Трубопровод с насосной подачей жидкости

Трубопровод с насосной подачей жидкости может быть разомкнутым ( когда жидкость перекачивается из одного источника к потребителю) или замкнутым ( когда в системе циркулирует одно и то же количество жидкости).

Рассмотрим, как более простой, случай разомкнутого трубопровода. Такая схема подачи жидкости используется в системах подачи топлива, в простейших системах смазки или системах подачи жидкости в исполнительные органы гидравлических машин (гидроцилиндр). Как правило, обязательными параметрами являются давление и расход жидкости на выходе трубопровода у потребителя.

Рис. 11.7

Запишем уравнение Бернулли для движения жидкости по напорному трубопроводу между сечениями 2-2 и 3-3

,

(11.21)

где -суммарные потери давления в напорном трубопроводе на участке между сечениями 2-2 и 3-3.

Уравнение Бернулли для движения жидкости по трубопроводу всасывания между сечениями 0-0 и 1-1 имеет вид

,

(11.22)

здесь -суммарные потери давления во всасывающем трубопроводе на участке между сечениями 0-0 и 1-1.

Из уравнения (11.22 ) определим напор жидкости на входе в насос. А для упрощения преобразования расчетных формул пренебрежем составляющей геометрического напора, в связи с ее малой долей в общем балансе энергии потока.

.

(11.23)

Напор жидкости в сечении 2-2 на выходе из насоса отличается от напора на входе в насос на величину напора сообщаемого насосом жидкости

.

(11.24)

С учетом (23) равенство (24) принимает вид

,

(11.25)

а если учесть, пренебрегая геометрическим напором, равенство (21), то из (25) находим

.

(11.26)

Если учесть, что , то из (26) легко получить

.

(11.27)

Перегруппировка слагаемых в выражении (27) приводит к результату

.

(11.28)

Второе слагаемое формулы (27) можно определить через расход жидкости в трубопроводе.

.

(11.29)

При условии, что трубопровод имеет постоянный диаметр ( , ), коэффициент скоростного напора равен

,

(11.30)

что позволяет переписать (29) в виде

.

(11.31)

Определяя потери давления на линиях всасывания и нагнетания согласно формулам (3), (4), (8), третье слагаемое (28) перепишется в виде

.

(11.32)

Выражение (32) представляет объединенную напорную характеристику всасывающей и нагнетающей ветвей трубопровода.

Потребный напор насоса, зависящий от величины давления , кинетического напора и потерь напора на преодоление местных сопротивлений определяется выражением

.

(11.33)

и представлен на рис. 11.8.

Рис. 11.8

Наличие напорной характеристики насоса, как источника энергии для повышения давления рабочей жидкости, позволяет установить рабочую точку согласованной работы всей системы (точка R на рисунке).

Для получения другой рабочей точки необходимо изменить характеристики трубопровода или режим работы насоса за счет увеличения или уменьшения хода плунжеров в аксиально-плунжерном насосе.

Лекция 12

Объемный гидропривод

Гидропривод подразделяют на динамический и объемный. В динамическом гидроприводе работа выходного звена совершается за счет кинетической энергии потока жидкости, которая преобразуется в механическую энергию гидравлической турбиной. В объемном гидроприводе наибольшее значение имеет энергия пьезометрического напора (энергия давления – ), преобразуемая в механическую энергию с помощью объемных гидравлических двигателей.

Назначение и элементы объемного гидропривода

Объемным гидравлическим приводом называют совокупность устройств, предназначенных для привода в движение механизмов машин и машин посредством рабочей жидкости под давлением.

В состав гидропривода входят:

· источник гидравлической энергии ( насос);

· приемник гидравлической энергии (гидравлический двигатель);

· гидроаппаратура управления;

· соединительная арматура (трубопроводы и соединительные устройства).

Рис.12.1

Объемный гидропривод широко используется в металлорежущих станках, промышленных роботах и манипуляторах, космической, авиационной, автомобильной и сельскохозяйственной технике. Основное достоинство объемного гидропривода – большая мощность исполнительного механизма при малых размерах привода, что облегчает задачи компоновки машины и снижает ее вес. Приведем принципиальную схему объемного гидропривода (рис. 12.1). Масло из бака 1 по всасывающему трубопроводу поступает в насос 2, имея давление . За счет внешнего источника энергии давление жидкости повышается. На выходе из насоса давление имеет значение . Количество жидкости, поступающей в напорную магистраль, регулируется дроссельным краном 3, а ее избыток сливается обратно в бак через предохранительный клапан 6. Через управляющий кран 4 жидкость поступает в полость А или В гидроцилиндра 5. Жидкость воздействуя на поршень гидроцилиндра создает на его штоке усилие , необходимое для выполнения требуемой работы. Все элементы объемного гидропривода соединены трубопроводами с использованием стандартных гидравлических соединений (гидравлической арматуры).

Гидравлические насосы и их характеристики

Насосом называют гидравлическую машину, предназначенную для преобразования механической энергии в энергию потока жидкости.

По конструкции и принципу работы насосы подразделяют на насосы объемные и динамические.

В динамическом насосе жидкость в результате силового воздействия перемещается в рабочей камере, которая постоянно сообщается с входом и выходом. Наиболее известным динамическим насосом является центробежный насос, схема которого приведена на рис. 12.2.

Рис. 12.2

Основной рабочий орган центробежного насоса – рабочее колесо 1. Вращаясь с большим числом оборотов, рабочее колесо сообщает жидкости, заполняющей объем между лопатками, кинетическую энергию. За счет торможения в расширяющихся межлопаточных каналах и расширяющемся канале спиральной камеры кинетическая энергия преобразуется в энергию давления. Давление жидкости на выходе из спиральной камеры превышает давление жидкости на входе в межлопаточные каналы ( ). Вход в насос и выход из спиральной камеры сообщаются между собой постоянно.

В объемных насосах рабочая жидкость периодически подвергается механическому воздействию в изменяемом объеме, который попеременно сообщается с входом и выходом. Схема поршневого одноцилиндрового насоса показана на рис. 12.2

Рис.12.2

Поршень 1, приводимый в движение кривошипно-шатунным механизмом 2, совершает возвратно поступательное движение в цилиндре. В головке цилиндра установлены два клапана: всасывающий 3 и нагнетающий 4. При движении поршня вправо (см. рисунок) жидкость из полости цилиндра через нагнетающий клапан вытесняется в напорную магистраль 5. Клапан 4 открывается под воздействием возрастающего давления жидкости в цилиндре. Это же давление прижимает всасывающий клапан 3 к седлу, перекрывая слив жидкости во всасывающую магистраль 6. При изменении направления движения поршня на противоположное (движение влево) клапан 4 под действием пружины закрывается, а клапан 3 открывается. Под действием атмосферного давления жидкость из расходного бака поступает в полость цилиндра под поршень. Объем жидкости, перемещаемой насосом за один ход поршня, определяется его ходом в цилиндре .

Основными параметрами, характеризующими работу насоса, являются:

· производительность (объемная подача);

· высота всасывания;

· напор;

· потребляемая мощность;

· полезная мощность;

· коэффициент полезного действия.

Объемная подача – это объем жидкости, подаваемый насосом в напорную магистраль за единицу времени ( ). Теоретическая подача объемного насоса в секунду определяется:

· – объемом рабочей камеры;

· –числом рабочих камер;

· –числом оборотов вала насоса в минуту;

.

(12.1)

Для поршневого насоса (рис.12.2) объем рабочей камеры определяется диаметром цилиндра и ходом поршня . Теоретическая подача всегда больше фактической на величину объемных потерь

.

(12.2)

Напор – это прирост удельной энергии, которую приобретает в насосе единица веса прокачиваемой жидкости. Если ( ) – параметры жидкости на входе в насос, а ( ) – на выходе, то напор определяется по формуле

.

(12.3)

Высота всасывания определяется как максимальная высота подъема жидкости по всасывающему трубопроводу, выраженная в метрах водяного столба, при которой давление на входе в насос превышает с некоторым запасом давление насыщенных паров жидкости при заданных условиях, что необходимо для обеспечения работы насоса без кавитации. Определяется высота всасывания по формуле

,

(12.4)

где

· – давление на срезе всасывающей трубы;

· – давление на входе в насос;

· – жидкости в сечении на входе в насос.

Теоретическое значение высоты всасывания не может превышать 10 м водяного столба.

Полезной мощностью насоса называют количество энергии, которое насос сообщает всему потоку прокачиваемой жидкости ежесекундно. По определению

.

(12.5)

Как и всякая машина, насос потребляет мощности больше, чем отдает. Отношение полезной мощности к потребляемой называют коэффициентом полезного действия насоса

.

(12.6)

Отсюда потребляемая мощность насоса равна

.

(12.7)

Поршневые насосы

В дополнение к сказанному ранее следует отметить, теоретическая подача поршневого насоса не зависит от давления (напора), создаваемого насосом и теоретическая характеристика этого насоса изображается в координатах при изображается прямой параллельной оси абсцисс.

По числу рабочих камер различают поршневые насосы одинарного ( ), двойного ( ), тройного действия ( ) и т.д. Принципиальная схема насоса двойного действия приведена на рис. 12.3.

Рис. 12.3

Графики изменения подачи насосов одинарного и двойного действия показаны на рис. 12.3. С некоторым приближением можно считать, что объем жидкости вытесняемой в напорную магистраль изменяется по синусоидальному закону в функции угла поворота кривошипа .

В насосе одинарного действия подача жидкости происходит лишь на протяжении полуоборота кривошипа; в течение другого полуоборота происходит всасывание и подача равна нулю. Неравномерность подачи максимальная.

Для насоса двойного действия подача осуществляется из разных камер в каждом полуобороте кривошипа. Подача из правой камеры (см. схему) несколько меньше, т.к. часть объема рабочей камеры занимает шток поршня. Неравномерность подачи меньше, но остается значительной.

Так как неравномерность подачи отрицательно сказывается на работе гидросистемы, поршневые насосы одинарного и двойного действия снабжаются воздушными колпаками, которые играют роль быстро действующих аккумуляторов. Обладая значительными объемами, они могут существенно повысить равномерность подачи насоса.

Рис. 12.4

При соответствующей технологии изготовления, поршневые насосы могут создавать весьма высокие давления – до сотен МПа. Из всех существующих насосов, поршневые насосы являются наиболее высоконапорными.

Поршневые насосы работают на небольших числах оборотов – не более 300 – 500 об/мин. При более высоких оборотах нарушается нормальная работа самодействующих всасывающих и напорных клапанов. Поэтому при одинаковой подаче размеры поршневых насосов существенно больше, чем размеры насосов других типов.

Коэффициент полезного действия поршневых насосов достигает значений .

Роторные насосы

Роторные насосы относятся, как и поршневые, к объемным насосам. Однако процесс вытеснения жидкости в роторных насосах существенно отличен от процесса вытеснения в поршневых насосах.

Для рабочего процесса роторных насосов характерным является, во-первых, перенос рабочих камер из приемной полости насоса в отдающую полость и, во-вторых, вращательное или более сложное (вращательно-поступательное) абсолютное движение вытеснителей.

В связи с отсутствием всасывающих и напорных клапанов, роторные насосы более быстроходны (рабочие обороты достигают 3000 … 5000 об/мин) и обладают свойством обратимости, т.е. способны работать в качестве гидродвигателей в том случае, когда к ним подводится жидкость под давлением.

Роторные насосы имеют и значительно большую равномерность подачи, что объясняется не только большим количеством рабочих камер (от 4 до 12), но и тем, что вытеснение из рабочих камер происходит с перекрытием по углу поворота ротора – еще не завешено вытеснение из одной камеры, как начинается вытеснение жидкости из следующей.

Достоинством роторных насосов является и низкий удельный вес, вес приходящийся на единицу мощности. Этот показатель у них даже намного лучше, чем у электрических машин той же мощности. Удельный вес гидродвигателя 2 …3 Н/кВт, а удельный вес электродвигателя 15 … 20 Н/кВт.

Давление, развиваемое роторными насосами, достигает 25 … 30 МПа. В целом роторные насосы вследствие бесклапанного распределения оказываются менее высоконапорными, чем поршневые насосы.

Рабочий процесс каждого элемента роторного насоса включает три этапа:

· заполнение рабочих камер жидкостью;

· замыкание рабочей камеры, т.е. изоляция от приемной и отдающей полостей, и перенос ее из приемной полости в отдающую;

· вытеснение жидкости из рабочей камеры в отдающую полость, соединенную с напорной магистралью.

Шестеренный насос выполняется в виде пары одинаковых зубчатых колес эвольвентного зацепления, заключенных в плотно их облегающий корпус – статор. В приемной полости насоса (полость А на рис. 12.5) жидкость заполняет впадины между зубьями шестерен, а затем происходит замыкание этих объемов и перемещение в отдающую (напорную) полость В. Объем рабочей камеры насоса определяется размерами зубьев, т.е. модулем зубчатого зацепления и числом зубьев, а так же шириной зуба

12.8

По объему рабочей камеры легко найти теоретическую подачу шестеренного насоса

,

(12.9)

где - число оборотов ротора в минуту.

Шестеренные насосы способны создавать давление до 10 … 15 МПа.

Рис. 12.5

Пластинчатые насосы применяются как насосы малой производительности и небольшой степени повышения давления, всего несколько десятых МПа. Схема насоса представлена на рис. 12.6.

Ротор насоса представляет собой полый цилиндр с радиальными прорезями, в которых скользят пластины – вытеснители. Расположен ротор эксцентрично внутренней цилиндрической поверхности статора. Благодаря такому расположению пластины при вращении ротора совершают возвратно-поступательное движение в прорезях ротора. Под действием центробежных сил пластины прижимаются своими внешними торцами к внутренней поверхности статора, а внутренними торцами обкатываются по так называемому плавающему валику, не имеющему подшипников. Жидкость заполняет пространство между двумя соседними пластинами, поверхностями статора и ротора. Это и есть рабочая камера, объем которой со стороны подающей камеры увеличивается, а затем, достигнув максимального значения, замыкается и переносится в напорную полость насоса.

Простейшая схема пластинчатого насоса. В корпусе 1 , внутренняя поверхность которого является цилиндрической, эксцентрично расположен ротор 2, представляющий цилиндр с прорезями (пазами), выполненными либо радиально, либо под небольшим углом к радиусу. В пазах находятся прямоугольные пластины – вытеснители 3. Рабочие камеры в насосе ограничены двумя соседними пластинами, поверхностями статора и ротора; с торцов – плавающими дисками (на схеме не показаны). При вращении ротора по часовой стрелке жидкость через окно статора А поступает в насос из всасывающего патрубка 4, переносится к окну В и подается в нагнетательный патрубок 6. Перемычка 5 отделяет всасывающую полость от полости нагнетания.

Рис.12.6

Теоретическая подача пластинчатого насоса однократного действия определяется по следующей формуле

,

(12.10)

где

- эксцентриситет (регулируемый параметр);

- радиус внутренней поверхности статора;

- толщина пластины-вытеснителя;

- угол установки пластины-вытеснителя;

- ширина пластины-вытеснителя в осевом направлении;

- число оборотов ротора в минуту;

- число пластин-вытеснителей.

Так как в пластинчатом насосе степень герметичности по торцам пластин невелика, степень повышения давления ниже, чем у роторных насосов других конструкций. Насос рассмотренной схемы 0,2 … 0,5 МПа. Конструктивные мероприятия по повышению герметичности и увеличение числа пластин-вытеснителей до 10 … 12 позволяют увеличить давление на выходе 5 … 7 МПа.

Роторно-поршневой насос(или роторно-плунжерный насос (рис. 12.7)) имеет ротор 5, расположенный эксцентрично относительно статора 2, в радиальных каналах которого располагаются плунжеры 1, выполняющие роль вытеснителей. При вращении ротора они совершают относительно ротора возвратно-поступательное движение.

Через радиальные сверления рабочие камеры попеременно сообщаются с то с верхней 4, то с нижней 7 половинами центральной полости, разделенной перегородкой 6. Верхняя полость (на рисунке) является всасывающей, а нижняя – нагнетающей. Замыкание рабочих камер происходит в тот момент, когда радиальное сверление попадает на перегородку. За один оборот замыкание происходит дважды: один раз, когда объем камеры наибольший, и другой раз, когда ее объем наименьший.

Полезный объем рабочей камеры в насосе определяется диаметром плунжера и эксцентриситетом

,	(12.11)

секундная теоретическая подача при числе плунжеров равна

.

(12.12)

Рабочее давление роторно-поршневого насоса может достигать величины 20 … 30 МПа.

Аксиальный роторно-поршневойнасос имеет пространственную кинематику механизма передачи движения вытеснителям. Рабочие камеры располагаются в роторе насоса параллельно его оси вращения или под небольшим углом к этой оси (рис. 12.8).

Рис. 12.8

На схеме ротор насоса 1 снабжен гнездами параллельными оси вращения, которые и образуются рабочие камеры. Плунжеры 2, выталкиваемые из своих гнезд пружинами, скользят своими торцам по наклонному опорному диску 3, который заставляет плунжеры, расположенные на другой полуокружности вдвигаться в свои гнезда.

Таким образом совершается возвратно-поступательное движение плунжеров в гнездах, а следовательно, всасывание и нагнетание жидкости. В неподвижной части 4 насоса, к которой ротор прилегает своим торцом, имеются два дугообразных окна 5, одно из которых сообщается со всасывающим трубопроводом, а другое – с напорным. При вращении ротора отверстия 6 перемещаются по дугообразным окнам 5 и, следовательно, сообщают гнезда то со всасывающим трубопроводом, то с напорным. В те моменты, когда эти отверстия попадают на перемычки 7, происходит замыкание рабочей камеры, причем в верхнем положении ее объем будет максимальным, а в нижнем – минимальным.

Наклонный диск укреплен шарнирно так, что его можно поворачивать вокруг оси , пересекающей ось ротора под прямым углом, и менять угол наклона диска для регулирования подачи.

Теоретическая подача рассматриваемого насоса в секунду равна

(12.13)

где

· – диаметр окружности, на которой в роторе расположены оси рабочих камер;

· – диаметр плунжера;

· – ход плунжера;

· –число плунжеров;

· –число оборотов ротора в минуту.

· – угол наклона диска;

Неравномерность подачи роторно-поршневых насосов зависит от числа плунжеров . Как правило, это нечетное число 5, 7, 9, 11. Для пятиплунжерного насоса изменение подачи за один оборот ротора представлено на рис. 12.9.

Рис. 12.9

Степень неравномерности подачи оценивается коэффициентом неравномерности подачи , значения которого приведены в табл. 12.1.

Табл.12.1

z
	5,0	2,6	1,5	1,0

Меньшее значение коэффициента неравномерности подачи при нечетном числе плунжеров объясняется тем, что в этом случае одновременно замыкается только одна рабочая камера. При четном числе плунжеров одновременно замыкаются две рабочие камеры, что приводит, в этот момент, к прекращению подачи из них в напорную полость.