Принцип действия и характеристики насосов объемного типа

Отличительным признаком любой объемной гидромашины (насоса, гидродвигателя) является наличие одной из нескольких рабочих камер, способных периодически изменять свой объем. Для этого камеры должны быть ограничены как неподвижными стенками корпуса машины, так и замыкающими их подвижными стенками, уплотненными относительно корпуса.

В объемном насосе подвижный орган, например, поршень, соединен приводным механизмом с двигателем, который перемещает жидкую среду (масло) из всасывающей линии трубопровода в нагнетательную линию трубопровода и при этом увеличивает энергию жидкости (манометрический напор, манометрическое давление). Принцип действия простейших объемных перекачивающих ручных и механических насосов изложен в работе.

Основной характеристикой любого насоса является подача. Значения подач нормализованы. Наименьшая подача Qmin = 0,003 м³/мин, а наибольшая Qmax = 0,4 м³/мин. В объемных насосах подача при неизменной частоте вращения остается постоянной до определенного напора, а после падает в результате утечек масла.

В гидроприводах станков высоты всасывания z1 и нагнетания z2 и скоростной напор v²/2g малы сравнительно с потерями напора ∑h1 и ∑h2. В линиях всасывания и нагнетания при определении пьезометрических высот напоров (P1-Pб)/pg высотами всасывания и нагнетания можно пренебречь.

Шестеренные насосы с внешним зацеплением шестерен широко применяются в приводах станков. Это объясняется простотой изготовления и эксплуатации, малыми габаритами и массой, сравнительно высоким КПД, достаточной надежностью и долговечностью. Шестеренные насосы изготовляют нерегулируемыми, их применяют, когда требуются сравнительно низкие давления масла. Шестеренный насос (рис. 94, а) состоит из корпуса 3, в котором с малыми зазорами вращаются два зубчатых колеса — ведущее 2 и ведомое 1. Там, где зубья колес выходят из зацепления, создается разреженная зона b, масло всасывается и переносится впадинами между зубьями в зону нагнетания н, где зубья входят в зацепление, выталкивают масло из впадин и создают повышенное давление.

У большинства типоразмеров насосов частота вращения приводного вала 1450 об/мин, номинальное давление 4—10 МПа, высота всасывания 0,5 м, подача 5—8 л/мин, потребляемая мощность 0,12—0,18 кВт. Объемный КПД равен 0,7—0,72.

Шестеренные насосы допускают большие кратковременные перегрузки по давлению, величина которых определяется лишь конструкцией подшипников. Долговечность насосов с сохранением начальных параметров 1500—2000 ч. К недостаткам шестеренных насосов относятся наличие полости с защемленным объемом рабочей жидкости, значительный шум и пульсация потока по сравнению с другими типами насосов. Рабочий объем или подача (м³/с) за один оборот шестеренного насоса определяется по формуле:

Q = k2πzm²bn,

где k — коэффициент использования межзубовых впадин; z — число зубьев; m — модуль, м; b — ширина зуба, м; n — частота вращения, об/с.

Потребляемая мощность (Вт) для шестеренного насоса определяется по формуле:

P = Qтpη,

где Qт— подача теоретическая, м³/с; р — давление, Па; η — общий КПД.

Пластинчатые насосы. В приводах станков при мощности гидропривода до 7—10 кВт обычно применяют нерегулируемые пластинчатые насосы. Эти насосы просты по конструкции, компактны, отличаются равномерностью подачи масла и относительно высоким КПД. Пластинчатые насосы серии Г12—2М изготовляют в одинарном и сдвоенном исполнениях с подачей от 5 до 200 л/мин при максимальном давлении 6,3—12,5 МПа и частотах вращения n = 950 ÷ 1450 об/мин.

Насосы в сдвоенном исполнении состоят из двух одинарных насосов, смонтированных в общем корпусе, и приводятся во вращение одним валом (рис. 94, б). Нагнетание масла в гидросистему сдвоенными насосами может производиться как общим, так и двумя независимыми потоками масла.

Принцип действия одинарного насоса следующий. В чугунном корпусе насоса 3 с литыми каналами смонтирован статор 14, имеющий внутри элипсовидную поверхность, по которой скользят двенадцать закаленных пластин 15, вставленных с малыми зазорами в радиальные пазы ротора 16. Ротор вместе с шлицевым приводным валом 7 вращается в подшипниках 8 и 12 между двумя распределительными дисками 2 и 9, имеющими по два отверстия для всасывания и для нагнетания масла. При вращении ротора пластины под действием давления масла и центробежной силы всегда прижаты к внутренней поверхности статора.

Каждая пластина, вращаясь вместе с ротором, перемещается в его пазах в радиальном направлении в соответствии с кривым профилем статора, который выполнен таким образом, что каждая из камер между двумя соседними пластинками во время прохождения мимо окон всасывания 17 увеличивает свой объем и заполняется маслом, а во время прохождения мимо окон нагнетания 13 уменьшает свой объем, вытесняя масло. За один оборот ротора происходят два полных цикла всасывания и нагнетания. Так как окна нагнетания расположены диаметрально противоположно друг другу, давление нагнетаемого масла на ротор с двух сторон взаимно уравновешивается, и подшипники насоса разгружаются от радиальных сил. Второй насос работает аналогично описанному.

Для увеличения КПД и срока службы насоса разделительные диски 2 и 9 прижимаются к торцам статора в начале работы пружинами 11, а в процессе работы — давлением масла, подводимого к их торцам. Для предотвращения утечек на валу 7 насоса во фланце 5 установлена манжета 6 из маслостойкой резины, перед которой с помощью подпорного клапана создается в результате утечки давление 0,05—0,15 МПа. Это давление способствует надежному уплотнению вала и препятствует засасыванию воздуха по валу насоса. Стыки между корпусом 3 и крышками 4, 1 уплотняются резиновыми кольцами 10 круглого сечения.

Поршневые насосы, применяемые в станкостроении, изготовляют с радиальным и осевым расположением поршней. Принципиальная схема радиально-поршневого насоса приведена на (рис. 95, а). Ротор 1 с радиально расположенными в нем поршнями 2 вращается внутри обоймы 3. Ось ротора смещена относительно оси обоймы на величину эксцентриситета е. При вращении ротора поршни, прижимаясь вследствие центробежных сил к обойме, совершают возвратно-поступательное движение. Перемещаясь от центра, они засасывают жидкость из полости Ь (иногда под поршни подается жидкость от вспомогательного насоса низкого давления). При дальнейшем вращении ротора поршни выдвигаются обратно и подают жидкость в полость нагнетания н под большим давлением. Поршни могут располагаться в несколько рядов, чем достигается большая равномерность подачи жидкости. Изменением величины эксцентриситета е можно регулировать подачу насоса. Поршневые насосы изготовляются на давление масла 5—30 МПа, подача 18—600 л/мин, КПД (наибольшее значение при давлении 12—15 МПа) ηм = 0,96; ηг = 0,98; ηv = 0,95.

Подача рассчитывается по формуле (л/мин):

где е — эксцентриситет, мм; d — диаметр поршня, мм; n — частота вращения, об/мин; z — число поршней; ηу — объемный КПД.

Аксиально-поршневые насосы. Поршневой насос с осевым расположением поршней (рис. 95, б) состоит из корпуса 1, ротора 2 (блока цилиндров), статора 6, поршней 3, шатунов 4, диска 5, ведущего вала 7. К торцу корпуса прижат ротор, в котором размещают поршни. Поршни с помощью шатунов связаны с диском, который установлен в статоре под некоторым углом к оси ведущего вала. Ротор и диск соединены с валом соответственно шлицами и шарниром. Таким образом, вместе с ведущим валом вращаются ротор, поршни, шатуны и диск, а так как диск установлен под углом, то при этом вращении поршни совершают еще возвратно-поступательное движение. Масло через соответствующие каналы в корпусе и отверстия в роторе при движении поршней вправо всасывается из всасывающей b гидролинии и при движении поршней влево нагнетается в нагнетательную гидролинию. Поворотом статора можно изменить положение диска относительно оси ведущего вала, величину осевого хода поршней, а значит, и подачу насоса.