Основы гидравлики





Объемные насосы



В гидравлических приводах технологического оборудования, машин и механизмов преимущественное применение получили следующие типы объемных насосов:

  • шестеренные (зубчатые);
  • пластинчатые (шиберные);
  • роторно-поршневые (поршневые, аксиальные и т. п.);
  • диафрагменные (мембранные).

***

Принцип работы простейшего объемного насоса

Принцип действия этих насосов основан на периодическом изменении объемов рабочих камер, герметично отделенных друг от друга и попеременно сообщающихся с патрубками подвода и отвода жидкости. При этом вытеснение жидкости из рабочих камер (при уменьшении их объема) производится элементами звеньев насоса, которые конструктивно могут иметь вид зуба шестерни, пластины, плунжера, поршня, гибкой диафрагмы и т.п.

объемные насосы

Работу такого насоса легко уяснить на примере однокамерного поршневого насоса (рис. 3).
Герметичная рабочая камера насоса H ограничена внутренними поверхностями крышки 1, стенок цилиндра 2, а также днища поршня 3, который является вытеснителем и совершает возвратно-поступательное движение под действием внешней силы F, приложенной к штоку 4.

Процесс работы насоса можно разделить на последовательность двух основных циклов: всасывание, то есть заполнение рабочей камеры насоса жидкостью из бака Б, и нагнетание или вытеснение жидкости из рабочей камеры в напорную линию 6 гидравлического привода или системы.
У роторных насосов можно дополнительно наблюдать перенос жидкости в рабочих камерах из зоны всасывания в зону нагнетания.

Всасывание происходит при выполнении условия p < pa, где p – давление в рабочей камере насоса, pa – давление жидкости в баке, обычно равное атмосферному давлению.
Вакуум (разрежение) образуется путем увеличения объема камеры насоса при перемещении поршня со штоком вправо. Под действием разности давлений Δp = pa - p жидкость из бака через входной обратный клапан К01 по всасывающей линии 5 поступает в насос.

При обратном ходе поршня (влево) объем рабочей камеры насоса уменьшается, поршень оказывает на жидкость силовое воздействие и вытесняет ее через выходной обратный клапан К02 в напорную линию гидравлического привода с давлением p = F/S > pa, где S – площадь поршня.
Происходит процесс нагнетания.

Часть жидкости в процессе нагнетания перетекает из рабочей камеры насоса через зазор между поршнем 3 и цилиндром 2 в штоковую полость и по дренажной линии 7 отводится в бак.
Величина внутренней утечки зависит от величины зазора, перепада давлений между полостями насоса и вязкости рабочей жидкости.

***

Достоинства и недостатки объемных насосов

К основным свойствам объемных насосов, которые обусловлены принципом действия и отличают их от насосов динамических (например, центробежного насоса), относятся следующие:

  • цикличность рабочего процесса и связанная с ней неравномерность подачи жидкости;
  • герметичность насоса, то есть постоянное отделение напорной линии от всасывающей;
  • самовсасывание, то есть способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости до уровня расположения насоса;
  • жесткость расходной характеристики, что означает малую зависимость производительности насоса от давления жидкости на выходе;
  • независимость давления, создаваемого насосом, от скорости движения вытеснителей и скорости течения жидкости.
Исходя из перечисленных свойств объемных насосов, можно составить их положительные и отрицательные качественные характеристики.

Достоинства объемных насосов:

  • возможность жесткого разграничения всасывающей (питающей) магистрали от напорной, что позволяет исключить обратный ток рабочей жидкости через насос;
  • возможность забора жидкости из емкостей (водоемов), уровень которых ниже уровня расположения насоса;
  • возможность перекачивания жидкостей, имеющих относительно высокую вязкость;
  • постоянство давления жидкости в напорной магистрали (кроме насосов, работающих в импульсном режиме – поршневые, диафрагменные и т. п.);
  • возможность точного регулирования и поддержания на необходимом уровне величины подачи жидкости в гидропривод;
  • возможность получения высоких технических параметров: напора и давления при относительно небольших затратах мощности на работу насоса;
  • высокий коэффициент полезного действия (КПД).

Недостатки объемных насосов:

  • неравномерность подачи жидкости в напорную магистраль в конструкциях насосов, имеющих цикличную (импульсную) подачу (поршневые, диафрагменные, аксиальные и т. п.);
  • сложность конструкции (и, как следствие, – высокая стоимость), обусловленная необходимостью тщательной герметизации всасывающих и вытесняющих объемов (камер) насоса, подгонки и притирки сопряженных поверхностей деталей насоса, высокие требования к качеству сборки и эксплуатации;
  • относительно небольшая подача жидкости в сравнении с динамическими насосами (например, центробежными), имеющими одинаковую удельную массу (это связано с ограниченными размерами рабочих камер объемных насосов).

***



Рабочие параметры объемных насосов

Для насосов объемного типа основными являются следующие параметры:

достоинства и недостатки объемных насосов

1. Рабочий объем – суммарное изменение объемов рабочих камер насоса за один оборот ротора или объем жидкости, вытесняемый в напорную линию за один оборот ротора.
Рабочий объем насоса определяют по формуле:

V0 = Vkzk,    м3

где: Vk – изменение объема рабочей камеры насоса за один рабочий цикл, рассчитанное по ее геометрическим размерам, м3;
z – число рабочих камер;
k – кратность действия, то есть число рабочих циклов, совершаемых за один оборот вала насоса.

Рабочий объем является главным параметром, по которому строят ряд типоразмеров насосов.

.

2. Теоретическая производительность (подача) насоса – это расчетный объем жидкости, вытесняемый в напорную линию в единицу времени:

Qm = V0n,    м3

где: n - частота вращения ротора насоса (обычно равная частоте вращения вала приводного электродвигателя), с-1.

3. Фактическая (действительная) производительность меньше теоретической на величину объемных потерь:

Qф = Qm – ΔQн,    м3

где: ΔQн – объемные потери (утечки) жидкости в насосе (м3/с) включают в себя: утечки жидкости через зазоры внутри насоса из полостей высокого давления в полости низкого давления; неполное заполнение жидкостью объемов рабочих камер; наличие в жидкости нерастворенного воздуха.

В общем случае утечки (внешние и внутренние) зависят от величины зазоров, перепада давлений между полостями и вязкости рабочей жидкости.
Степень заполнения рабочих камер зависит от частоты вращения ротора насоса.

4. Объемный КПД насоса (коэффициент подачи):

η0 = Qф/Qm = (Qm – ΔQн)/Qm = 1 - ΔQн/Qm = 1 - ΔQн/(V0n).

Из этого выражения следует, что с ростом объемных потерь КПД насоса падает. Вместе с тем он будет выше у тех насосов, частота вращения роторов которых больше.

5. Номинальное давление pном (Па) – наибольшее давление рабочей жидкости на выходе из насоса, при котором насос должен проработать в течение установленного срока службы с сохранением основных параметров в пределах установленных норм.

Избыточное давление pн в напорной полости насоса зависит от сопротивления напорной линии привода и нагрузки на выходном звене гидравлического двигателя. При отсутствии сопротивлений и нагрузки, например, при работе насоса на бак, давления на его входе и выходе практически будут равны атмосферному давлению, то есть pн ≈ 0.

6. Полезная мощность насоса равна мощности потока рабочей жидкости на его выходе:

Npn = Qpфpн,    Вт

где: pн – избыточное давление в напорной полости насоса, Па.

7. Потребляемая насосом мощность от приводного электродвигателя:

Nн = Nдв ηдв,    Вт

где Nдв и ηдв - соответственно мощность и КПД приводного двигателя.

Справедливо также выражение:

Nн = Nnηн,    Вт

где:  ηн – полный КПД насоса.

8. Полный КПД насоса можно определить как отношение полезной мощности к потребляемой:

ηн = Nn/Nн

или как произведение:

ηн = η0 ηм ηг,

где: ηм – механический КПД, учитывающий потери мощности на преодоление сил трения в подшипниках и уплотнениях насоса;
ηг – гидравлический КПД, учитывающий потери давления на преодоление жидкостного трения и местных сопротивлений в каналах насоса.

При типовом проектировании гидропривода насос выбирают по номинальным значениям фактической производительности и давления на выходе из насоса.

Характеристикой гидравлической машины называют зависимость между ее определенными параметрами при неизменных других параметрах.
Для объемных насосов, при постоянных значениях частоты вращения ротора, коэффициента кинематической вязкости жидкости и давления на входе, определяют следующие функциональные зависимости подачи, мощности и КПД от избыточного давления:

Qф = f(pн);      ΔQн = f(pн);      η0 = f(pн);      Nn = f(pн);      Nн = f(pн);      ηн = f(pн).

Характеристики насосов могут быть представлены в виде аналитических зависимостей (формул), таблиц или графиков (рис. 4).

характеристики объемных насосов

Комплексной характеристикой, учитывающей влияние всех конструктивных и эксплуатационных параметров, является полный КПД насоса ηн = f(pн).
График именно этой характеристики позволяет определить и рекомендовать для эксплуатации насоса в дальнейшем оптимальные режимы работы, а также осуществлять подбор насосов для тех или иных конструкций.

На рис. 4 приведена обобщенная расходная характеристика (график АВС) насоса с предохранительным переливным клапаном.

Точка А соответствует теоретической производительности насоса при полной разгрузке гидравлического привода или системы от давления.

Участок АВ характеристики Qф = f(pн) показывает падение подачи насоса за счет утечек ΔQн жидкости в насосе при увеличении давления на его выходе, при этом предохранительный переливной клапан закрыт, а точка В соответствует давлению начала открытия клапана (обычно 3/4 давления настройки клапана).

На участке ВС расход жидкости в напорной линии привода уменьшается до нуля. Это происходит за счет возрастающего перелива жидкости в бак через предохранительный клапан, при увеличении нагрузки на гидравлическом двигателе привода до максимального расчетного значения и выше.
Точка С соответствует условиям, когда двигатель гидравлического привода остановился под действием нагрузки, а предохранительный клапан полностью открыт.

***

Центробежные насосы