Поршневые насосы и гидромоторы

Нерегулируемые аксиально-поршневые насосы и гидромоторы типа 210… используются в гидросистемах объемного гидропривода и могут работать в режиме насоса или гидромотора.

Гидромашина в режиме насоса работает следующим образом (рис. 1.2) [18]. При вращении вала 2 шатуны 10 через внутренние конические расточки поршней передают тангенциальную составляющую силы, необходимой для приведения блока цилиндров 11 во вращательное движение. Фиксация блока в пространстве осуществляется с помощью центрального шипа 1, сферическая головка которого закреплена во фланце вала 2, а хвостовик опирается на втулку, запрессованную в центральное отверстие неподвижного сферического распределителя 12. В силу наклонного расположения блока цилиндров относительно оси вала при вращении блока поршни совершают сложное движение: вращательное вместе с блоком цилиндров и возвратно-поступательное относительно стенок блока цилиндров. За один оборот вала каждый поршень в относительном движении совершает один двойной ход, соответствующий последовательному увеличению и уменьшению объемов рабочих камер цилиндров. При этом за первую половину оборота вала распределитель обеспечивает соединение рабочих камер со всасывающей, а во второй – с напорной линией гидросистемы, подключенными к отверстиям в задней крышке 14 корпуса 9 насоса.

Рисунок 1.2 – Нерегулируемый аксиально-поршневой насос-мотор типа 210

При эксплуатации машины в режиме гидромотора рабочая жидкость из напорной линии гидросистемы через отверстие в крышке 14 и окно распределителя 12 поступает в цилиндры блока 11, создавая силы гидростатического давления на поршни. Эти силы шатунами 10 передаются на опорный фланец и создают крутящий момент на валу 2 гидромотора.

Присоединительные размеры насосов и гидромоторов типа 210 даны в специальной литературе [1, 18], а в табл.1.1 приведены их технические характеристики.

Таблица 1.1 – Технические характеристики нерегулируемых насосов и гидромоторов типа 210

Насосы и гидромоторы типа 310 и насосы типа 311 по принципу действия и конструктивным схемам аналогичны гидромашинам типа 210. Они выпускаются трех типоразмеров со шпоночным и шлицевым соединением выходного вала. Технические характеристики этих машин приведены в табл. 1.2 [8].

Таблица 1.2 – Технические характеристики нерегулируемых насосов и гидромоторов типа 310

Принцип действия и конструкция качающего узла аксиально-поршневого насоса типа 207.20… аналогичны насосу типа 210… . Насос – регулируемый. Выпускается в двух исполнениях: с регулятором мощности или с гидроусилителем.

Рисунок 1.3 – Аксиально-поршневой регулируемый насос типа 207:

а – с регулятором мощности, б – с гидроусилителем; 1 – вал; 2 – крышка;

3 – кольцо упорное; 4,10,12 – кольца уплотнительные; 5 – корпус;

6,7,8 – подшипники; 9 – кольцо фторопластовое; 11 – фланец; 13 – шатун;

14 – цапфа; 15 – поршень; 16 – блок цилиндров; 17 – центральный шип;

18 – распределитель; 19,20 – крышки; 21 – поворотный корпус;

22 – манжетное уплотнение; 23 – гидроусилитель;

Регулятор мощности автоматически поддерживает постоянную мощность на валу насоса при изменении нагрузки в заданных пределах, а гидроусилитель обеспечивает изменение подачи по величине и направлению при малых входных усилиях на тяге управления [18].

Насос может быть использован в закрытых схемах с замкнутой циркуляцией жидкости в силовом контуре гидросистемы (тип 207.20.11…) и в открытых схемах (тип 207.20.16…) в режиме самовсасывания. В последнем случае на место крышки 19 устанавливается задняя крышка 20. Регулирование насоса осуществляется изменением угла наклона поворотного корпуса 21, установленного в подшипниках 8 неподвижных фланцев 11. Максимальный угол поворота блока вокруг вертикальной оси составляет ± 25º.

Насосы типа 207… выпускаются трех типоразмеров (табл. 1.3.), отличающихся диаметром качающего узла и, как следствие, подачей рабочей жидкости [18].

Таблица 1.3 – Технические характеристики насосов типа 207

На рис. 1.4 приведена зависимость действительной подачи насосов типа 207 трех типоразмеров от давления [8]. При расчете гидросистемы следует учитывать изменение подачи насоса и выполнять этот расчет для двух режимов: максимальной подачи (точка а) и номинального давления (точка б). На максимальной подаче определяют диаметры трубопроводов, вместимость гидробака и др., а мощность привода, усилие на гидродвигателях определяют при номинальном давлении.

Рисунок 1.4 – Зависимость действительной подачи насосов от давления:

1 – 207.20; 2 – 207.25; 3 – 207.32

Промышленностью выпускаются аналогичные по конструкции предыдущему аксиально-поршневые регулируемые однопоточные насосы типа 311.112 и 311.224. Их техническая характеристика дана в таблице 2.4 [8].

Таблица 1.4 – Техническая характеристика регулируемых насосов типа 311

Кроме того, для машин различного технологического назначения выпускается гамма регулируемых насосов и гидромоторов типов 209, 309, 312, 313, 303. Они предназначены для поворота платформы, привода лебедок, стреловых кранов и подъемников, привода пильной цепи валочно-трелевочных машин, привода гусеничного и колесного движителей экскаваторов и других машин.

На рис. 1.5 представлен регулируемый насос-мотор типа 313 [8]. Он имеет унифицированный качающий узел шатунного ведения наклонного блока цилиндров. Для обеспечения высокой стабильности регулирования применен однокаскадный следящий гидроусилитель с двухкромочным распределительно-дроссельным золотником 9.

Рисунок 1.5 – Аксиально поршневой регулируемый насос-мотор типа 313:

1 – пружина; 2 – крышка; 3 – рычажный механизм; 4 – шарнир;

5 – дифференциальный поршень; 6 – палец; 7 – башмак; 8 – подпятник;

9 – двухкромочный распределительно-дросселирующий золотник;

10 – поворотный распределитель

Постоянство потребляемой мощности (при изменении подачи и давления) достигнуто применением рычажного механизма 3, на одно плечо которого через башмак 7 и подшипник 8 опирается золотник 9, а на другое плечо действует пружина 1. Золотник 9 является одновременно измерителем рабочего давления жидкости. Канал высокого давления постоянно соединен с малым цилиндром дифференциального поршня 5. Через отверстие в поршне 5 и пальце 6 рабочая жидкость под давлением подается в среднюю часть золотника 9 [22]. Конструкция насоса-мотора типа 313 разработана на основе предыдущего поколения регулируемых гидромоторов типа 209 и 309.

В табл. 1.5, 1.6 и 1.7 приведены технические характеристики регулируемых гидромоторов типа 209, 309, 312, насосов и гидромоторов 313 и 303.

Таблица 1.5 – Технические характеристики регулируемых гидромоторов типа 209 и 309

Таблица 1.6 – Технические характеристики регулируемых гидромоторов типа 312

Таблица 1.7 – Технические характеристики регулируемых насосов и гидромоторов типа 303 и 313

На рис. 1.6 приведено условное графическое изображение гидромотора типа 303 при бесступенчатой регулировке рабочего объема. Поток рабочей жидкости от насоса поступает в гидролинию Р_н, а через клапан с логической функцией “ИЛИ” к двухпозиционному распределителю 3.

Рисунок 1.6 – Условное графическое обозначение гидромотора типа 303:

1 – гидромотор; 2 – плунжер; 3 – двухпозиционный распределитель; 4 – клапан с логической функцией “ИЛИ”; 5 – пружина

Если давление Р_у в линии управления незначительное, гидромотор работает на максимальных оборотах и осуществляет вращение рабочего органа с максимальной скоростью. При увеличении давления Р_у оно передается на торцевую поверхность золотника распределителя 3, который, преодолев усилие пружины, направит жидкость из напорной линии Р_н в правую полость плунжера 2. Последний, изменив положение распределительного диска, уменьшит обороты гидромотора. При реверсировании клапан с логической функцией “ИЛИ” соединит новую напорную линию насоса с двухпозиционным распределителем.

На рис. 1.7 приведено условное графическое изображение насоса типа 313. Регулирование подачи осуществляется следующим образом. Давление Р_н из напорной линии насоса по каналу передается в подпружиненную полость однокамерного следящего гидроусилителя 2, с которым каналами соединен распределительно-дроссельный золотник непрерывного действия 3. Таким образом, существует постоянная связь между

Рисунок 1.7 – Условное графическое обозначение насоса типа 313:

1 – насос; 2 – однокаскадный следящий гидроусилитель;

3 – распределительно-дроссельный золотник

напорной линией насоса 1 и торцевой поверхностью золотника 3 и его каналами управления. При повышении давления Р_н золотник 3 передвигается вправо, преодолев усилие пружины, и давление Р_н передается в поршневую полость гидроусилителя 2. За счет разности поршневой и штоковой площадей гидроусилителя поршень последнего переместится вправо и изменит положение распределительного диска, уменьшив подачу насоса.

Аксиально-поршневые регулируемые двухпоточные насосы применяются в гидравлических приводах одноковшовых универсальных экскаваторов, бурильных и валочно-пакетирующих машинах. Эти насосы используются в том случае, когда необходимо обеспечить работу регулируемого по подаче двухпоточного гидропривода. Промышленностью выпускается пять типов двухпоточных насосов: 223, 224, 321, 323 и 333.

Рисунок 1.8 – Аксиально-поршневой двухпоточный регулируемый насос типа 223:

1 – редуктор; 2,3 – качающие узлы; 4,5 – напорные линии; 6 – цапфа;

7 – пружина; 8 – золотник

Первые три насоса состоят из двух унифицированных узлов насоса типа 207, установленных в одном литом чугунном корпусе и объединенных между собой цапфой (рис. 2.8). Насосы 323 и 333 также состоят из двух унифицированных узлов насосов типа 309, установленных в одном литом корпусе из высокопрочного алюминиевого сплава. В отличие от насосов 223 насосы 323 и 333 имеют автономное регулирование подачи каждого потока, что позволяет оптимально использовать мощность приводного двигателя внутреннего сгорания.

В табл. 1.8 даны технические характеристики двухпоточных насосов типа 223, 224 и 321, а в табл. 2.9 – насосов 323 и 333 [8].

Таблица 1.8 – Технические характеристики регулируемых двухступоточных насосов типа 223, 224 и 321

Таблица 1.9 – Технические характеристики регулируемых двухпоточных насосов типа 323 и 333

Как уже указывалось выше, в насосах 323 и 333 применено независимое регулирование потоков. Каждый качающий узел 4 имеет автономный механизм изменения положения блока цилиндров, выполненный в виде дифференциального плунжера 5. Поршневая и штоковая полости этого плунжера соединены каналами с напорной гидролинией 10 через следящий золотник 4 непрерывного действия. Применение регулятора непрямого действия позволило осуществить раздельное регулирование потоков.

На рис. 1.9 представлен насос 323. Конструкцией этого насоса предусмотрена возможность установки третьего нерегулируемого насоса, который может быть использован для питания рулевого управления, привода вентилятора калорифера и других вспомогательных механизмов. Насос 333 снабжен третьим нерегулируемым насосом типа 210.12.

Рисунок 1.9 – Аксиально-поршневой двухпоточный регулируемый

насос типа 323:

1 – вал качающего узла; 2 – вал привода насоса; 3 – корпус насоса; 4 – блок цилиндров; 5 – поворотный распределитель; 6 – корпус распределителя; 7 – датчик давления; 8 – следящий золотник; 9 – дифференциальный плунжер; 10 – поршень; 11 – шатун; 12 – вал-шестерня; 13 – радиально-упорные подшипники; 14 – радиальный подшипник

Обозначение насоса 323 показано на рис. 1.10, а насоса 333 – на рис. 1.11.

Рисунок 1.10 – Условное графическое обозначение насоса типа 333:

1 – вал качающего узла; 2 – вал привода насоса; 3 –датчик давления; 4 – следящий золотник; 5 – дифференциальный плунжер; 6 – рычаг обратной связи; 7 – пружина регулятора; 8 – качающий узел; 9 – напорная гидролиния; 10 – обратный клапан

Рисунок 1.11 – Условное графическое обозначение насоса типа 333:

1 – вал качающего узла; 2 – вал привода насоса; 3 – нерегулируемый насос;

4 – качающий узел; 5 – напорная гидролиния; 6 – гидробак; 7 – гидроусилитель.

Высокомоментные радиально-поршневые нерегулируемые гидромоторы используются для привода механизма хода гусеничных машин, поворота платформы экскаваторов и кранов, вращения цепи многоковшовых экскаваторов, вращения ротора роторных экскаваторов т. д. Преимущество высокомоментных гидромоторов перед широко применяемыми в настоящее время низкомоментными гидромоторами состоит в том, что они могут развивать значительный крутящий момент ( до 25 · 10³ Н · м) при малой угловой скорости ( до 0,15 об/с).Поэтому их применяют без редуктора или с редуктором небольшого передаточного числа (I =2-5).

На рис. 1.12 показан высокомоментный радиально-поршневой гидромотор типа MP. Обозначение этого мотора на схемах аналогично низкомоментным гидромоторам (см. табл. 1). Принцип действия гидромотора заключается в следующем. Поток жидкости от насоса поступает в крышку 5 распределителя и через реактивный 6 и распределительный 7 диски по каналам в корпусе 9 и крышке 4 в торцевую полость поршня 2, который противоположной сферической поверхностью опирается на эксцентриковый вал 11. За счет эксцентриситета создается крутящий момент, обеспечивающий вращение эксцентрикового 11 и промежуточного 12 валов. Вал 12, поворачивая распределительный диск 7, направляет поток жидкости от насоса к другому поршню, эксцентрично расположенному по отношению к валу 11. Таким образом, за счет попеременного соединения поршней 2 с напорной линией насоса происходит вращение эксцентрикового вала 11.

Рисунок 1.12 – Высокомоментный радиально-поршневой гидромотор типа МР:1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – сферический диск; 4 – крышка поршня; 5 – крышка распределителя; 6 – реактивный диск; 7 – распределительный диск; 8 – опорный диск; 9 – корпус мотора; 10 – торцевая крышка; 11 – эксцентриковый вал; 12 – промежуточный вал.

Промышленностью выпускается семь типоразмеров высокомоментных радиально-поршневых гидромоторов, технические характеристики их приведены в таб. 2.10[8].

Выбор типоразмера гидромотора осуществляется по требуемому крутящему моменту и угловой скорости, которые определяются из силового и кинематического расчета машины. Эти гидромоторы эксплуатируются на тех же рабочих жидкостях, что и аксиально-поршневые насосы.

Таблица 1.10 – Технические характеристики высокомоментных гидромоторов типа МР

Основные расчетные зависимости объемных насосов и гидромоторов приведены в п.п. 6.1.5; 6.1.6.

Шестеренные насосы

Шестеренные насосы выполняются с шестернями внешнего и внутрен­него зацепления. Наибольшее распространение имеют насосы с шестернями внешнего зацепления. На рис. 1.13,а приведена схема такого насоса. Он со­стоит из двух одинаковых шестерен – ведущей 2 и ведомой 3, помещенных в плотно охватывающем их корпусе – статоре 1. При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, жидкость, заполняющая впадины между зубьями, переносится из полости всасывания в полость нагнетания. Вследствие разности давлений (p₂>p₁) шестерни подвержены воздействию радиальных сил, которые могут привести к заклиниванию роторов. Для уравновешивания последних в корпусе насосов иногда устраивают разгру­зочные каналы 4. Такие же каналы могут быть выполнены и в самих ро­торах.

Рисунок 1.13 – Схемы шестеренных насосов

В шестеренных насосах высокого давления (свыше 10МПа) пре­дусматривается гидравлическая компенсация торцевых зазоров, осуществ­ляемая специальными “плавающими втулками”, которые давлением жид­кости прижимаются к шестерням. На рис.1.13,б приведена схема шестеренного насоса с гидростатическим прижимом. Подвод давления нагнетания по каналу 4 и дренаж через каналы 3 в корпусе 6 позволяют обеспечить компенсацию торцевого зазора между шестернями 1 и боковыми щеками 2 и 5.

Чаще всего применяются насосы, состоящие из пары прямозубых шестерен с внешним зацеплением и с одинаковым числом зубьев эвольвентного профиля. Для увеличения подачи насосы выполняются с тремя и более шестернями, размещенными вокруг центральной ведущей шестерни.

Для повышения давления жидкости применяются многоступенчатые шестеренные насосы. Подача каждой последующей ступени этих насосов меньше подачи предыдущей ступени. Для отвода излишка жидкости каждая ступень имеет перепускной (предохранительный) клапан, отрегулированный на соответствующее максимально допустимое давление.

Кроме прямозубых шестерен, выполняются насосы с косозубыми и шевронными шестернями. Угол наклона зубьев в шевронных шестернях обычно составляет 20 – 25°.

Современные шестеренные насосы могут развивать давления до 10 – 20 МПа (100 – 200 кгс/см²).

Для приближенных расчетов секундной подачи насосов с двумя оди­наковыми шестернями можно пользоваться формулой.

(2.1)

где h₀ – объемный к.п.д. насоса, зависящий от конструкции, технологии изготовления и давления насоса и принимаемый равным 0,7 – 0,95; А – расстояние между центрами шестерен, равное при одинаковых шестернях диаметру начальной окружности D_н; D_r – диаметр окружности головок зубьев; b – ширина шестерен; п — частота вращения ротора в минуту.

Для шестерен с нормальным эвольвентным некорригированным зацеп­лением A=D_н =mz, D_r=m(z+2), где m – модуль зацепления и z – число зубьев шестерни. Для таких шестерен фор­мула (2.1) принимает вид

(2.2)

При z<16 в шестеренных насосах обычно применяется корригирован­ное эвольвентное зацепление, при котором D_н = (z+l)m. Для этого случая вместо формулы (2.2) имеем

(2.3)

а рабочий объем насоса

(2.4)

Таким образом, рабочий объем шестеренного насоса пропорционален произ­ведению диаметра D_н и модуля m. Поэтому для уменьшения габаритов насоса выгоднее при его проектировании выбирать большее значение m и меньшее число z, а следовательно, и D_н. Однако уменьшение z требует уве­личения степени корригирования и увеличивает неравномерность подачи.

Коэффициент неравномерности подачи s_Q для шестеренных насосов с цилиндрическим эвольвентным зацеплением находится по формуле

(2.5)

В табл. 1.14 приведены основные технические данные некоторых типов шестеренных насосов отечественного производства [8].

Таблица 1.11 – Технические характеристики шестеренных насосов типа НШ

Винтовые насосы

В зависимости от числа винтов различают одно-, двух-, трех- и много­винтовые насосы. Наибольшее распространение получили трехвинтовые на­сосы с циклоидальным зацеплением, обладающие рядом существенных до­стоинств: высоконапорностью, равномерностью подачи и бесшумностью работы [11].

На pис. 1.14 приведена схема насоса, имеющего три двухзаходных винта, из которых средний 1 – ведущий и два других 2 – ведомые. При этом направление нарезки на ведущем и ведомых винтах противоположное.

Рисунок 1.14 – Схема трехвинтового насоса

В корпусе 5 установлена обоима 4, залитая баббитом и сообщающаяся своими окнами с всасывающим патрубком 6. Винты, расположенные внутри обоймы с минимальными зазорами, при зацеплении образуют рабочие камеры, которые при вращении перемещаются вместе с жидкостью вдоль оси к напорному патрубку 3.

При таком конструктивном выполнении винты разгружены от радиаль­ных сил давления, а возникающие осевые силы воспринимаются упорными подшипниками. Основную нагрузку несет ведущий винт, ведомые винты разгружены от моментов и выполняют лишь роль замыкателей (герметиза­торов) рабочих камер.

Для отделения полости всасывания от полости нагнетания рабочая длина винтов должна быть больше шага нарезки. Соотношения между отдельными размерами винтов принимаются следующими [11]: ; D_в=d_н ; ; , где D_н и d_н – наружные диаметры соответственно веду