Объемные гидравлические машины

1. Лекция 6

Гидравлика
Объемные гидравлические машины

2. Поршневые насосы

Поршневой насос состоит из
рабочего цилиндра, снабженного
двумя клапанами (всасывающим и
нагнетательным), и поршня.
Поршень совершает возвратнопоступательные движения.
Всасывающий трубопровод
соединяет камеру цилиндра с
резервуаром.
При ходе всасывания (поршень
движется вправо) объем камеры
увеличивается и создается
разрежение. Всасывающий клапан
открывается, и жидкость заполняет
рабочую камеру цилиндра. Цилиндр
заполняется жидкостью до тех пор,
пока поршень не займет крайнее
правое положение.
При ходе поршня влево в цилиндре
увеличивается давление, под
действием которого всасывающий
клапан закрывается, а
нагнетательный клапан
открывается, и жидкость
выталкивается в нагнетательный
трубопровод.

3. Поршневые насосы

В процессе возвратно-поступательного
движения поршня жидкость
перемещается по всасывающему
трубопроводу в цилиндр насоса, а из
него – в нагнетательную трубу и затем
– к потребителю.
Различают насосы одинарного,
двойного, тройного действия, а также
дифференциальные.
Поршневой насос одинарного
действия – это насос, в котором за
один двойной ход поршня происходит
одно всасывание и одно нагнетание
жидкости.
Поршневой насос двойного
действия – это насос, который за один
двойной ход поршня два раза всасывает
и два раза нагнетает жидкость.
Поршневые насосы могут различаться
также по числу цилиндров.
Основные детали поршневых
насосов – цилиндры, поршни, клапаны
и сальники.

4. Основные параметры поршневых насосов

Основные параметры поршневого насоса – рабочий
объем q0, подача Q, напор Н, мощность N, высота
всасывания Нвс и полный КПД насоса ηн.
Рабочий объем qо – основная характеристика любой
объемной гидравлической машины непрерывного
действия, он показывает, какой объем рабочей жидкости
проходит через гидромашину за один оборот вала
приводного двигателя.
Величина рабочего объема определяется отношением
расхода рабочей жидкости Q к частоте вращения n
выходного вала приводного двигателя:
qо = Q/n
Рабочий объем зависит от геометрических характеристик
гидравлической машины.

5. Основные параметры поршневых насосов

Рабочий объем насоса одинарного действия:
qо = η0Sh ,
где ηо – объемный КПД насоса; S – площадь поршня;
h – ход поршня.
Другие параметры поршневого насоса определяются по
общим зависимостям.
К достоинствам поршневых насосов относятся высокий
КПД, независимость напора от подачи и хорошая
всасывающая способность.
Недостатки поршневых насосов – неравномерная работа
и резкие колебания давления, тихоходность машин и
высокая металлоемкость. Неравномерность подачи
уменьшается для насосов двойного и тройного действия.
Для устранения этого явления применяют воздушные
колпаки и другие демпфирующие устройства.

6. Роторные гидравлические машины

Роторные гидравлические машины – это объемные
роторные насосы и гидравлические моторы.
В роторных гидравлических машинах подвижные рабочие
элементы, образующие рабочие камеры, совершают
вращательное или вращательное и возвратнопоступательное движение.
Роторные гидравлические машины имеют три основных
рабочих элемента: ротор, статор и вытеснитель
(замыкатель).
Ротор – основной рабочий элемент, который вращается во
время работы синхронно с валом приводящего двигателя.
Статор – рабочий элемент, имеющий приемную и отдающую
камеры.
Вытеснитель – рабочий элемент, герметично
соприкасающийся со статором и ротором и разделяющий
приемную и отдающую камеры. Вытеснители совершают
строго циклическое движение, период которого
пропорционален частоте вращения ротора.

7. Роторные гидравлические машины

Рабочие процессы роторных гидравлических машинах
происходят в рабочих камерах.
Рабочая камера – пространство объемной гидравлической
машины, ограниченное рабочими поверхностями рабочих
элементов, периодически изменяющее свой объем и
попеременно сообщающееся с местами входа и выхода рабочей
жидкости.
Рабочий цикл гидромашины состоит из следующих рабочих
процессов: в насосах – всасывания и вытеснения (нагнетания), в
гидромоторах – нагнетания и вытеснения.
Разделение рабочих процессов осуществляется при помощи
распределительных устройств, которые могут быть торцовыми,
цапфенными, клапанными и клапанно-щелевыми.
По конструкции рабочих элементов роторные гидравлические
машины разделяют на шестеренные, пластинчатые, радиальнопоршневые, аксиально-поршневые и винтовые.
Роторные гиромашины, кроме машин с клапанным
распределением, могут быть обратимыми (насос-моторами), т.е.
могут работать в режиме как насоса, так и гидромотора.

8. Основные параметры роторных гидравлических машин

Основные параметры роторных гидравлических
машин – рабочий объем q0, подача Q, номинальное
давление р, перепад давлений Δр, мощность N, частота
вращения приводящего вала n, вращающий момент М
и коэффициент полезного действия η.
Рабочий объем qо насоса или гидромотора – это
разность наибольшего и наименьшего значений объемов
всех рабочих камер за один оборот его вала.
Чем больше рабочий объем насоса, тем больший объем
рабочей жидкости вытесняет насос за один оборот вала.
Чем больше рабочий объем гидромотора, тем больший
объем рабочей жидкости необходим для поворота его
вала на один оборот.

9. Основные параметры роторных гидравлических машин

При конструировании рабочие объемы гидромашин
определяют по формуле:
q0 = Vкzi ,
где Vк – объем рабочей камеры, рассчитанный по ее
геометрическим размерам; z – число рабочих камер; i число рабочих циклов, совершаемых за один оборот
вала.
Номинальное рабочее давление р – наибольшее
давление рабочей жидкости (на выходе насоса и на
входе гидромотора), при котором гидромашина должна
работать в течение установленного срока службы с
сохранением параметров в пределах заданных норм.
Перепад давлений Δр - разность между давлениями
рабочей жидкости на выходе и входе насоса, входе и
выходе гидромотора.
Вращающий момент М - момент на приводящем валу,
определяется по формуле:
М = ΔрQ/2πn

10. Рабочие характеристики роторных машин

Рабочие характеристики роторных насосов – это графические
зависимости (при постоянной частоте вращения) подачи,
мощности и коэффициента полезного действия от давления на
выходе из насоса.
Q = ƒ(р);
N = ƒ(р);
η = ƒ(р)
Рабочие характеристики роторных гидромоторов - это
графические зависимости частоты вращения от расхода,
частоты вращения от перепада давлений, вращающего момента
от частоты вращения и коэффициента полезного действия от
частоты вращения.
n = ƒ(Q) при Δр = соnst ; n = ƒ(Δр) при Q = соnst ;
М = ƒ(n) при Δр = соnst ;
η = ƒ(n) при Δр = соnst
Эти характеристики гидравлических машин приводятся в
таблицах или в виде диаграмм в справочной литературе и в
каталогах насосов.

11. Шестеренные насосы

Шестеренный насос – роторный насос с
рабочими звеньями в виде шестерен
(зубчатых колес), обеспечивающих
геометрическое замыкание рабочих
камер и предающих вращательный
момент.
Шестеренные насосы применяются в
гидроприводах как самостоятельные
источники питания невысокого
давления или как вспомогательные
насосы для подпитки гидросистем.
Шестеренный насос состоит из корпуса,
ведущей шестерни и ведомой
шестерни, вала, оси, двух боковых
крышек. Шестерни находятся в
зацеплении и имеют одинаковые
модули и число зубьев.
Корпус является статором, ведущая
шестерня ротором, а ведомая –
вытеснителем. Рабочие камеры
образуются рабочими поверхностями
корпуса, двух боковых крышек и
зубьев шестерен. Корпус имеет полость
всасывания и нагнетания.

12. Шестеренные насосы

Принцип работы шестеренного
насоса следующий. В насосе
полость всасывания находится с
той стороны, где зубья шестерен
выходят из зацепления. При
выходе из зацепления зубьев
шестерен объем полости
увеличивается, и в полости
создается разрежение.
Происходит процесс всасывания
рабочей жидкости. После этого
каждая из шестерен перемещает
в противоположных кольцевых
направлениях рабочую
жидкость, находящуюся во
впадинах зубьев, из полости
всасывания в полость
нагнетания. Происходит процесс
нагнетания, при котором
встречные объемы жидкости
сначала соединяются в полости
нагнетания, а затем жидкость
вытесняется из полости
нагнетания на выход насоса
зубьями шестерен, входящих в
зацепление.

13. Шестеренные насосы

Рабочий объем шестеренного насоса находится по
формуле:
qо = 2πm²zb,
где m – модуль зубьев; z – число зубьев шестерни; b –
ширина венца шестерни.
Шестеренные насосы являются нерегулируемыми, так
как параметры, определяющие рабочий объем насоса,
постоянные.
Шестеренные насосы используются также в качестве
гидромоторов.
Преимущества шестеренных насосов – простота
устройства, надежность в эксплуатации, компактность и
малая стоимость.
Недостатки шестеренных насосов – пульсация потока
жидкости, чувствительность к перегреву, малый
объемный КПД при высоких температурах,
значительный шум.

14. Аксиально-поршневые насосы

Аксиально-поршневой насос –
это роторный насос, у которого
рабочие камеры образованы
рабочими поверхностями
цилиндров и поршней, а оси
поршней параллельны
(аксиальны) оси блока
цилиндров или составляют с ней
угол не более 45º.
Аксиально-поршневые насосы
находят широкое применение в
гидравлических трансмиссиях
самоходных
сельскохозяйственных и
строительно-дорожных машин.
Аксиально-поршневые насосы в
зависимости от расположения
ротора разделяют на насосы с
наклонным диском (оси
ведущего звена и вращения
ротора совпадают) и насосы с
наклонным блоком (оси
ведущего звена и вращения
ротора расположены под углом).

15. Аксиально-поршневые насосы

Насосы с наклонным диском имеют
наиболее простые схемы. Поршни
связаны с наклонным диском точечным
касанием или шатуном. Блок
цилиндров с поршнями приводится во
вращение от вала.
Для подвода и отвода рабочей
жидкости к рабочим камерам в
торцевом распределительном диске
выполнены два дугообразных окна всасывающее и нагнетательное.
Для обеспечения движения поршней
во время всасывания применяют
принудительное ведение поршней
через шатун, а для поршней с
точечным касанием используют
цилиндрические пружины.
Принцип работы насоса следующий.
При вращении вала насоса крутящий
момент передается блоку цилиндров.
При этом из-за наличия угла наклона
диска поршни совершают сложное
движение – они вращаются вместе с
блоком цилиндров и одновременно
совершают возвратно-поступательное
движение в цилиндрах блока, при
котором происходят рабочие процессы
всасывания и нагнетания.

16. Аксиально-поршневые насосы

При вращении вала по часовой
стрелке рабочие камеры,
находящиеся справа от
вертикальной оси
распределительного диска,
соединяются с всасывающим
окном.
Поступательное движение
поршней в этих камерах
происходит в направлении от
распределительного диска. При
этом объемы камер
увеличиваются, и жидкость под
действием перепада давлений
заполняет их. Так происходит
процесс всасывания.
Рабочие камеры, находящиеся
справа от вертикальной оси
распределительного диска,
соединяются с нагнетательным
окном. При этом поршни
перемещаются по направлению к
распределительному диску и
вытесняют жидкость из рабочих
камер.

17. Аксиально-поршневые насосы

Рабочий объем аксиальнопоршневого насоса с наклонным
диском определяют по формуле:
q0 = Sпhz = πd²/4 · zDtgβ ,
где Sп – площадь поршня; h –
максимальный ход поршня (h =
Dtgβ); z – число поршней; dп –
диаметр поршня; D – диаметр
окружности расположения осей
цилиндров в блоке; β – угол
наклона диска.
Рабочий объем насоса зависит от
угла наклона диска.
Можно изменять рабочий объем,
изменяя угол наклона диска. Чем
больше угол наклона β, тем
больше рабочий объем насоса.
Предельно допустимый угол
наклона диска не превышает
обычно 25º.

18. Аксиально-поршневые насосы

Регулирование подачи аксиально-поршневого насоса
достигается изменением угла наклона диска.
Аксиально-поршневые насосы обратимы: при подаче в
них масла под давлением от другого насоса они
становятся гидродвигателями вращательного движения.
Преимущества аксиально-поршневых насосов –
стабильность параметров при длительной эксплуатации с
переменными внешними условиями; высокие объемный и
механический КПД; достаточная долговечность.
Недостатки аксиально-поршневых насосов – высокая
стоимость; высокая чувствительность к вибрациям;
повышенные требования к тонкости фильтрации рабочей
жидкости.

19. Гидравлические цилиндры

Гидроцилиндры – объемный
гидравлический двигатель с
ограниченным возвратнопоступательным движением
выходного звена.
В зависимости от конструкции
рабочей камеры
гидроцилиндры разделяют на
поршневые, плунжерные,
телескопические, мембранные
и сильфонные.
Наибольшее применение в
объемных гидроприводах
получили поршневые
цилиндры благодаря простой
конструкции и высокой
надежности.
Рабочая камера поршневого
гидроцилиндра образована
рабочими поверхностями
корпуса и поршня со штоком.
В корпусе находится поршень,
жестко соединенный со
штоком.

20. Гидроцилиндры

Цилиндр имеет две полости поршневую и штоковую.
Поршневая полость – часть
рабочей камеры, ограниченная
рабочими поверхностями
корпуса и поршня. Штоковая
полость – часть рабочей камеры,
ограниченная рабочими
поверхностями корпуса, поршня
и штока.
Принцип работы поршневого
гидроцилиндра следующий. При
соединении поршневой полости с
напорной линией поршень со
штоком под действием силы
давления рабочей жидкости
перемещается вправо. При этом
одновременно происходит
вытеснение рабочей жидкости из
штоковой полости. При подводе
рабочей жидкости в штоковую
полость поршень со штоком под
действием силы давления
перемещается в
противоположном направлении.

21. Гидроцилиндры

Основные параметры и размеры гидроцилиндров - номинальное
давление рном; диаметр поршня D; диаметр штока d и ход
поршня L.
Диаметр поршня D - главный параметр, по которому создаются
типоразмеры гидроцилиндров. Ряды нормальных диаметров
поршней и штоков гидроцилиндров устанавливаются ГОСТом.
Расчетная скорость штока определяется по формуле:
υ = Q/Sп = 4Q/(πD²) ,
Диаметр поршня при выборе гидроцилиндра определяется по
нагрузке F на поршень:
D =(4F/π рmax)½ ,
где Q – расход рабочей жидкости; Sп – площадь поршня.
где рmax – максимальное давление в напорной линии.

22. Поворотные гидравлические двигатели

Поворотный гидравлический
двигатель – это объемный
гидродвигатель с ограниченным
углом поворота выходного звена
(вала).
Поворотные гидродвигатели
применяют в конструкциях
сельскохозяйственных машин дл
привода рабочих органов при
повороте в пределах 0…360º в
рулевом управлении.
Основные параметры поворотных
гидродвигателей – номинальные
давление рном и расход Qном,
вращающий момент М, угол
поворота φ и угловая скорость ω
вала гидродвигателя. Угол поворота
вала не превышает 360º.
Поворотные гидравлические
двигатели по конструкции рабочих
камер разделяют на пластинчатые и
поршневые.
Пластинчатые поворотные
двигатели разделяют на одно-,
двух- и трехпластинчатые.

23. Поворотные гидравлические двигатели

Однопластинчатый двигатель
состоит из корпуса, вала,
пластины, жестко соединенной с
валом, и боковых крышек.
Гидродвигатель имеет две
рабочие камеры, образованные
рабочими поверхностями
корпуса, пластины и боковых
крышек.
Принцип работы гидродвигателя
следующий.При подводе рабочей
жидкости под давлением в
первую камеру пластина с валом
поворачивается по часовой
стрелке под действием
создаваемого вращающего
момента М. Одновременно с
поворотом пластина вытесняет
рабочую жидкость из второй
камеры в сливную линию. Если
изменить направление потока
рабочей жидкости и подводить
ее под давлением во вторую
камеру, то вал гидродвигателя
будет поворачиваться против
часовой стрелки.

24. Поворотные гидравлические двигатели

М = ΔрSℓz =Δрb(R² - r²)z/2,
Вращающий момент на валу
гидродвигателя:
где Δр – перепад давлений; S
– рабочая площадь пластины;
R и r – большой и малый
радиусы; b – ширина
пластины; ℓ - плечо
(расстояние от оси вращения
вала до центра приложения
силы давления); z – число
пластин.