надежностью (рис. 2.1).

Рис.5. Кинематическая схема пластинчатой гидромашины двукратного действия:

1 – внутренняя поверхность статора; 2 – ротор; 3 – пластины.

Рабочие камеры насоса образованы поверхностями статора 1, ротора 2, торцовых распределительных дисков и двумя соседними подвижными пластинами 3, которые способны радиально перемещаться в пазах ротора при его вращении. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы, пружин и подводимой под их торцы жидкости под давлением, выдвигаются из пазов и прижимаются к внутренней поверхности статора. Вблизи канала всасывания рабочие камеры имеют небольшие размеры. По мере вращения ротора рабочие камеры увеличиваются в размерах, и за счет создаваемого разряжения наполняются рабочей жидкостью.

Когда камеры достигают максимальных размеров (при максимальном расстоянии между внутренней дорожкой статора и центром ротора), с помощью торцовых распределительных дисков, через которые производится подвод и отвод жидкости, они отделяются от стороны всасывания, соединяясь со стороной нагнетания. Затем объем камер начинает уменьшаться и жидкость вытесняется в напорную линию. Поскольку кривая статора имеет двухэксцентричную форму, то каждая рабочая камера принимает участие в процессе нагнетания жидкости дважды. Таким образом, в насосе образуются две противоположные камеры, в результате чего вал привода гидравлически разгружен.

Различают пластинчатые гидронасосы однократного действия и двойного действия. У насосов однократного действия за один оборот вала гидромашины процесс всасывания и нагнетания осуществляется один раз, в машинах двойного действия - два раза. Ниже приводится устройство пластинчатых насосов однократного и двукратного действия.

Рисунок 6- Пластинчатые насосы однократного (а) и двукратного (б) действия

1, 3- рабочие камеры; 2-точка контакта; 4-ротор; 5 – пластина; 6-статор (корпус); 7 – паз; 8-пружина; 9-область всасывания; 10-область нагнетания

В пазах вращающегося ротора 4, ось которого смещена относительно оси неподвижного статора 6 на величину эксцентриситета (е), установлены несколько пластин 5 с пружинами 8. Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают возвратно-поступательное движение в пазах 7 ротора. Рабочими камерами являются объемы 1 и 3, ограниченные соседними пластинами, а также поверхностями ротора 4 и статора 6. При вращении ротора рабочая камера 1, соединенная с полостью всасывания, увеличивается в объеме и происходит ее заполнение. Затем она переносится в зону нагнетания. При дальнейшем перемещении ее объем уменьшается и происходит вытеснение жидкости (из рабочей камеры 3).

Для расчета рабочего объема пластинчатого насоса (Wo) может быть использована формула: 

Wo = к ·z· W_K при этом объем рабочей камеры (W_k) следует определять в ее крайнем левом положении, т. е. когда она изолирована от полостей всасывания и нагнетания. В этом случае Wk = L*h*b

где h — высота рабочей камеры (h = 2e); L — средняя длина части окружности, ограниченной двумя пластинами; b - ширина пластины.

Длина ( L ) может быть приближенно определена по диаметру ротора D с учетом толщины пластины ( δ ) и числа пластин (z) т. е.

( L = (3.14*D- δ*z) ).

Тогда с учетом вышеописанных формул получим приближенную зависимость для вычисления рабочего объема пластинчатого насоса:

Wo = 2e *(3.14*D- δ*z)*b*k

Из анализа последней формулы следует, что для увеличения рабочего объема пластинчатого насоса (W_o) при сохранении его габаритов, т. е. размеров D и b, необходимо увеличивать эксцентриситет (е).

Кроме того, рабочий объем пластинчатого насоса может быть увеличен за счет кратности его работы (k),

Гидронасос ГУР а/м "ЗИЛ" – 4331.

Поскольку двигатель автомобиля работает на различных частотах вращения, то насос гидроусилителя должен быть высокопроизводительным, чтобы уже при невысокой частоте вращения коленчатого вала обеспечивать поворот рулевых колес с требуемой быстротой и легкостью. Для обеспечения этого условия насос имеет двойной достаточно большой эксцентриситет.

Рабочая жидкость из бачка 11 через полость в корпусе насоса (рис. 7) попадает в пространство между лопастями и вытесняется при дальнейшем вращении ротора (из-за уменьшения объема рабочих камер) через отверстия в распределительном диске 4 в напорную линию через дросселирующее отверстие 5. При повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя разность давлений на торцах предохранительного клапана 9 растет (из-за перепада давлений в дросселирующем отверстии 5). При чрезмерном повышении давления в корпусе насоса перепускной клапан 6 смещается вправо, преодолевая усилие пружины 8, и сообщает полость нагнетания с бачком 11.

Внутри перепускного клапана 6 установлен предохранительный клапан 9, который открывается при повышении давления до 6,7 ÷ 7 МПа для пропуска рабочей жидкости из напорной линии в бачок 11.

Рисунок 7- Пластинчатый гидронасос ГУР а/м "ЗИЛ":

1 – приводной вал; 2 – статорное кольцо; 3 – ротор; 4 – распределительный диск; 5 - дросселирующее отверстие; 6 – перепускной клапан; 7 – седло предохранительного клапана; 8 – пружина; 9 – предохранительный клапан; 10 – коллектор; 11 – бачок; 12 – сапун; 13 – сетчатый фильтр

Коллектор 10 принудительно направляет масло из перепускного клапана 6 в полость корпуса насоса и далее в напорную линию. Этим достигается уменьшение износа деталей насоса и уровня шума при его работе при повышенных частотах вращения двигателя. Сапун 12 поддерживает давление внешней среды внутри бачка.