Основы гидравлики





Поршневые насосы



Как и следует из названия этого типа гидравлических машин, принцип работы поршневых насосов заключается в циклическом засасывании и вытеснении объемов жидкости посредством рабочих органов – поршней.
Очевидно, что поршневые насосы относятся к классу объемных насосов.

Эти насосы имеют общий для объемных насосов недостаток – неравномерность подачи, но выгодно отличаются от насосов динамического типа высоким КПД и напором. В конструкциях поршневых насосов может быть предусмотрено два типа приводов – ручной и механический (включая электромеханический привод посредством электродвигателя).

Поршневые насосы с ручным приводом

Для перекачивания малых объемов жидкости и выполнения других вспомогательных функций применяют насосы с ручным приводом. Схемы таких насосов представлены на рис. 1.

поршневые насосы с ручным приводом

При начальных движениях рукоятки 4 поршень 2 совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре 7 (рис. 1,а).
В насосе имеются две рабочие камеры, расположенные по обе стороны насоса. При движении поршня в любом направлении объем одной из камер будет увеличиваться, и тогда в нее поступает (засасывается) жидкость, а другой камеры – уменьшаться, и жидкость из нее вытесняется в нагнетательную магистраль.
Для регулирования направления движения жидкости в обеих камерах имеются нагнетательные 1 и 3 и всасывающие 5 и 6 клапаны.
Так как часть объем правой рабочей камеры занимает объем штока, то объем жидкости, поступающий в левую камеру (см. рис. 1,а), будет несколько больше, чем в правую.

Расчетная подача за один ход поршня (при отсутствии потерь из-за перетока из одной камеры в другую) равна объему, определяемому как произведение площади днища поршня на его рабочий ход.
Так, при движении поршня вправо этот объем составит:

qпр = π(D2 – d2)L/4,

при движении поршня влево:

qпр = πD2L/4,

где:
D и d – диаметры соответственно поршня и штока;
L – рабочий ход поршня.

Подача за одно двойное качание рукоятки (полный цикл насоса) будет равна:

qпр = π(2D2 – d2)L/4.

На рис. 1,б показана схема двухцилиндрового ручного поршневого насоса, обеспечивающего равные подачи жидкости при движении рукоятки в любую сторону.

***

Поршневые насосы с механическим приводом

При необходимости использовать поршневой насос в работе продолжительное время для его функционирования применяют механический привод, в качестве которого широкое распространение получил кривошипно-шатунный механизм (рис. 2).
поршневой насос с механическим приводом Возвратно-поступательное движение поршня 4 в цилиндре осуществляется при вращении привода 1 вокруг оси О2, отстоящей на величину радиуса r от оси вращения. За один оборот привода поршень совершает два хода, из которых один служит для всасывания, а другой – для вытеснения (нагнетания) жидкости.
Для обеспечения этих процессов имеются два самодействующих клапана – всасывающий 5 и нагнетательный 6.

Подача Q такого поршневого насоса простого действия определяется объемом жидкости Vп, вытесняемым при одном ходе поршня, т. е. произведением площади днища поршня Fп на его ход L, и умноженном на количество рабочих ходов за единицу времени, т. е. – на частоту вращения привода n:

Q = Vпn = FпLn = πD2Ln/4,     3/с или м3/мин и т. п.).

Очевидно, что подача поршневого насоса неравномерная – недостаток, присущий всем типам и конструкциям объемных насосов. Если представить движение вытесняемой из цилиндра жидкости как поток, перемещающийся по участку трубы, то подачу насоса за цикл вытеснения можно выразить через скорость перемещения поршня (потока):

Q = vпFп,

где: vп - скорость поршня.

Для определения скорости перемещения поршня используем схему на рис. 2.
При повороте привода на угол φ поршень в цилиндре переместится на расстояние x, равное

x = (r + R) – r cos φ + R cos α.

Если учесть, что скорость поршня vп является производной пути x ко времени t, и принимая во внимание, что изменение угла φ поворота привода во времени равно его угловой скорости ω, после соответствующих преобразований получим:

vп = rω0 sin φ.

Отсюда следует, что

Q = vпFп = rω0 sin φ Fп.

Таким образом, подача поршневого насоса во времени изменяется по синусоидальной зависимости, при этом процесс нагнетания чередуется с процессом всасывания через каждые 180˚ поворота привода.
На рис. 3 приведены графики подачи поршневых насосов: одноцилиндрового (а), двухцилиндрового (б) и трехцилиндрового (в). Из графика видно, что максимальной величины подача достигает при угле поворота φ = 90˚.

графическое отображение подачи поршневых насосов

Среднюю скорость перемещения поршня можно вычислить по формуле:

vп.ср = (ω0r∫ sin φ dφ)/π = ω0r/2π.

За один оборот привода (φ = 360˚) средняя подача однопоршневого насоса будет равна

Qср = Fпvп.ср = Fпω0r/2π.

Неравномерность подачи а поршневого насоса характеризуется отношением его максимальной подачи Qmax к величине средней подачи Qср:

a = Qmax/Qср.

Если проанализировать формулы, приведенные выше, то становится очевидным, что для данного типа насосов неравномерность подачи составляет a = π. Этот недостаток поршневых насосов стараются уменьшить применением насосов двойного действия, а также применением многоцилиндровых насосов.

***



Индикаторные диаграммы и КПД поршневых насосов

Работу поршневых насосов исследуют путем снятия индикаторных диаграмм. На рис. 4 приведена индикаторная диаграмма насоса простого действия.
Индикаторная диаграмма поршневого насоса В начале всасывания (точка а) и нагнетания (точка b) наблюдается некоторое изменение давления, обусловленное инерционностью жидкости и работой клапанов насоса.
Полное давление, определяющее работу, совершаемую за один оборот вала (заштрихованная область), называется индикаторным давлением Рi и определяется выражением:

Рi = Рвак + Рнагн.

В соответствии с этим индикаторная мощность Ni будет равна:

Ni = PiFпLn/60.

Для насосов двойного и многократного действия индикаторная мощность равна сумме мощностей, определенных для насосов простого действия, входящих в конструкцию.

Механический КПД насоса выражается величиной потерь мощности Nв, подводимой к валу, на трение в процессе работы, и может быть определен по формуле:

ηм = Ni/Nв.

Для поршневых насосов величина КПД обычно составляет 0,90…0,95.
Помимо механических потерь в таких насосах имеются гидравлические и объемные потери, которые учитываются индикаторным КПД ηi:

ηi = Nп/Ni,

где Nп – полезная мощность.

Мощность на валу при этом составляет

Nв = Nп / ηi ηм = РiQ / ηiηм.

Отношение полезной мощности к мощности на валу называется полным КПД насоса:

η = Nп/Nв = (Nп/Ni)×(Ni/Nв) = ηм ηi.

Для приводных насосов полный КПД находится в пределах 0,65…0,85.

***

Маркировка и рабочие характеристики поршневых насосов

На рис. 5,а приведен общий вид насосного агрегата ПН 1,6/16Б, состоящего из горизонтального двухпоршневого насоса двухстороннего действия 1, клиноременной передачи 2, электродвигателя 3, коробки клапанов 4 и всасывающего патрубка 5.

Маркировка насосного агрегата означает:

  • ПН – питательный насосный агрегат;
  • 1,6 – подача, м3;
  • 16 – давление на выходе из насоса;
  • Б – модернизация.

Рабочие характеристики поршневых насосов обычно представляют в виде графических зависимостей между потребляемой мощностью и основными рабочими параметрами насоса.
На рис. 5,б приведена характеристика насоса, т. е. зависимость подачи Q, полного КПД η и потребляемой мощности N от давления P.

рабочие характеристики поршневых насосов

***

Аксиально-поршневые насосы