Расчет рабочих параметров радиально-поршневого насоса с неподвижными цилиндрами

Для расчета рабочего объема можно пользоваться формулой где ход поршня s = 2·e – для насоса с вращающимися цилиндрами; s = 2e–x – для насоса с неподвижными цилиндрами; x - величина открытия клапана.

Таким образом,

Теоретическая подача Q_Т = q_р·n, где n – число оборотов ротора, выбираемое по таблице вариантов. Для определения действительной подачи и мощности на валу насоса используются следующие формулы:

Q_Д = Q_T· η_V = q_p·n· η_V, где η - общий КПД машины.

Варианты заданий для расчета рабочих параметров взять из табл. 1.

Шестерённые насосы

Шестерённые ОГМ просты по конструкции, имеют самый низкий вес, приходящийся на единицу мощности, содержат небольшое количество деталей и узлов. По сравнению с поршневыми ОГМ обладают существенными технологическими преимуществами, поскольку изготовление шестерён хорошо освоено. Вследствие этого они самые дешевые из всех ОГМ. Шестерённые ОГМ относятся к роторным машинам, у которых рабочие камеры (РК) совершают только вращательное движение. Рабочими камерами являются межзубовые впадины каждой шестерни, а вытеснителями - зубья сопрягаемой шестерни.

Основная группа шестерённых насосов состоит из двух прямозубых шестерен внешнего зацепления (рис. 8). Применяются также и другие конструктивные схемы, например насосы с внутренним зацеплением (рис. 9, 10), трёх- и более шестерённые насосы[6]. Все прямозубые шестерённые ОГМ делят на два вида: с внешним (рис. 8) и внутренним зацеплением (рис. 9, 10).

Рис. 8. Конструктивная схема и

обозначение шестеренного насоса с внешним зацеплением:

1 – вал-шестерня ведущая; 2 – вал-шестерня ведомая; 3 – корпус; 4 – диск-подшипник передний; 5 – диск-подшипник задний; 6 – крышка передняя; 7 – крышка задняя; 8 – манжета уплотнительная; 9 – пружина; 10 – втулка; 11 – подшипник; S – линия всасывания; Р – линия нагнетания

 

 

Рис. 9. Схема шестерённого насоса с внутренним зацеплением: S – линия всасывания; Р – линия нагнетания; 1 – вал-шестерня ведомая; 2 – шестерня ведущая; 3 – корпус; 4 – серпообразная перемычка

Шестеренный насос с внешним зацеплением (рис. 8) состоит из двух находящихся в зацеплении цилиндрических шестерен 1 и 2, помещенных в камеру с малыми зазорами. Камеру образует корпус 3 и боковые диски-подшипники 4 и 5, имеющие подвижность в осевом направлении. Диски-подшипники 4 и 5 служат опорами (подшипниками скольжения) для цапф валов с шестернями и одновременно уплотнениями торцовых поверхностей шестерен.

Крепление шестерен 1 и 2 (рис. 8) допускает определенный осевой люфт, необходимый для возможности самоустановки шестерен по торцевым уплотняющим поверхностям с целью компенсации неточности изготовления торцов уплотняющих дисков-подшипников 4 и 5. Вследствие этого приводной вал-шестерня 1 имеет осевой люфт.

В корпусе 3 выполнены два канала: для всасывания (подвода) S и нагнетания (отвода) Р жидкости. Корпус 3 имеет фланец с отверстиями для крепления насоса. С торцов корпус 3 закрыт крышками 6 и 7. В расточке задней крышки 7 установлена уплотнительная манжета 8. Для уменьшения утечек поторцевым зазорам в данной конструкции применен гидравлический поджим боковых дисков-подшипников 4 и 5. Для этого в полость между плавающими дисками-подшипниками 4 и передней крышкой 6 подводится рабочая жидкость под давлением из канала нагнетания Р, т. е. из области высокого давления, которая поджимает диски-подшипники к торцам шестерен. Предварительный поджим производится пружинами 9 через втулки 10. Уменьшение утечек черезрадиальный зазор между дуговой поверхностью корпуса 3 и внешней цилиндрической поверхностью шестерен 1 и 2 достигается точностью изготовления насоса.

Для самоориентации шестерен 1 и 2 между боковыми дисками-подшипниками, а также для отвода утечек области за торцами дисков-подшипников соединяются с каналом всасывания S, т. е. с областью низкого давления. Незначительная остаточная осевая сила, действующая на приводной вал-шестерню 1, воспринимается подшипником 11.

Принцип действия шестеренного насоса с внешним зацеплением следующий. Приводной двигатель вращает входную вал-шестерню 1, а через неё - ведомую шестерню 2. Камера всасывания, расположенная со стороны выхода зубьев из зацепления, увеличивает свой объем и заполняется маслом, т.е. зубья шестерен выходят из зацепления, и в освободившиеся увеличивающиеся объемы впадин шестерен, благодаря создавшемуся в них разряжению, по каналу S из бака под действием атмосферного давления поступает рабочая жидкость. Происходитпервая часть рабочего цикла насоса - всасывание жидкости. При этом канал S является всасывающим каналом насоса. Рабочая жидкость, заполнившая впадины шестерен, переносится в камеру нагнетания и при входе зубьев в зацепление вытесняется из впадин шестерен в канал нагнетания Р. Происходит вторая часть цикла - нагнетание жидкости.

 

Рис. 10. Совеременный высокопроизводительный шестерённый насос с внутренним

зацеплением с одним подшипником скольжения на пальце ведомой шестерни компании

Viking Pump (США)

 

Шестерённые насосы с внутренним зацеплением сложны в изготовлении, но дают более равномерную подачу и имеют меньшие размеры. Внутренняя (ведущая) шестерня 2 (рис. 9) имеет на два-три зуба меньше, чем внешняя (ведомая) шестерня 1. Между внутренней и внешней шестернями имеется серпообразная перемычка 4, отделяющая полость всасывания от напорной полости. При вращении внутренней шестерни жидкость, заполняющая рабочие камеры, переносится в напорную полость и вытесняется через окна в крышках корпуса 3 в напорный трубопровод.

Равномерность подачи жидкости шестерённым насосом зависит от числа зубьев шестерни и угла зацепления. Чем больше зубьев, тем меньше неравномерность подачи, однако при этом уменьшается производительность насоса. Для устранения защемления жидкости в зоне контакта зубьев шестерен в боковых стенках корпуса насоса выполнены разгрузочные канавки, через которые жидкость отводится в одну из полостей насоса.

Однако шестерённые ОГМ обладают и рядом заметных недостатков. У них увеличена неравномерность подачи при работе в качестве насосов и угловая скорость в режиме гидромоторов. Они имеют большое одностороннее радиальное усилие со стороны полости высокого давления. Их рабочий объём невозможно регулировать. Они издают повышенный шум в сравнении с другими типами ОГМ. Но в технологическом отношении - значительно проще.

Кроме прямозубых шестерен применяются косозубые[7] и шевронные[8], которые имеют значительные преимущества по уровню шума и равномерности подачи (рис. 11).

 

Рис. 11. Виды

цилиндрических

зубчатых передач

 

Рис. 12. Схема героторного насоса

ОГМ с внутренним зацеплением, в свою очередь, делятся на 2 вида: с разделителем (рис. 9, 10) и героторные (рис. 12, 13).

Наибольшее распространение получил в промышленности шестерённый насос с внутренним зацеплением и с разностью чисел зубьев, равной единице. Этот насос известен под названием героторный (рис. 12). Героторные ОГМ в XXI веке получили широкое распространение в пределах своего диапазона давлений. Это объясняется следующими их отличительными свойствами:

- высокий КПД (объёмный - до 97%, полный – до 90% при давлении 30 МПа);

- минимальный уровень шума (не более 68 дБА при 30 МПа);

- низкий коэффициент неравномерности подачи (2-3%).

 

Рис. 13. Одновинтовой или «эксцентрично-винтовой» (героторный) насос[9]

 

На рис. 12 изображена схема героторного насоса, у которого внутренняя шестерня 1 имеет лишь четыре зуба, а внешняя 2 - пять зубьев. Последняя вращается в неподвижном корпусе 3, кото­рый в одной из своих боковых стенок имеет два окна (пока­заны штрихами): всасы­вающее и нагнетатель­ное. Шестерни показаны в двух положениях (а и б), отличающихся поворотом внутренней шестерни на угол в 135° (см. положение шпонки). В процессе пово­рота внутренней шестерни на 90° объём рабочей камеры во впадине между зубьями увеличивается от минимального Vк, происходит процесс заполнения этой камеры и её замыкание, а затем жидкость вытесняется из неё в окно нагнетания.

Нетрудно понять, что в данном случае за один оборот внутренней шестерни будет подано четыре объема Vк. А в общем случае рабочий объём насоса данного вида равен V₀=zVк, где z - число зубьев внутренней шестерни. Контакты шестерни в точках А, В и С в положении «а» и в точках D, E и F в положении «б» обеспечивают герметичное отделение полости всасывания от полости нагнетания.

Достоинством описанного насоса помимо компактности, простоты и надежности является еще то, что в отличие от обычного шестерённого насоса жидкость в нём совершает несложный и короткий путь. Это обеспечивает его более высокие кавитационные свойства и позволяет эксплуатировать на повышенных частотах вращения (до 5000 об/мин). Описанный насос применяется в малых гидропередачах и в системах гидроусилителя рулевого управления мобильных машин.