Роторно-поступательные насосы

Шиберные насосы.

Пластинчатый насос — разновидность шиберных, т.е. роторно-поступательных насосов с вытеснителями в виде шиберов — пластин. Пластинчатые насосы бывают однократного, двукратного и многократного действия. Насосы однократного действия могут быть регулируемыми и нерегулируемыми. Насосы двукратного и многократного действия нерегулируемые.

На рис.8.5. приведена простейшая схема пластинчатого насоса однократного действия. В корпусе насоса — статоре 1, внутренняя

Рис. 8.5. Шиберный насос. 1 – статор; 2 – ротор; 3 – вытеснитель; 4 - всасывающий патрубок; 5 - уплотнительные перемычки; 6 - нагнетательный патрубок.

поверхность которого, является цилиндрической, эксцентрично расположен ротор 2, представляющий собой цилиндр с прорезями (пазами), выполненными либо радиально, либо под небольшим углом α к радиусу. В прорезях находятся прямоугольные пластины — вытеснители, которые при вращении ротора совершают относительно него возвратно-поступательное движение. Под действием центробежных сил или специальных устройств пластины своими внешними торцами прижимаются к внутренней поверхности статора и скользят по ней. При вращении ротора в направлении часовой стрелки жидкость через окно, расположенное на периферии статора, поступает в насос из всасывающего патрубка 4 и через противоположное окно подается в нагнетательный патрубок 6 (окна на рисунке не показаны). Рабочие камеры в насосе ограничиваются двумя соседними пластинами и поверхностями статора и ротора. Уплотнение ротора и пластин с торцов осуществляется плавающим диском, который давлением жидкости прижимается к ротору. Для отделения всасывающей полости от нагнетательной в статоре имеются уплотнительные перемычки 5, размер которых должен быть несколько больше расстояния между краями двух соседних пластин.

Регулирование рабочего объема и реверс подачи пластинчатого насоса однократного действия осуществляются изменением величины и знака эксцентриситета, для чего необходим специальный механизм, смещающий центральную часть статора относительно ротора (на рис. насос установлен на максимальный эксцентриситет е, что соответствует максимальной подаче Q_max).

В пластинчатом насосе двукратного действия подача жидкости из каждой рабочей камеры за один оборот ротора производится дважды. Внутренняя поверхность статора в таком насосе имеет специальный профиль, сходный с эллиптическим, с двумя входными и двумя выходными окнами, расположенными диаметрально противоположно.

Возможность регулирования рабочего объема в насосе двукратного действия исключается. Число пластин z для наиболее равномерной подачи рекомендуется выбирать кратным четырем; чаще всего z=12.

Подача пластинчатых насосов определяется следующими выражениями:

для насоса однократного действия

(8.14)

для насоса двукратного действия

(8.15)

Здесь b— ширина пластин в осевом направлении;

— толщина одной пластины;

α — угол наклона пластин к радиусу в сторону вращения ротора (обычно α = 0—15°);

r — радиус внутренней поверхности статора;

е — величина эксцентриситета;

r₁ и r₂ — соответственно большая и малая полуоси внутренней поверхности статора;

— объемный КПД, принимаемый равным 0,75—0,98.

Насосы предназначаются для нагнетания рабочей жидкости (чистого минерального масла) в гидравлические системы металлорежущих станков, литейного и сварочного оборудования, прессов, автоматических линий и других стационарных машин, работающих в закрытых помещениях.

Роторно-поршневые насосы.

Роторно-поступательный насос, в котором вытеснители имеют форму поршней (плунжеров, шаров), а рабочие камеры ограничиваются вытеснителями в цилиндрических полостях ротора, называется роторно-поршневым.

Роторно-поршневой насос, у которого ось вращения ротора параллельна осям рабочих камер и вытеснителей или составляет с ними угол менее 45°, называется аксиальным.

Аксиальные роторно-поршневые насосы бывают двух разновидностей: насосы с наклонным блоком и насосы с наклонным диском. У первых — ось вращения ведущего вала и ось ротора пересекаются, образуя угол; у второй разновидности насосов оси ведущего вала и ротора совпадают.

Большое распространение, особенно в гидроприводах, получили насосы с наклонным блоком и с двойным несиловым карданом.

Рис. 8.5 Аксиально-роторно поршневой насос.

Аксиально-поршневые насосы выполняются с наклонной шайбой или наклонным блоком. На рис. 28 изображен аксиально-поршневой насос с наклонной шайбой 1, на которую опираются основания плунжеров (поршней) 2. Плунжеры вращаются вместе с блоком 3 и одновременно совершают возвратно-поступательные движения относительно него.

При этом рабочие камеры 4 и 5 меняют свой объем от минимальной величины (поз.4 на рис.28) до максимальной (поз.5) и обратно. Для соединения рабочих камер с трубопроводами служит неподвижный распределитель 6 с дугообразными окнами 7 и 8. Он устроен таким образом, что при увеличении объема рабочей камеры она соединяется с всасывающим трубопроводом через окно 7, а при уменьшении - с напорным через окно 8. Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком имеет аналогичную конструкцию, но у него относительно оси вращения наклонен блок, а не шайба.

Аксиально-поршневой насос может быть регулируемым. При регулировании его рабочий объем изменяется за счет изменения угла γ наклона шайбы 1 (или блока).

Рис. 8.6. Аксиальный роторно-поршневой насос. 1 – упорный диск; 2 – шатун; 3- поршень; 4 – блок цилиндров (ротор); 5 – распределитель; 6 – вал; 7 – кардан

Упорный диск 1, жестко связанный с валом 6, шарнирно связан со сферическими головками шатунов 2. Другие сферические головки этих шатунов шарнирно заделаны в поршнях 3, которые совершают возвратно-поступательное движение в блоке цилиндров (роторе) 4. Последний приводится во вращение от вала 6 через двойной кардан 7. Подводящий и отводящий трубопроводы присоединяются к неподвижному распределителю 5. При изменении наклона распределителя на угол у относительно вала 6 изменяется ход каждого поршня, а следовательно, и рабочий объем насоса.

В последнее время широко используются также аксиальные роторно-поршневые насосы с наклонным блоком бескарданного типа, в которых передача крутящего момента на ротор осуществляется шатунами, входящими внутрь поршней. Такая схема позволяет упростить конструкцию и уменьшить размеры ротора, а следовательно, и его момент инерции, что улучшает динамику процесса разгона и торможения машины. Кинематика поршня при этом оказывается такой же, как и в приведенной выше схеме с несиловым карданом.

Наиболее перспективными, особенно при работе с небольшими мощностями, являются насосы с наклонным диском. В простейшем насосе такого типа отсутствует как карданная, так и шатунная связь наклонного диска с блоком цилиндров.

Для всех аксиальных роторно-поршневых насосов характерно торцевое распределение жидкости, т.е. наличие устройства, обеспечивающего попеременное сообщение рабочих камер с полостями всасывания и нагнетания насоса, а также замыкание рабочих камер в промежуточные моменты. Изменение рабочего объема в регулируемых аксиальных роторно-поршневых насосах осуществляется изменением угла наклона у блока цилиндров или диска, которое может выполняться вручную или автоматически в зависимости от давления насоса.

Рабочий объем насоса с наклонным блоком определяется приближенно формулой

(8.16)

Рабочий объем насоса с наклонным диском

(8.17)

где

V_k — полезный объем рабочей камеры;

D — диаметр окружности, на которой в роторе расположены оси поршней;

D₁ — диаметр окружности, на которой в упорном диске расположены центры шарниров шатунов;

— угол наклона блока цилиндров или диска к оси вращения ротора (обычно γ=15—20°);

z — число поршней (обычно равное 5,7 или 9). Минутная подача насоса при частоте вращения ротора в минуту n равна:

(8.18)

где —объемный КПД, значения которого принимаются 0,95—0,98.

Принята следующая система шифровки.

Для насосов первой группы: 2Г13-3 — аксиально-поршневой, при отсутствии индекса — с ручным механизмом управления, с цифрой 2 впереди — с электрогидравлическим управлением; цифра 5 обозначает подачу 100 л/мин, цифра 6 — подачу 200 л/мин; буква А — указывает на наличие вспомогательного одинарного.

В радиальных роторно-поршневых насосах рабочие камеры расположены радиально по отношению к оси ротора.

Рис. 8.7. Радиальный роторно-поршневой насос. 1- статор; 2 – статорное кольцо; 3 – всасывающее отверстие; 4 – вытеснители; 5 – уплотнительная перегородка; 6 – цилиндровый блок-ротор; 7 – нагнетательное отверстие.

Принципиальная схема регулируемого радиального роторно-поршневого насоса приведена на рис.8.7. Основными элементами его являются статор 1, цилиндровый блок-ротор 6, поршни (плунжеры) 4, выполняющие роль вытеснителей, статорное кольцо, или обойма, 2. Роль распределительного устройства выполняет пустотелая ось с уплотнительной перегородкой 5, на которой помещается вращающийся ротор. При вращении последнего в направлении, указанном стрелкой, рабочие камеры своими каналами поочередно соединяются с отверстием 3, через которое жидкость всасывается, и с отверстием 7, через которое происходит нагнетание жидкости.

При проходе рабочих камер насоса через нейтральное положение их каналы перекрываются уплотнительной перегородкой. Прижим головок поршней к внутренней поверхности обоймы происходит либо под действием центробежных сил, либо под давлением жидкости, нагнетаемой в полость всасывания вспомогательным насосом, либо с помощью специальных пружин. При перемещении поршней от центра рабочие камеры соединяются с полостью всасывания, а при ходе поршней к центру — с полостью нагнетания.

Обойму 2 можно перемещать относительно подвижной оси 5 ротора и тем самым менять эксцентриситет е, а следовательно, и рабочий объем насоса V.

Рабочий объем насоса равен:

(8.19)

где z – число поршней;

F – площадь поперечного сечения цилиндра, м²;

е – эксцентриситет ротора, м;

n – частота вращения ротора, об/мин;

η₀ – объемный КПД.

Число рабочих камер в насосе r в одном ряду обычно равно пяти, семи и реже девяти. Цилиндры насоса могут располагаться и в несколько рядов (обычно не более трех), благодаря чему достигаются большая подача и большая ее равномерность. Кроме того, для увеличения подачи применяются насосы многократного действия, в которых статорное кольцо (обойма) имеет специальный профиль.

Рабочий объем многорядных насосов многократного действия в общем случае

(8.20)

где

i — кратность насоса;

m — число рядов.

Минутная подача насоса при частоте вращения n (об/мин) ротора

(8.21)

где — объемный КПД, равный 0,70—0,90.

Радиально-поршневые насосы могут быть регулируемыми. Регулирование подачи, а также реверс осуществляются изменением величины и знака эксцентриситета е. Обычно величина е находится в пределах 3—10 мм.

Насосы эти имеют четыре модификации по управлению: НРР и НРРШ — насосы с ручным управлением нереверсивные (насосы НРРШ имеют встроенный шестеренный насос для питания вспомогательных механизмов гидросистемы); НРС и 2НРС — насосы со следящим гидравлическим управлением (НРС — нереверсивный, 2НРС — реверсивный); НРМ и НР4М — насосы с электрогидравлическим механизмом управления на две и четыре подачи, реверсивные; НРД — насосы с управлением по давлению, нереверсивные.

В качестве примера расшифровки марки насоса рассмотрим насос 2НРС 250Д/200: цифра 2 — реверсивный (при отсутствии цифры — нереверсивный); буквы НРС — радиально-поршневой насос со следящим гидравлическим управлением; 250— рабочий объем, см3; Д — модернизированный, 200 — номинальное давление, кгс/см2.