Распределение жидкости с помощью цилиндрового золотника

Неподвижный цилиндровый золотник имеет разделенные двумя перевальными перемычками шириной полости всасывания и нагнетания, которые осевыми каналами и диаметрами соединены с соответствующими магистралями (рис. 5.5). Блок цилиндров размещается на золотнике и отверстиями в донышках цилиндров при вращении попеременно соединяет их рабочие пространства с окнами питания полостей всасывания и нагнетания распределительной цапфы.

При переходе цилиндров радиально-поршневого насоса через нейтральное положение их рабочие пространства герметизируются перевальными перемычками, что предотвращает перетекание жидкости из полости нагнетания в полость всасывания цилиндрового золотника. В то же время при перемещении цилиндров от одного нейтрального (мертвого) положения к другому должно обеспечиваться их надежное заполнение жидкостью, отсутствие кавитации при проходе зоны всасывания и предотвращение компрессии жидкости в цилиндрах в зоне нагнетания.

Рис. 5.5. Схема цилиндрового золотника радиально-поршневой машины: 1 – цилиндровый золотник (распределительная цапфа); 2 – втулка ротора; 3 – перевальные перемычки

Для максимального выполнения изложенных условий работы узла распределения жидкости ширину перевальной перемычки, при ее симметричном расположении относительно нейтральной оси, выполняют, как правило, несколько больше, чем ширина отверстия в донышке цилиндра ( ), которая, в свою очередь, меньше его диаметра ( ).

Углы поворота ротора, в пределах которых осуществляется перемещение цилиндров над перевальными перемычками с герметичными рабочими пространствами (с перекрытыми отверстиями в донышках цилиндров), обозначаются и (рис. 5.6, а; для наглядности показано значительно увеличенное соотношение ). В свою очередь, каждый угол ( и ) состоит из двух углов - и , которые для принятого на рис. 5.6, а направления вращения блока цилиндров называют: - углы опережения, - углы запаздывания.

В пределах углов опережения и ротор оборачивается с момента герметизации рабочего пространства цилиндра перевальной перемычкой к приходу его в нейтральное положение. В пределах углов запаздывания и ротор вращается от нейтрального положения цилиндра с герметичным рабочим пространством к моменту открытия отверстия в его донышке.

При вращении ротора в пределах угла объем рабочий пространства цилиндра продолжает увеличиваться при закрытом отверстии в его донышке. В результате имеет место недозаполнение рабочей камеры жидкостью из полости всасывания (условные утечки), которое уменьшает объемный КПД насоса . При некоторых значительных углах давление в рабочем пространстве к приходу цилиндра в нейтральное положение может снизиться до величины давления насыщенных паров жидкости, что приведет к кавитационным явлениям. При определенных условиях (определенном соотношении углов и ) кавитация возможна также при поворте ротора на угол , то есть при увеличении объема рабочего пространства цилиндра при закрытом отверстии в его донышке.

В недозаполненную рабочую камеру после вращения ротора на угол и соединении цилиндра с полостью нагнетания может иметь место обратный поток жидкости значительно более высокого давления, что, в свою очередь, может вызывать гидравлические удары. Это явление усиливается при соотношении углов , то есть при еще более низком давлении в рабочей камере в момент соединения цилиндра с полостью нагнетания, чем при условии . Работа насоса в таком случае сопровождается характерным шумом и пульсацией давления рабочей жидкости.

Если , то после вращения ротора на угол и уменьшения объема рабочего пространства цилиндра давление жидкости может увеличиться до такой величины, при которой ход поршня будет обеспечиваться только за счет утечек жидкости через зазоры и упругой деформации жидкости (компрессии) и элементов насоса. Компрессия возникает также при повороте ротора на угол и герметизации цилиндра до его прихода в нейтральное положение и также может сопровождаться гидравлическими ударами и шумовыми эффектами.

б)

а) в)

Рис. 5.6. Варианты выполнения перевальных перемычек цилиндрового золотника

Для предотвращения явлений компрессии жидкости, кавитации и обеспечения полноты заполнения рабочих камер насоса в зависимости от конкретных рабочих параметров и условий работы гидромашины используют следующие методы:

а) выполнение отверстия в дне цилиндра в виде узкого эллипса с размещением его большой оси параллельно оси блока цилиндров (рис. 5.6, б), что обеспечивает уменьшение ширины перевальной перемычки и величины углов ;

б) несимметричное расположение в нереверсивных гидромашинах перевальной перемычки относительно оси нейтрального положения, например, для предотвращения компрессии в насосе смещение ее в сторону полости всасывания (рис. 5.6, в);

в) уменьшение, даже до отрицательного значения, величины угла опережения для улучшения условий заполнения рабочих камер и устранения явления кавитации (сопровождается уменьшением объемного КПД насоса при отрицательном из-за частичного вытеснения рабочей жидкости поршнем в полость всасывания);

г) выполнение ширины отверстия в дне цилиндра большим, чем ширина перевальной перемычки для предотвращения гидроударных явлений (сопровождается уменьшением объемного КПД насоса из-за перетекания жидкости из полости нагнетания в полость всасывания);

д) предусмотрение устройства для плавного (безударного) дозаполнення и повышение давления в рабочих камерах при их соединении с полостью нагнетания.

Узел распределения жидкости с помощью цилиндрового золотника отличается компактностью и простотой изготовления, но из-за затрудненной герметизации подвижных элементов используется в гидромашинах с давлением рабочей жидкости, которое не превышает обычно 20÷25 МПа.

На цилиндровом золотнике концентрически размещается блок цилиндров с незначительными зазорами между подвижными элементами. Действия сил давления рабочей жидкости в проточной части гидромашины могут приводить к прогибу золотника и заклиниванию скользящей пары. Ввиду этого цилиндровый золотник рассчитывают на прогиб под действием указанной нагрузки, рассматривая его как консольную балку.

При конструировании цилиндрового золотника обычно выдерживают следующие соотношения (рис. 5.5):

.

Диаметр цилиндрового золотника зависит от количества и диаметра выполненных в нем осевых отверстий а и b, которые, в свою очередь, определяются расходом жидкости, которая проходит через гидромашину. Рекомендуется определять площадь этих отверстий исходя из скорости рабочей жидкости в них, ровной 3÷4 м/с для самовсасывающих насосов, и - до 6 м/с для гидромоторов и насосов с подпором.

Для уменьшения сил, которые действуют на цилиндровый золотник, применяют гидростатическую разгрузку (гидравлическое уравновешивание) ротора, которая обеспечивается формированием соответствующих направлений утечек жидкости в зазорах между ротором и цапфой. С этой целью на цапфе выполняют круговые кольцевые, или, более совершенные, некруговые канавки, расстояние расположения которых от перевальных перемычек рассчитывается, исходя из баланса действующих сил давления жидкости.

Достаточно широко для распределения рабочей жидкости в радиально-поршневых машинах используются плоские золотники (торцевые распределители), но особенности их применения будут рассмотрены на примере работы в составе аксиально-поршневых гидромашин.