Кинематическая схема и принцип действия радиально-поршневой гидромашины

Превращение вращательного движения приводного вала радиально-поршневого насоса в возвратно-поступательное движение поршня (плунжера) в цилиндре возможно представить работой измененного некоторым образом кривошипно-шатунного механизма, который используется в поршневых кривошипных насосах (раздел 4.2).

Для отображения принципа действия радиально-поршневого насоса необходимо допустить, что неподвижным звеном кривошипно-шатунного механизма является кривошип 1 (рис. 5.1, а). При этом цилиндр 3 вращается (приводится) с постоянной угловой скоростью вокруг оси О₂, а шатун 2 радиусом вращается с переменной угловой скоростью вокруг оси O₁, так как переменной является линейная скорость оси шарнирного соединения поршня 4 с шатуном 2. Длина отрезка О₁О₂, которая в начальной схеме кривошипно-шатунного механизма является радиусом кривошипа , в данном случае носит название эксцентриситета е.

Связь поршня 4 с шатуном 2, который вращается вокруг оси O₁, обеспечивает ему возвратно-поступательное перемещение в цилиндре 3 с ходом . Объем рабочей камеры последовательно, через каждых 180° поворота, изменяется, причем его увеличение используется для цикла всасывания, а уменьшение – для цикла нагнетания рабочей жидкости.

В многопоршневом насосе с радиальным расположением цилиндров 3 (рис. 5.1, б) шатуны 2 поршней 4 шарнирно связанные с осью O₁. Цилиндры 3 вращаются вокруг оси О₂, которая расположена на расстоянии е от оси O₁ (О₁О₂ – неподвижный кривошип 1).

а) б)

Рис. 5.1. Кинематические схемы радиально-поршневых насосов

Кинематика механизма сохраняется, если ведение поршней обеспечивается с помощью статорного кольца 2 (рис. 5.2), радиус которого равняется радиусу шатуна 2 кинематической схемы (рис. 5.1, б). Цилиндровый блок 1 (рис. 5.2) вращается вокруг оси О₂, поршни 4, движение которых ограничено статорным кольцом 2, перемещаются в цилиндрах 3, обеспечивая изменение объема рабочей камеры. Расстояние от центра статорного кольца 2 O₁ до центра ротора (цилиндрового блока) 1 О₂ составляет величину эксцентриситета е, который в регулируемых насосах является величиной переменной за счет подвижности кольца 2. Это обеспечивает регулирование расхода и реверсирование потока рабочей жидкости.

Рис. 5.2. Принципиальная схема радиально-поршневого насоса

Подвод и отвод рабочей жидкости из рабочих камер через отверстия в донышках цилиндров 3 обеспечивается неподвижным цилиндровым золотником (распределительной цапфой) 6, в которой выполнены соответствующие каналы а и b (для принятого на схеме направления вращения ротора с угловой скоростью канал а – всасывающий, канал b – нагнетательный). Герметизация полостей всасывания а и нагнетания b одна относительно другой в зоне их контакта с отверстиями в донышках цилиндров 3 обеспечивается перевальной перемычкой 7 распределительной цапфы 6. Ширина перевальной перемычки 7, как правило, несколько больше соответствующего размера отверстий в донышках цилиндров 3. Надежность контакта поршней 4 со статорным кольцом 2 достигается с помощью ряда способов – использования пружин 5, давления жидкости вспомогательных (бустерных) насосов и др.

При повороте ротора (блока цилиндров) 1 по часовой стрелке (рис. 5.2) поршень 4, который занимал крайнее левое горизонтальное положение (угол поворота ротора ), под действием пружины 5 перемещается в цилиндре 3 по направлению от оси вращения О₂, увеличивая объем рабочей камеры. В течение вращения на угол цилиндр 3 указанного поршня 4 отверстием в дне почти все время соединенный со всасывающим каналом а, через который заполняется рабочей жидкостью. В крайнем правом горизонтальном положении ( ) движение поршня 4 в цилиндре 3 по направлению от центра заканчивается и последующий поворот ротора 1 по часовой стрелке приводит к обратному его движению – к оси вращения О₂ – за счет действия на головку поршня 4 статорного кольца 2. Объем рабочей камеры при этом уменьшается и жидкость из цилиндра 3 вытесняется в нагнетательный канал b. При полном повороте ротора 1 ( ) соответственно заканчивается движение поршня 4 к оси вращения О₂ и цикл нагнетания рабочей жидкости. Последующий поворот ротора 1 приводит к повторению рабочих циклов в радиально-поршневом насосе.

Обустройство ротора, как правило, числом цилиндров (поршней) в одном ряду, который равняется , обеспечивает соответствующую подачу насоса во внешнюю сеть.

При текущем значении эксцентриситета (знак „+” – условный для данного направления вращения ротора 1 и отвечает крайнему правому положению статорного кольца 2), как показано на схеме (рис. 5.2), подача насоса максимальная с направлением потока рабочей жидкости, которая отвечает указанному в каналах распределительной цапфы 6. При соосном (концентрическом) расположении вращающегося ротора 1 и неподвижного статорного кольца 2 ( ) движение поршней 4 относительно цилиндров 3 отсутствует и, соответственно, отсутствует подача насоса . Перемещение статорного кольца 2 в крайнее левое положение обеспечивает текущее значение эксцентриситета и подачу насоса , то есть сохранение значения расхода рабочей жидкости при изменении направления потока на противоположный сравнительно с предыдущим. Промежуточные текущие значения эксцентриситета позволяют регулировать подачу насоса в диапазоне с обеспечением реверсирования потока рабочей жидкости.

Приведенная схема радиально-поршневого насоса (рис. 5.2) является наиболее распространенной, хотя используются и другие конструктивные решения, которые принципиально не изменяют кинематику и принцип действия указанных типов объемных насосов.

Рабочий объем радиально-поршневого насоса

, (5.1)

где - площадь поршня ;

– диаметр и количество поршней.

Учитывая, что ход поршня равняется двойному эксцентриситету , из (5.1) получим

. (5.2)

Идеальная подача насоса

. (5.3)

Текущий рабочий объем регулируемого насоса

,

где - максимальный рабочий объем;

- безразмерный (относительный) эксцентриситет

,

здесь - текущее и максимальное значение эксцентриситета.

Для регулируемого насоса безразмерный (относительный) эксцентриситет изменяется в пределах , для нерегулированного насоса .

В соответствии с этим идеальная подача регулируемого насоса

. (5.4)

Кинематическая схема радиально-поршневого гидромотора соответствует аналогичной схеме радиально-поршневого насоса (рис. 5.1) при условии превращения в гидромашине гидравлической энергии рабочей жидкости в механическую энергию вращательного движения выходного звена. Для этого рабочую жидкость с давлением и расходом принудительно подают в цилиндр 3 (рис. 5.1) . Сила давления жидкости на поршень 4 обусловливает его перемещение по направлению к центру вращения и существования нормальной к оси цилиндра составляющей, которая обеспечивает его вращательное движение вокруг этого центра. При обратном движении поршня 4 (от центра вращения ) рабочая жидкость с давлением вытесняется из цилиндра 3 в сливную полость. Таким образом, в гидромоторе полезно используется давление рабочей жидкости . Организация подвода и слива рабочей жидкости в гидромоторе обеспечивается принудительным распределителем, как правило, клапанным.

Рабочий объем , идеальный расход гидромотора, в том числе и регулируемого, определяются по зависимостям, аналогичным тем, которые используются для расчета параметров радиально-поршневых насосов (5.2), (5.3) и (5.4).

Угловая скорость вращения выходного звена (вала) гидромотора при отсутствии объемных потерь ( ) зависит от расхода жидкости и определяется по формуле

, (5.5)

где – характерный объем гидромотора.