Кинематическая схема и принцип действия аксиально-поршневых гидромашин

Как и для радиально поршневых гидромашин, кинематической основой аксиально-поршневых машин является определенным образом видоизмененный кривошипно-шатунный механизм.

В случае использования аксиально-поршневой гидромашины в качестве насоса кривошип 1 принудительно оборачивается вокруг оси приводным двигателем (рис. 6.3, а). Примем, что цилиндр 3 имеет возможность перемещения только в вертикальном направлении параллельно самому себе при сохранении горизонтального положения штока 2. В этом случае, в соответствии с кинематической схемой (рис. 6.3, а), при изменении значения угла поворота кривошипа 1 от до (направление поворота против часовой стрелки) цилиндр 3 переместится от начального положения, при котором его ось будет пересекаться с осью (при ), к максимальному верхнему положению (при ) и вернется в начальное положение (при ). При таких перемещениях названных подвижных элементов поршень 4 осуществит полный ход в цилиндре 3 от крайнего правого положения к крайнему левому, увеличивая объем рабочей камеры, которая будет отвечать циклу всасывания рабочей жидкости в аксиально-поршневом насосе.

а) б)

в)

Рис. 6.3. Кинематическая схема аксиально-поршневого насоса

Последующее вращение кривошипа 1 с изменением угла поворота от до приведет к перемещению цилиндра 3 от начального (при ) к максимальному нижнему положению (при ) и возвращению в начальное положение (при ). За это время поршень 4 осуществит обратный ход в цилиндре 3 от крайнего левого к крайнему правому положению, уменьшая объем рабочей камеры, которая используется для вытеснения рабочей жидкости во внешнюю сеть (цикл нагнетания).

Текущее положение поршня 4 в цилиндре 3 в зависимости от угла поворота кривошипа 1 при известных допущениях (раздел 4.4) составляет

,

где - радиус кривошипа.

Полный ход поршня при повороте кривошипа 1 на угол для данной кинематической схемы (рис. 6.3, а) равняется .

Повернем плоскость вращения кривошипа вокруг вертикальной оси на угол (рис. 6.3, б и рис. 6.3, в – вид сверху). Кинематическая схема превратится в пространственную. При повороте приводного вала, как и раньше, против часовой стрелки, проекцией круга вращения центра шарнира, который связывает кривошип 1 со штоком 2, на плоскость, перпендикулярную оси цилиндра, будет эллипс. Для сохранения горизонтального (для схем рис. 6.3, б и в) положения штока 2 и обеспечения возвратно-поступательного движения поршня 4 при вращении кривошипа 1 цилиндр 3 также должен перемещаться по эллипсу.

Текущее положение поршня для пространственной кинематической схемы определяется зависимостью

. (6.1)

Обеспечение перемещения цилиндра по эллиптической траектории практически невыполнимо, потому ее заменяют кругом радиусом , что вызывает при вращении колебание штока 2 и нарушение синусоидального закона перемещения поршня 4. Некоторым несоответствием действительного значения текущего положения поршня и вычисленного по формуле (6.1) в этом случае, как правило, пренебрегают.

В аксиально-поршневых машинах в блоке цилиндров 1 равномерно по кругу диаметром ( - диаметр круга, на котором размещены оси цилиндров 2) размещают несколько цилиндров 2 с осями, параллельными оси блока (рис. 6.4, а, б). Кривошип в этих машинах заменен диском 5, ось которого наклонена относительно оси блока 1 на угол . Поршни 3 в одном случае (рис. 6.4, а) связано с приводным диском 5 с помощью штоков 4, а в другой конструктивной схеме (рис. 6.4, б) плунжеры 4 сферическими головками прижимаются к наклонному диску 5 с помощью пружин 3 или силой давлению жидкости.

Первое конструктивное решение отвечает аксиально-поршневой гидромашине с наклонным блоком цилиндров (рис. 6.4, а), а второе (рис. 6.4, б) - аксиально-поршневой гидромашине с наклонным диском. К этим основным двум типам можно отнести практически все существующие конструкции аксиально-поршневых гидромашин.

В гидромашинах с наклонным блоком цилиндров (рис. 6.4, а) силовая и кинематическая связь блока 1 с приводным валом 6 насоса (выходным валом мотора) обеспечивается с помощью промежуточного вала 7. В гидромашинах с наклонным диском (рис. 6.4, б) приводной вал 6 насоса (выходный вал мотора) изготовляется как единая конструктивная деталь с блоком цилиндров 1.

Распределение рабочей жидкости в приведенных схемах аксиально-поршневых машин выполняется с помощью неподвижного плоского золотника (торцевого распределителя) 8 (рис. 6.4, а) и 7 (рис. 6.4, б) с серпообразными окнами подведения и отведения жидкости и . При вращении блока 1 и возвратно-поступательных перемещениях поршней 3 (рис. 6.4, а) (плунжеров 4, рис. 6.4, б) в цилиндрах 2 рабочие пространства через отверстия в их донышках попеременно соединяются с окнами и плоского золотника 8 (рис. 6.4, а) и 7 (рис. 6.4, б), и через них – с магистралями высокого и низкого давления рабочей жидкости. Исключение соединения окон и отверстиями в донышках цилиндров 2 для предотвращения значительных объемных потерь гидромашины выполняется, как и в случае цилиндрового золотника рассмотренных радиально поршневых машин, с помощью перевальных перемычек.

Как указано и выше, в аксиально-поршневых гидромашинах с наклонным блоком цилиндров оси блока 1 и приводного вала 6 насоса (выходного вала мотора) при значении угла пересекаются, а в аксиально-поршневых гидромашинах с наклонным диском оси блока 1 и приводных вала 6 насоса (выходного вала мотора) составляют одну линию независимо от значения угла .

а)

б)

Рис. 6.4. Схемы аксиально-поршневых гидромашин с: а) – наклонным блоком цилиндров; б) – наклонным диском [плоский золотник 8 (схема а) и 7 (схема б) условно возвращен на угол вокруг оси блока цилиндров 1]

В случае использования аксиально-поршневой машины в качестве гидромотора к ней подводят рабочую жидкость с давлением и расходом . В сливной полости давление жидкости составляет , то есть, как и в других объемных гидромоторах, полезно используется давление (перепад) .

Действие силы давления жидкости на поршень 3 (рис. 6.4, а) (плунжер 4, рис. 6.4, б) приводит к появлению, в том случае, и тангенциальной составляющей, которая и обеспечивает вращательное движение выходного звена мотора. Следует отметить, что в аксиально-поршневых гидромоторах с наклонным блоком цилиндров силовой крутящий момент формируется на приводном диске 5 (рис. 6.4, а), то есть блок цилиндров 1 разгружен от действия этого момента. В аксиально-поршневых гидромоторах с наклонным диском силовой крутящий момент передается на выходное звено (вал) 6 (рис. 6.4, бы) через плунжеры 4 и блок цилиндров 1, что необходимо учитывать при их прочностных расчетах.

Рабочий объем аксиально-поршневой гидромашины составляет

,

где - площадь поршня ;

– диаметр и количество поршней.

Максимальный ход поршня h для гидромашины с наклонным блоком цилиндров (рис. 6.4, а)

,

где - диаметр окружности, на которой размещены центры шарниров поршневых штоков в приводном диске;

- угол, образованный осями блока цилиндров и приводного диска.

Максимальный ход поршня h для гидромашины с наклонным диском (рис. 6.4, б)

,

где - диаметр окружности на торце блока цилиндров, на которой размещены оси цилиндров;

- угол, образованный осями блока цилиндров и наклонного диска.

Идеальная подача аксиально-поршневого насоса (расход гидромотора):

- с наклонным блоком цилиндров

,

где - частота вращения ротора гидромашины;

- с наклонным диском

.

Идеальную подачу аксиально-поршневого насоса (расход гидромотора) можно выразить через характерный объем и угловую скорость . Тогда для гидромашины:

- с наклонным блоком цилиндров

;

- с наклонным диском

.

Угловая скорость вращения выходного звена (вала) аксиально-поршневого гидромотора определяется зависимостью (5.5), как и в случае радиально поршневого гидромотора.

Подача аксиально-поршневого насоса (расход гидромотора) регулируется изменением угла наклона оси приводного (наклонного) диска относительно оси цилиндрового блока, что осуществляется:

- изменением положения цилиндрового блока при неизменном положении приводного диска в аксиально-поршневых гидромашинах с наклонным блоком цилиндров;

- изменением положения наклонного диска при неизменном положении цилиндрового блока в аксиально-поршневых гидромашинах с наклонным диском.

Идеальная подача регулируемого аксиально-поршневого насоса равняется

, (6.2)

где - соответственно текущий и максимальный рабочий объем насоса;

- безразмерный параметр регуляции, который составляет:

- для насосов с наклонным блоком цилиндров

, (6.3)

здесь - соответственно текущее и максимальное значение угла наклона ;

- для насосов с наклонным диском

. (6.4)

Тогда с учетом (6.2), (6.3) и (6.4) идеальную подачу аксиально-поршневого насоса можно определять так:

- насоса с наклонным блоком цилиндров

;

- насоса с наклонным диском

.

Как правило, максимальный угол наклона в каждую сторону от нейтрального положения в аксиально-поршневых насосах с наклонным блоком цилиндров составляет , в насосах с наклонным диском - .

От величины угла наклона в значительной мере зависит срок службы аксиально-поршневых гидромашин. Так, например, при уменьшении этого угла от 25° до 20° срок службы насоса повышается приблизительно в 2 разы [2].