Аксіально-поршневі насоси й гідромотори

Аксіально-поршневі гідромашини знайшли широке застосування в гідроприводах, що пояснюється низкою їхніх переваг: менші радіальні розміри, маса, габарит і момент інерції обертових мас; можливість роботи при великій кількості обертів; зручність монтажу й ремонту.

За конструкцією механізму привода циліндрів аксіально-поршневих насосів буває: – з похилим блоком циліндрів;

– з похилим диском.

Аксіально-поршневі гідромашини з похилим диском – це гідромашини, в яких вхідна (вихідна) ланка та блок циліндрів розташовані на одній осі, а поршні пов’язані з поверхнею диска, нахиленого до цієї осі.

Аксіально-поршневі гідромашини з похилим блоком циліндрів – це гідромашини, в котрих осі вихідної (вхідної) ланки і блока циліндрів перехрещуються.

Насоси (і гідромотори) з аксіальним розміщенням циліндрів одержали назву просторових, або насосів із похилим диском (шайбою).

Кінематичною основою цих насосів є видозмінений кривошипно-шатунний механізм (рисунок 3.11, а), циліндр 3у якому при повороті кривошипа 2навколо осі 1робить переміщення у вертикальній площині (у площині креслення), рухаючись паралельно самому собі й зберігаючи осьове положення.

Переміщення поршня 4при повороті кривошипа 2на кут дорівнює

, (3.17)

де R — довжина кривошипа.

Очевидно, що повне переміщення поршня при повороті кривошипа на кут = 180° складе 2R.

Рисунок 3.11 – Кінематична схема аксіально-поршневого насоса

Схема принципово не зміниться, якщо площину обертання кривошипа повернути навколо вертикальної осі YY щодо колишнього положення на деякий кут , менший ніж 90° (рисунок 3.11, б). У цьому випадку схема перетвориться на просторову, а отже, циліндр для збереження колишньої кінематики поршня повинен переміщатися в просторі по еліпсу, що являє собою слід проекції точки 2на площину, перпендикулярну до осі циліндра.

При цьому переміщення поршня буде

х = х’ cos = R (1 — cos ) cos , (3.18)

де – кут повороту площини обертання кривошипа.

Оскільки переміщення циліндра по подібній траєкторії практично нездійсненне, цю траєкторію заміняють колом, описаним радіусом R, що вносить у розрахунок за формулою (3.18) деяку неточність.

Узявши замість одного циліндра декілька й розташувавши їх по колу (подібно револьверному барабану), а також замінивши кривошип диском 5(рисунок 3.12, а), вісь якого нахилена щодо осі циліндрового блока 2на кут = 90° - , одержимо принципову схему багатопоршневого насоса (мотора) просторового типу. Насос складається із циліндрового блока (барабана) 2з поршнями 3, пов’язаними за допомогою тих або інших засобів (поршневих шатунів 4 чи пружин) із похилим диском (шайбою) 5, зміною кута нахилу якого щодо осі циліндрового блока здійснюється регулювання величини ходу h поршней. Циліндровий блок у цій схемі пов’язаний із вхідною ланкою 8за допомогою кардана 6.

Оскільки осі циліндрів у цьому випадку будуть переміщатися при обертанні циліндрового блока по колу, а проекція кола центрів гнізд диска (шайби), у якій вмонтовані шатуни поршнів, на площину, перпендикулярну до осі циліндрового блока, є еліпсом, то паралельність осей шатунів буде порушена і при обертанні циліндрового блока вони здійснюватимуть гойдальні рухи, що вплине на кінематику руху поршня. Кут повороту шатунів буде залежати від їхньої довжини й кута повороту шайби =90° –– між площиною диска й віссю циліндрового блока.

Рисунок 3.12 – Принципова схема аксіального поршневого насоса з карданно-шатунним зв’язком похилого диска із циліндровим блоком і поршнями (а) та розрахункові схеми елементів насоса (б — е)

На практиці поворотом шатуна звичайно нехтують, у результаті формула (3.18) буде приблизно справедлива й для дійсної схеми насоса.

Оскільки циліндровий блок 2у розглянутих насосів обертається (циліндри переміщаються відносно корпусу), спрощується розподіл рідини, що звичайно виконується через серпоподібні вікна ата b (рисунок 3.12, б)у розподільному золотнику 1і канали (отвори) 7у циліндровому блоці 2(див. рисунок 3.12, а, в).У „мертвих” положеннях циліндрів отвори 7 перекриваються нижніми й верхніми перемичками, розташованими між розподільними вікнами ата b,ширина s яких трохи перевищує розмір отворів 7 (t < s) (на рисунку 3.12, а вікна а й b показані умовно).

Продуктивність насоса регулюється зміною кута нахилу шайби щодо осей циліндрового блока, що здійснюється або зміною положення циліндрового блока при незмінному положенні осі похилої шайби (рисунок 3.12, а), або навпаки (рисунок 3.13).

Насоси й гідромотори аксіального типу мають найкращі з усіх типів цих машин габаритні й масові характеристики. Так, наприклад, на 1 кг ваги насосів, які застосовуються в авіаційній техніці, часто припадає потужність 5 – 8 к. с.

Особливістю розглянутих машин є малий момент інерції обертових частин, що має істотне значення при використанні їх як гідромоторів.

Важливим параметром для багатьох випадків застосування є також швидкодія насоса при регулюванні витрати.

Зміна продуктивності від нульового до максимального значення здійснюється в деяких насосах за 0,04 і від максимального до нульового за – 0,02 .

Рисунок 3.13 – Аксіально–поршневий насос із хитною шайбою

Найбільш поширена кількість циліндрів в аксіально-поршневих насосах складає 7 – 9. Максимальний кут між віссю циліндрового блока та похилого диска, як правило, дорівнює: у насосах 20° і в гідромоторах 30°, збільшення цього кута супроводжується зростанням радіальних складових тиску рідини на поршень.

Частота обертання насосів середньої потужності звичайно становить 1000 – 2000 обертів за хвилину. Кількість обертів гідромоторів може бути вищою приблизно в 1,5 – 2 рази, ніж у насосів у тієї ж конструкції й потужності.

Частота обертання подібних насосів авіаційних гідросистем, як правило, дорівнює 3000 – 4000 за хвилину; однак в окремих випадках застосовують насоси зі значно більшою частотою обертання. За даними іноземної преси, фірма „Віккерс” (США) виготовляє насоси з максимальною частотою обертання за хвилину 20 000 і 30 000 і мінімальною кількістю обертів 5 – 10.

Насоси й мотори з аксіальним розташуванням циліндрів використовуються при тисках 21 – 35 МПа та рідше при більш високих тисках (насоси продуктивністю до 400 л/хвчасто випускаються на робочі тиски до 55 МПаі насоси з малою продуктивністю – на тиск

70 МПа).

Потужність унікальних насосів, що випускаються для деяких галузей промисловості (для прокатних станів та ін.), досягає 4000 – 4500 к. с.і більше. Крутний момент гідромоторів при 21 МПадоведений до 8000– 9000 Н×м.

Насоси й мотори цих типів мають високий об’ємний ККД, що для більшості моделей досягає при номінальних режимах роботи значень 0,97 – 0,98. Багато закордонних фірм гарантують для насосів продуктивністю 130 – 150 л/хвоб’ємний ККД при тиску 35 МПа не менше 0,99. Загальний ККД цих насосів становить приблизно 0,95.

Вагова перевага (вага, що припадає на одиницю потужності) гідромоторів цього типу порівняно з електродвигуном становить від ~80 разів для малої до ~12 для великої потужності.

Аксіально-поршневий насос складається із блока циліндрів 8 (рисунок 3.14) з поршнями (плунжерами) 4, шатунів 7, упорного диска 5, розподільного пристрою 2 і привідного вала 6.

Під час роботи насоса при обертанні вала починає обертатися й блок циліндрів. При похилому розташуванні упорного диска (див. рисунок 3.14, а, в) або блока циліндрів (див. рисунок 3.14, б, г) поршні, крім обертального, роблять і зворотно-поступальні аксіальні рухи (вздовж осі обертання блока циліндрів). Коли поршні висуваються із циліндрів, відбувається всмоктування, а коли переміщуються у зворотному напрямку – нагнітання. Через вікна 1 і 3 у розподільному пристрої 2 циліндри поперемінно з’єднуються то з усмоктувальною, то з напірною гідролініями. Для запобігання з’єднання всмоктувальної лінії з напірною блок циліндрів щільно притискається до розподільного пристрою, а між вікнами цього пристрою є ущільнювальні перемички, ширина яких b більша від діаметра d_к отвору сполучних каналів у блоці циліндрів. Для зменшення гідравлічного удару при переході циліндрами ущільнювальних перемичок в останні зроблені дросельні канавки у вигляді невеликих вусиків, за рахунок яких тиск рідини в циліндрах підвищується рівномірно.

Рисунок 3.14 – Принципові схеми аксіально-поршневих насосів:

1 і 3 – вікна; 2 – розподільний пристрій; 4 – поршні; 5 – упорний диск;

6 – привідний вал; 7 – шатуни; 8 – блок циліндрів; а – із силовим карданом; б – із несиловим карданом; в – із точковим торканням поршнів;

г – безкарданного типу

Робочими камерами аксіально-поршневих насосів є циліндри, аксіально розташовані щодо осі ротора, а виштовхувачами – поршні. За видом передачі руху виштовхувачам аксіально-поршневі насоси поділяються на насоси з похилим блоком (див. рисунок 3.14, б, г) і з похилим диском (див. рисунок 3.14, а, в). Відомі конструкції аксіально-поршневих насосів виконані за чотирма різними принциповими схемами.

У насосах із силовим карданом (див. рисунок 3.14, а) привідний вал з’єднаний із похилим диском силовим карданом, виконаним у вигляді універсального шарніра із двома степенями вільності. Поршні з’єднуються з диском шатунами. При такій схемі крутний момент від приводного двигуна передається блоку циліндрів через кардан і похилий диск. Початкове притиснення блока циліндрів до розподільного пристрою забезпечується пружиною, а під час роботи насоса – тиском рідини. Передача крутного моменту блоку циліндрів необхідна для подолання сил тертя між торцем блоку циліндрів і розподільним пристроєм.

У насосах із подвійним несиловим карданом (див. рисунок 3.14, б) кути між віссю проміжного вала й осями ведучого і веденого валів приймають однаковими та рівними. При такій схемі обертання ведучого і веденого валів буде практично синхронним, а кардан повністю розвантаженим, тому що крутний момент від привідного двигуна передається блоку циліндрів через диск 5, що виготовляється заодно з валом 6.

Насоси з точковим торканням поршнів похилого диска (див. рисунок 3.14, в) мають найбільш просту конструкцію, оскільки тут немає шатунів і карданних валів. Однак для того, щоб машина працювала в режимі насоса, необхідне примусове висування поршнів із циліндрів для притиснення їх до опорної поверхні похилого диска (наприклад, пружинами, розміщеними в циліндрах). За такою схемою найчастіше виготовляють гідромотори типу Г15-2 (рисунок 3.15). Ці машини виготовляються невеликою потужністю, тому що в місцях контакту поршнів із диском створюється високе напруження, що обмежує тиск рідини.

Рисунок 3.15 – Аксіально-поршневий гідромотор типу Г15-2:

1 – вал; 2 – манжета; 3 – кришка; 4, 9 – корпус; 5, 16 – підшипник;

6 – радіально упорний підшипник; 7 – барабан; 8 – повідець; 10 – ротор;

11 – пружини; 12 – дренажний отвір; 13 – розподільний пристрій;

14 – напівкільцеві пази; 15 – отвір напірний; 17 – поршні; 18 – шпонка;

19 – штовхач

В аксіально-поршневих машинах безкарданного типу (див. рисунок 3.14, г) блок циліндрів з’єднується з ведучим валом через шайбу й шатуни поршнів. Порівняно з гідромашинами з карданним зв’язком машини безкарданного типу простіші у виготовленні, надійніші в експлуатації, мають менший габарит блока циліндрів. За даною схемою вітчизняною промисловістю випускається більшість аксіально-поршневих машин серії 200 і 300 (рисунок 3.16).

Рисунок 3.16 – Аксіально-поршнева машина серії 200 і 300:

1 – вал; 2 – ущільнювальний пристрій; 3, 4 – підшипник; 5 – шарнірні шатуни; 6 – поршень; 7 – блок циліндрів; 8 – розподільний диск;

9 – карданний вал; 10 – циліндр; 11 – опорний диск; 12 – корпус

Подача (витрата) аксіально-поршневої гідромашини залежить від ходу поршня, що визначається кутом γ нахилу диска або блока циліндрів (γ < 25). Якщо конструкція гідромашини в процесі її експлуатації допускає зміну кута γ, то такі машини регульовані. При зміні кута нахилу шайби чи блока циліндрів з + γ до - γ досягається реверсування напрямку потоку рідини або обертання ротора гідромашини.

За один оберт блока циліндрів кожний поршень виштовхує такий об’єм рідини, який дорівнює добутку площі поршня на його пройдений шлях

, (3.19)

продуктивність насоса

, (3.20)

де S – площа поршня;

D – діаметр по осі поршнів блока циліндрів;

z – кількість поршнів;

– кут нахилу похилого диска;

n – частота обертання привідного вала.

Для зміни ходу поршня необхідно змінити кут нахилу похилого диска.

Якщо помножити й поділити праву половину виразу (3.20) на тангенс максимального кута нахилу похилого диска tg _max, то подача насоса буде визначатися за формулою

Q_max=q_maxn , (3.21)

де – регульований параметр;

q_max=SDztg _max – конструктивна стала насоса.

Зміною кута нахилу диска можна змінювати подачу насоса від нульового значення ( =0) до максимального ( =1).

Контрольні запитання

1. Дайте визначення насоса.

2. Що називається гідродвигуном?

3. Сформулюйте визначення насоса-гідромотора.

4. Що називається робочим об’ємом гідромашини?

5. Дайте визначення гідролінії.

6. Які бувають продуктивності насоса?

7. Як визначається об’ємний ККД гідромотора?

8. Як визначаються потужність і крутний момент на валу гідромотора?

9. Які бувають типи шестеренних машин?

10. Як визначається подача шестеренного насоса?

11. Дайте визначення пластинчастого насоса.

12. Що називається кратністю дії?

13. Якої кратності бувають пластинчасті насоси?

14. Що називається радіально-поршневими гідромашинами та у яких випадках їх застосовують?

15. Як визначається подача радіально-поршневого насоса?

16. Що називають аксіально-поршневими гідромашинами з похилим диском?

17. Що називають аксіально-поршневими гідромашинами з похилим блоком циліндрів?

18. Як визначається продуктивність аксіально-поршневих машин?

Гідроциліндри

Як виконавчі механізми (гідродвигуни) застосовуються силові циліндри, що служать для здійснення зворотно-поступальних прямолінійних і поворотних переміщень виконавчих механізмів. Гідроциліндри поділяються на поршневі, плунжерні, мембранні й сильфонні.