Основні конструктивні параметри нгпа з двокаскадним клапаном-пульсатором непрямої дії

Найменування параметра і його позначення	Одиниці вимірю-вання	Чисельна величина параметра
Маси:
клапана першого каскаду m1	кг	0,25
клапана другого каскаду m2	кг	0,5
Ефективні робочі площі:
поршня робочого гідроциліндра fпл	м2	27,05·10-4
двокромкового золотника f1	м2	0,785·10-4
плунжера-штовхача f2	м2	7,055·10-4
клапана другого каскаду
- зі сторони надклапанної порожнини f3	м2	10·10-4
- зі сторони підклапанної порожнини f4	м2	12,56·10-4
Жорсткість пружних елементів повернення:
Основної силової пружини с	Н/м	410·103
пружини клапана першого каскаду с1	Н/м	30·103
пружини клапана другого каскаду с2	Н/м	20·103

Даний зразок успішно пройшов випробування при перекачуванні як чистої води, так і забрудненої, різних суспензій, наприклад, глиняного розчину з масовою часткою глини до 10 % [161]. Але під час випробувань було встановлено ряд обмежень, через які блоки керування, що спрацьовують за величиною тиску не можуть знайти широкого використання для НГПА при перекачуванні високов’язких та забруднених рідин. Перше обмеження стосується ймовірності завчасного спрацьовування клапана-пульсатора до моменту досягнення робочим органом насоса свого крайнього положення внаслідок виникнення додаткових опорів, зокрема, з боку ПС. Друге обмеження стосується складності незалежного регулювання вихідних параметрів НГПА, а саме – його продуктивності і тиску. Наприклад, при збільшенні витрати приводного насоса спостерігалось падіння тиску на виході з НГПА, що пояснюється зменшенням довжини ходу поршня з мембраною, а, відповідно, і величини деформації силових пружин, тобто завчасним спрацьовуванням клапана-пульсатора.

У зв’язку із вищенаведеним, виникла потреба в розробці такої комбінованої системи керування НГПА, яка б зберігала всі переваги системи керування за тиском і при цьому дозволяла здійснювати ефективне регулювання вихідних параметрів НГПА, а саме його продуктивності та тиску.

Отримані результати опубліковані в роботах [120 – 124, 131, 132, 145, 161].

2.3. Конструктивні рішення гідроприводних насосів мембранного типу з комбінованою системою керування

На рис. 2.9 представлена конструктивна схема гідроприводного діафрагмового насоса [1, 125, 143]. Гідроприводний діафрагмовий насос працює так. При запуску ПГС 9, підвищується тиск в напірній магістралі 8 та в сполучених з нею приводній порожнині 7, проточці 12, надклапанній порожнині 23, осьовому каналі 21 і підклапанній порожнині 22. Оскільки площа першого ступеня триступінчастого клапана 20 гідророзподільного пристрою менше площі третього ступеня триступінчастого клапана 20 ( ), то останній під дією різниці сил тиску притиснений до сідла, що виконане у тілі проміжного поршня 10, тобто триступінчастий клапан 20 закритий.

Робоча рідина в приводній порожнині 7 діє на поршень-штовхач 5, який зі штоком 6, що жорстко зв’язаний з діафрагмою 2, яка встановлена в корпусі насоса 1, переміщується вгору. Це переміщення передається через проміжний поршень 10 та проміжні плунжери-штовхачі 31 на пластину 32, стискаючи при цьому силові пружини 33. Відбувається витіснення робочої рідини з проміжної камери 4 через канали 15 та 16, а також з надпоршневої порожнини 13 через наскрізний осьовий канал 11 в зливну магістраль 17 через підпірний клапан 18 і регульований дросель 19. При цьому здійснюється такт всмоктування ПС у насосну камеру 3 через всмоктувальний клапан 34. В момент, коли проміжний поршень 10 досягає свого крайнього верхнього положення, плунжер з упором 25 взаємодіє з регулювальним гвинтом 26, що розміщений в корпусі насоса 1, і, долаючи тиск з боку надклапанної порожнини 23, відриває триступінчастий клапан 20 від сідла, що виконане у тілі проміжного поршня 10. Робоча рідина

Рис. 2.9. Гідроприводний діафрагмовий насос

надходить в замкнену порожнину 24 і відкриває триступінчастий клапан 20, оскільки створюється гідравлічна неврівноваженість триступінчастого клапана 20 внаслідок того, що , де і відповідно площі третього і другого ступенів триступінчастого клапана 20. Замкнена порожнина 24 сполучається з кільцевою розточкою 28 і робоча рідина через канал 29 та наскрізний осьовий канал 11 надходить в надпоршневу порожнину 13 і підпоршневу порожнину 14, а також через канал 15 робоча рідина надходить в проміжну камеру 4 і через канал 16 – в зливну магістраль 17 через підпірний клапан 18 та регульований дросель 19 і йде на злив. Тиск в напірній магістралі 8 падає і пластина 32 під дією стиснених силових пружин 33 рухається вниз разом з проміжними плунжерами-штовхачами 31, проміжним поршнем 10, поршнем-штовхачем 5 зі штоком 6, що жорстко зв’язаний з діафрагмою 2. Відбувається такт нагнітання ПС з насосної камери 3 до напірного трубопроводу через нагнітальний клапан 35.

Тиск в зливній магістралі 17, що забезпечується підпірним клапаном 18 і регульованим дроселем 19, утримує триступінчастий клапан 20 у відкритому положенні. Під час такту всмоктування витрата через підпірний клапан 18 і регульований дросель 19 за рахунок заповнення робочою рідиною проміжної камери 4 зменшується до значення, при якому підпірний клапан 18 закривається, а перепад тиску на регульованому дроселі 19 недостатній для утримання триступінчастого клапана 20 відкритим, тиск в замкненій порожнині 24 та кільцевій розточці 28 падає до зливного і триступінчастий клапан 20 закривається, а робоча рідина із замкненої порожнини 24 через дросельний канал 30 перетікає в кільцеву розточку 28, чим забезпечується надійна посадка триступінчастого клапана 20 на сідло, виконане у тілі проміжного поршня 10. Далі цикл повторюється.

Як ПГС 13 може використовуватись насос з електро- або дизельним двигуном, гідравлічна система пересувних транспортних засобів тощо. Наявність підпірного клапана 18 у зливній магістралі 17, а також можливість перетоку робочої рідини при відкритті триступінчастого клапана 20 у проміжну камеру 4 суттєво сприяє підвищенню ККД насоса і покращенню стабільності його роботи.

Крім того, відповідний вибір співвідношення площ ступенів забезпечує відкриття і надійну фіксацію у відкритому положенні триступінчастого клапана 20 до досягнення гідросистемою зливного тиску.

Дана конструкція забезпечує гарантоване виконання насосом повних ходів всмоктування і нагнітання, але представляє складність у виготовленні триступінчастого клапана 20, а також висуває жорсткі вимоги до чистоти робочої рідини та високої культури обслуговування [1, 125].

Для спрощення конструкції блока керування було запропоновано замінити триступінчастий клапан на більш прості у виготовленні конструктивні елементи (рис. 2.10) [126].

Рис. 2.10. Гідроприводний діафрагмовий насос

В даній конструкції на рис. 2.8 блок керування представлений у вигляді підпружиненого плунжера 20 та шарика 21, що контактує з плунжером 20. Та не дивлячись на спрощення у виконанні триступінчатого клапана, такий блок керування залишається досить складним через систему каналів, проточок і розточок. Окрім того, залишаються жорсткі вимоги щодо культури експлуатації та обслуговування подібних насосів.

На рис. 2.11 (а, б) представлено варіанти спрощення конструкції блока керування МНАГІП [127 – 129].

МНАГІП, представлений на рис. 2.11 (а) має більш просту конструкцію блока керування, ніж наведені вище. Кількість рухомих елементів мінімізовано, сполучні канали виведено назовні. Для зменшення габаритів НГПА та кількості рухомих елементів запропоновано конструкцію мембранного насоса, що представлена на рис. 2.11 (б). Недоліком даної конструкції є відсутність можливості регулювання затяжки силових пружин. Для ліквідації зазначеного недоліку запропоновано інше конструктивне рішення, графічне зображення якого подано на рис. 2.12.

а) б)

Рис. 2.11. Варіанти конструктивного виконання мембранного НГПА з комбінованою системою керування

Конструктивна схема гідроприводного насоса мембранного типу [137], який містить корпус насоса 1 з кришкою 2, мембрану 3, встановлену в ньому з утворенням насосної 4 і проміжної 5 камер, поршень 6, що встановлений в корпусі насоса 1 з утворенням приводної порожнини 7, шток 8, жорстко з’єднана з корпусом 1 стійками 9 перша пластина 10, другу пластину 11, яка виконана з можливістю переміщення вздовж стійок 9, напрямні 12 з уступами, що жорстко з’єднані з другою пластиною 11, силові пружини 13, розташовані в стаканах 14 і підтиснуті з однієї сторони шайбами 15, а з іншої сторони підтиснуті регульованими упорами 16, АГР 17, ПГС 18. Шток 8 одним кінцем жорстко зв'язаний з мембраною 3, а іншим зв'язаний з поршнем 6.

Рис. 2.12. Гідроприводний насос мембранного типу

АГР 17 складається з корпуса 19 АГР 17, підпружиненого відносно корпуса 19 АГР 17 плунжера 20, що встановлений з можливістю контакту із кулькою 21, причому корпус 19 АГР 17 жорстко з’єднаний з першою пластиною 10. Плунжер 20 і кулька 21 утворюють в корпусі 19 АГР 17 чотири порожнини: підклапанну 22, надклапанну 23, проміжну зливну 24 та замкнену 25, причому підклапанна порожнина 22 і надклапанна порожнина 23 мають гідравлічний зв'язок між собою через напірну лінію 26 та з напірною магістраллю 27. Замкнена порожнина 25 через дросель 28 зв'язана з проміжною зливною порожниною 24, а проміжна зливна порожнина 24 виконана з можливістю сполучення через гідролінію 29 з проміжною камерою 5 та зі зливом через підпірний клапан 30 і регульований дросель 31, що встановлені у зливній магістралі 32.

В корпусі 19 АГР 17 вільно розташований плунжер-штовхач 33, виконаний з можливістю контакту одним кінцем з поршнем 6, а протилежний кінець розташований в підклапанній порожнині 22 АГР 17 з можливістю контакту з кулькою 21. Приводна порожнина 7 каналом 34 сполучена з напірною магістраллю 27 та з ПГС 18. В насосній камері 4 встановлені всмоктувальний 35 і нагнітальний 36 клапани.

Конструктивні розміри АГР 17 виконані у наступному співвідношенні: d₁<d₂<d₃, де d₁ – діаметр сідла під кульку 21, d₂ – діаметр плунжера 20, d₃ – діаметр кульки 21.

Гідроприводний насос мембранного типу працює так. При запуску ПГС 18, підвищується тиск в напірній магістралі 27 і робоча рідина під тиском надходить по каналу 34 в приводну порожнину 7, а також по напірній магістралі 27 і напірній лінії 26 в підклапанну порожнину 22 та надклапанну порожнину 23 АГР 17. Оскільки, на першому ступені площа поперечного перерізу кульки 21, по якій вона притиснута до сідла, що виконане в корпусі 19 АГР 17, зі сторони підклапанної порожнини 22, менше площі плунжера 20 зі сторони надклапанної порожнини 23, то кулька 21 під дією різниці сил тиску буде надійно притиснута до ущільнювальної фаски сідла, виконаного в корпусі 19 АГР 17. При цьому робоча рідина заповнює приводну порожнину 7 і поршень 6, який з одного боку зв’язаний штоком 8 з мембраною 3, що встановлена в корпусі насоса 1 з кришкою 2, а з іншого боку механічно зв’язаний з другою пластиною 11, до якої жорстко прикріплені напрямні 12 з уступами, і яка рухається вздовж стійок 9, що жорстко з’єднані з корпусом насоса 1 та першою пластиною 10, переміщується в верхнє положення. При русі поршня 6 вгору відбувається стиснення силових пружин 13, розташованих в стаканах 14 і підтиснутих з однієї сторони шайбами 15, а з іншої сторони підтиснуті регульованими упорами 16, і витіснення робочої рідини з проміжної камери 5 на злив через гідролінію 29, зливну магістраль 32 та встановлені в ній підпірний клапан 30 і регульований дросель 31, а також всмоктування ПС у насосну камеру 4 через всмоктувальний клапан 35.

При проходженні заданої величини робочого ходу поршень 6 контактує з плунжером-штовхачем 33, один кінець якого відтискає кульку 21 від ущільнювальної фаски сідла, виконаного в корпусі 19 АГР 17, що жорстко з’єднаний з першою пластиною 10. Площа поперечного перерізу кульки 21, на яку діє тиск робочої рідини зі сторони підклапанної порожнини 22, збільшується і утворює другу ступінь, що дорівнює площі всього поперечного перерізу кульки 21, яка більше площі поперечного перерізу плунжера 20 з боку надклапанної порожнини 23. Відтискаючи підпружинений плунжер 20, кулька 21 переміщується вгору, підклапанна порожнина 22 сполучається з проміжною зливною порожниною 25, і відбувається з’єднання напірної магістралі 27 через гідролінію 29 з проміжною камерою 5 та зі зливом через підпірний клапан 30 і регульований дросель 31, що встановлені у зливній магістралі 20.

Тиск в зливній магістралі 32, що забезпечується підпірним клапаном 30 і регульованим дроселем 31, утримує АГР 17 у відкритому положенні. Тиск в напірній магістралі 27, приводній порожнині 7 та порожнинах АГР 17 падає і під дією силових пружин 13 поршень 6 повертається в початкове положення, витісняючи при цьому ПС з насосної камери 4 в напірний трубопровід через нагнітальний клапан 35. Під час зворотного ходу поршня 6 витрата через підпірний клапан 30 і регульований дросель 31, за рахунок заповнення робочою рідиною проміжної камери 5, зменшується до значення, при якому підпірний клапан 30 закривається, а перепад тиску на регульованому дроселі 31 недостатній для утримання АГР 17 відкритим. Підпружинений регульованою пружиною плунжер 20 притискає кульку 21 до ущільнювальної фаски сідла, виконаного в корпусі 19 АГР 17 і злив робочої рідини через підклапанну порожнину 22 в проміжну зливну порожнину 24 припиняється. Далі цикл повторюється.

Оскільки замкнена порожнина 25 через дросель 28 постійно з'єднана з проміжною зливною 24, то залишки робочої рідини із замкненої порожнини 25 перетікають до проміжної зливної порожнини 24. Внаслідок цього відбудеться гарантоване притискання кульки 21 до сідла, що виконане в корпусі 19 АГР 17, а також виключається ймовірність утворення протитиску в замкненій порожнині 25, тобто можливість блокування руху кульки 21 та порушення функціонування АГР 17 в цілому. Наявність шайб 15 на уступах напрямних 12 та регульованого упора 16 дає можливість регулювати затяжку пружин 13. Наявність підпірного клапану 30 у зливній магістралі 32, а також можливість перетоку рідини при відкритті АГР 17 у проміжну камеру 5 суттєво сприяють підвищенню ККД насоса і покращенню стабільності його роботи.

Дана конструкція насосного агрегату ліквідовує вищезгадані недоліки, є досить простою у виготовленні та експлуатації, тому як об’єкт для подальших досліджень, вибираємо саме останній варіант. Фото експериментальної установки наведено на рис. 4.2 (розділ 4).

Отримані результати опубліковані в роботах [125 – 129, 137, 143].