Гидромашины, их общая классификация и основные параметры

Основными элементами гидросистем являются гидромашины. Гидромашина — это устройство, создающее или использующее поток жидкой среды.

Посредством этого устройства происходит преобразование под­водимой механической энергии в энергию потока жидкости или использование энергии потока рабочей жидкости для совершения полезной работы. К гидромашинам относятся насосы и гидродви­гатели.

Насосом называется гидромашина, преобразующая механиче­скую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости. Ос­новными параметрами, характеризующими работу насоса, привод которого осуществляется от источника механической энергии вра­щательного движения, являются:

напор насоса Н_н, м — приращение полной удельной механиче­ской энергии жидкости в насосе;

подана насоса Q_H, м³/с — объем жидкости, подаваемый насо­сом в напорный трубопровод в единицу времени; частота вращения вала насоса п, об/с, или с^-1; угловая скоростью, рад/с (угловая скорость и частота вращения вала насоса связаны между собой соотношением со = 2 пп);

потребляемая мощность насоса N, Вт — мощность, подводимая к валу насоса;

полезная мощность насоса N_n, Вт — мощность, сообщаемая на­сосом потоку жидкости;

коэффициент полезного действия (КПД) насоса ŋ_н — отноше­ние полезной мощности насоса к потребляемой.

Некоторые из отмеченных параметров необходимо рассмотреть подробнее.

Одним из важнейших параметров насоса является его напор. Он равен разности полных напоров жидкости на выходе насоса и на входе в него, т.е. зависит от нивелирных высот z, давлений р, ско­ростей течения жидкости v, а также коэффициентов Кориолиса α и плотности жидкости р. После алгебраических преобразований эта разность приводится к формуле

(5.1)

где индексы1 относятся к параметрам на входе в насос, а 2 — на выходе.

Для существующих конструкций насосов разность высот (Z2~Z1) расположения центров тяжести входного и выходного проходных сечений ничтожно мала и ею в расчетах пренебрегают.

Разность скоростных напоров [третье слагаемое в формуле (5.1)]можно принимать во внимание только в низконапорных насосах при условии, что у них площади входного и выходного отверстий отличаются по размерам.

Для подавляющего большинства насосов основной величиной, определяющей значение напора насоса, является разность пьезо­метрических высот [второе слагаемое в формуле (5.1)]. Очень час­то разность давлений на выходе и входе насоса называют давлени­ем, создаваемым насосом, или просто давлением насоса Р_Н=Р2~Р1- Таким образом, с учетом сказанного выше для большинства насо­сов можно считать

(5.2)

Необходимо также рассмотреть такой важный параметр насоса, как коэффициент полезного действия. КПД, или полный КПД, насоса определяется отношением полезной и потребляемой мощ­ностей. Потребляемая мощность насоса N, т.е. мощность на его валу, определяется по формуле

(5.3)

где М_н — момент на валу насоса; со — угловая скорость вала насоса.

Полезная мощность N_n, т. е. мощность, сообщаемая насосом по­току жидкости, определяется по формуле

(5.4)

Тогда полный КПД насоса

(5.5)

Необходимо отметить, что для характеристики работы гидромашин, кроме полного КПД, используют также частные КПД, которые учитывают различные виды потерь энергии. Различают три основных вида потерь энергии.

1. Гидравлические потери — это потери напора на движение жидкости в каналах внутри гидромашины. Они оцениваются гид­равлическим КПД η_r. Применительно к насосу гидравлический КПД

(5.6)

где Н_т — теоретический напор насоса; — суммарные потери напора на движение жидкости внутри насоса.

2. Объемные потери — это потери на утечки и циркуляцию жил кости через зазоры внутри гидромашины из области высокого давления в область низкого. Они оцениваются объемным КПДηο. При­менительно к насосу объемный КПД можно рассчитать следующим образом

(5.7)

где Q_T — теоретическая подача насоса; q_yx — суммарная утечка жидкости из области нагнетания в область всасывания.

3. Механические потери — это потери на механическое трение в подшипниках и уплотнениях гидромашины, оцениваемые механи­ческим КПДηο. Применительно к насосу механический КПД мож­но определить по формуле

(5.8)

где ∆N_тр — мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих в подшипниках и уплотнениях насоса; N_r — гидрав­лическая мощность — мощность, которую насос создал бы, если бы не было объемных и гидравлических потерь.

Следует иметь в виду, что полный КПД насоса ηн равен произ­ведению трех частных КПД:

(5.9)

Гидродвигатель — это гидромашина, преобразующая энергию потока жидкости в механическую работу. Иными словами, гидродвигатель использует энергию потока жидкости для выполнения некоторой полезной работы.

Выходным звеном гидродвигателя называется его элемент, непосредственно совершающий полезную работу. В большинстве слу­чаев это или вращающийся вал, или шток, движущийся возврат­но-поступательно.

Основными параметрами, характеризующими работу гидродвигателя, являются:

напор, потребляемый гидродвигателем Н_гд, м — полная удель­ная энергия, отбираемая гидродвигателем у потока рабочей жид­кости;

расход, потребляемый гидродвигателем Q_m, м³/с — объем жид­кости, потребляемый гидродвигателем из трубопровода в единицу времени;

частота вращения выходного вала гидродвигателя п, об/с, или с^-1;

скорость поступательного движения выходного штока v, м/с;; момент на выходном валу гидродвигателя М_т, Н • м (для гидродвигателей с вращательным движением выходного звена);

нагрузка (сила) на штоке гидродвигателя F, Н (для гидродвига­телей с возвратно-поступательным движением выходного звена);

потребляемая мощность гидродвигателя N, Вт — мощность, отби­раемая гидродвигателем у потока жидкости, проходящего через него;

полезная мощность гидродвигателя Nп Вт — мощность, разви­ваемая на выходном звене гидродвигателя;

коэффициент полезного действия (КПД) гидродвигателя η_гд — отношение полезной мощности гидродвигателя к потребляемой.

Некоторые из отмеченных параметров необходимо рассмотреть подробнее.

Одним из важнейших параметров является напор Н_гд, потреб­ляемый гидродвигателем. Он равен разности полных напоров на входе гидродвигателя и на выходе из него. По аналогии с напором насоса [см. формулу (3.1)] напор, потребляемый гидродвигате­лем, подсчитывается по формуле

(5.10)

где индекс 1 относится к параметрам потока на входе, а индекс 2 — на выходе гидродвигателя.

Для подавляющего большинства гидродвигателей основной ве­личиной, определяющей значение напора Н_гд, потребляемого гид­родвигателем, является разность пьезометрических высот [второе слагаемое в формуле (3.10)]. Очень часто разность давлений на входе и выходе гидродвигателя называют давлением, потребля­емым гидродвигателем, или перепадом давления на гидродвига­теле, ∆р_гд. Тогда с учетом сказанного выше можно принять

(5.11)

Иногда при гидравлическом расчете трубопровода, содержащего гидродвигатель, перепад давления ∆р_гд на гидродвигателе называ­ется также потерей давления в гидродвигателе.

Следует иметь в виду, что потребляемой мощностью для гидро­двигателя является мощность, подводимая к нему с потоком жид­кости:

(5.12)

Полезная мощность гидродвигателя (мощность на выходном звене) при вращательном движении выходного звена вычисляется по формуле

(5.13)

где М_гд — момент на валу гидродвигателя, а при возвратно-посту­пательном движении выходного звена — по формуле

(5.14)

где F— сила сопротивления движению выходного звена; v — ско­рость перемещения выходного звена.

Отметим также, что гидродвигатель может характеризоваться как полным η_гд, так и частными КПД, которые взаимосвязаны зависимостью (11.9).

Кроме перечисленных выше, одним из основных параметров, позволяющих судить о возможностях гидромашины, является ее внешняя характеристика. Например, под характеристикой насоса (в большинстве случаев) понимается графическая зависимость его основных технических показателей (напора, давления, мощности, КПД и т.д.) от подачи при постоянных значениях частоты враще­ния вала насоса, вязкости и плотности рабочей жидкости.

Все гидромашины по принципу действия делятся на два основ­ных типа: динамические и объемные.

Динамическая гидромашина — это гидромашина, в которой вза­имодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в про­точной полости, постоянно сообщенной с входом и выходом гид­ромашины.

Объемная гидромашина — это гидромашина, в которой взаимо­действие ее рабочего органа с жидкостью происходит в герметич­ной рабочей камере, попеременно сообщающейся с входом и вы­ходом гидромашины.

Динамическую гидромашину можно также назвать «проточной», так как у нее внутренняя проточная полость всегда соединена с > входом и выходом, а объемную — «герметичной», потому что у нее имеется герметичная рабочая камера, которая может быть со­единена в данный момент времени только или с входом, или с выходом гидромашины. Это значит, что в объемной гидромашине входная область всегда отсоединена от выходной. Для рабочего про­цесса динамической гидромашины характерны большие скорости движения ее рабочих органов и рабочей жидкости, а рабочий про­цесс объемной гидромашины заключается в силовом взаимодей­ствии рабочей жидкости и вытеснителя гидромашины. Большие скорости движения жидкости и рабочих органов объемной гидро­машины при этом в принципе не обязательны, так как основную роль в рабочем процессе играет давление.

Объемный гидропривод, принцип действия и основные понятия

Гидроприводы в зависимости от типа используемых в них гид­ромашин делятся на объемные гидроприводы и гидродинамические передачи.

Объемный гидропривод — это гидропривод, в котором использу­ются объемные гидромашины. Принцип действия объемного гид­ропривода основан на практической несжимаемости рабочей жид­кости и на ее свойстве передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.

Рассмотрим работу простейшего объемного гидропривода, прин­ципиальная схема которого приведена на рис. 5.1. Он состоит из двух гидроцилиндров 1 и2, расположенных вертикально. Нижние полости в них заполнены жидкостью и соединены трубопроводом.

Пусть поршень гидроцилиндра 1, имеющий площадь S₁, под действием внешней силы F₁ перемещается вниз с некоторой ско­ростью V₁. При этом в жидкости создается давление р = F₁/S₁. Если пренебречь потерями давления на движение жидкости в трубопро­воде, то это давление передается жидкостью по закону Паскаля в гидроцилиндр 2 и на его поршне, имеющем площадь S₂, создает силу, преодолевающую внешнюю нагрузку F₂ = pS₂.

Считая жидкость несжимаемой, можно утверждать, что коли­чество жидкости, вытесняемое поршнем гидроцилиндра 1 (расход Q = v₁S₁), поступает по трубопроводу в гидроцилиндр 2, поршень которого перемещается со скоростью v₂ = Q/S₂, направленной вверх (против внешней нагрузки F₂).

Если пренебречь потерями энергии в элементах гидропривода, то можно утверждать следующее. Механическая мощность N1 = F₁v₁, затрачиваемая внешним источником на перемещение поршня гид­роцилиндра 1, воспринимается жидкостью, передается ею по тру­бопроводу и в гидроцилиндре 2 совершает полезную работу в еди­ницу времени против внешней силы F₂ со скоростью v₂ (реализу­ется мощность N₂ = F ₂ v₂). Этот процесс можно представить в виде следующего уравнения мощностей:

Таким образом, гидроцилиндр 1 в рассмотренном случае рабо­тает в режиме насоса, т.е. преобразует механическую энергию при­вода в энергию потока рабочей жидкости, а гидроцилиндр 2 со­вершает обратное действие — преобразует энергию потока жидко­сти в механическую работу, т.е. выполняет функцию гидродвига­теля.

На основание анализа работы этого простейшего объемного гидроприво-да, а также принимая во внимание задачи, которые

Рис. 5.1. Принципиальная схема простейшего объемного гидропривода: 1- гидроцилиндр, работающий в режиме насоса; 2- гидроцилиндр, работающий в режиме гидравлического двигателя

необходимо решать по управлению гидроприводом и обеспечению его работоспособности, можно заключить, что реальный объем­ный гидропривод обязательно должен включать в себя следующие элементы или группы элементов (число перечисленных ниже эле­ментов в составе гидропривода не ограничивается):

энергопреобразователи — устройства, обеспечивающие преоб­разование механической энергии в гидроприводе: гидромашины, гидроаккумуляторы и гидропреобразователи;

гидросеть — совокупность устройств, обеспечивающих гидрав­лическую связь элементов гидропривода: рабочая жидкость, гид­ролинии, соединительная арматура и т.п.;

кондиционеры рабочей среды — устройства для поддержания за­данных качественных показателей состояния рабочей жидкости (чистота, температура и т.п.): фильтры, теплообменники и т.д.;

гидроаппараты — устройства для изменения или поддержания заданных значений параметров потоков (давления, расхода и др.): гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.

По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа.

1. Насосный гидропривод — в нем источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидко­сти (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, из которо­го всасывается насосом) и с замкнутой циркуляцией жидкости

(жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гид­ ролинию насоса).

2. Аккумуляторный гидропривод — в нем источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумуля­тор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с крат­ковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например гидропривод рулей ракеты).

3. Магистральный гидропривод — в этом гидроприводе рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с заданным располагаемым напором (энергией).

Гидроприводы подразделяются также по виду движения выходного звена. Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу. По этому признаку выделяют следующие объемные гидроприводы:

поступательного движения — в них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение;

вращательного движения — в них выходное звено совершает вращательное движение;

поворотного движения — в них выходное звено совершает огра­ниченное (до 360°) возвратно-поворотное движение (применяют­ся крайне редко).

Если в гидроприводе имеется возможность изменять только на­правление движения выходного звена, то такой гидропривод на­зывается нерегулируемым. Если в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым.

Основные преимущества и недостатки объемных гидроприводов

Регулируемые объемные гидроприводы широко используются в качестве приводов станков, прокатных станов, прессового и ли­тейного оборудования, дорожных, строительных, транспортных и сельскохозяйственных машин и т. п. Такое широкое их применение объясняется рядом преимуществ этого типа привода по сравне­нию с механическими и электрическими приводами. Основные из этих преимуществ следующие.

1. Высокая удельная мощность гидропривода, т.е. передаваемая мощность, приходящаяся на единицу суммарного веса элементов. Этот параметр у гидравлических приводов в 3...5 раз выше, чем у электрических, причем данное преимущество возрастает с ростом передаваемой мощности.

2. Относительно просто обеспечивается возможность бесступен­чатого регулирования скорости выходного звена гидропривода в широком диапазоне.

3. Высокое быстродействие гидропривода. Операции пуска, ре­верса и останова выполняются гидроприводом значительно быст­рее, чем другими приводами. Это обусловлено малым моментом инерции исполнительного органа гидродвигателя (момент инер­ции вращающихся частей гидромотора в 5... 10 раз меньше соот­ветствующего момента инерции электродвигателя).

4. Высокий коэффициент усиления гидроусилителей по мощ­ности, значение которого достигает «10⁵,

5. Сравнительная простота осуществления технологических опе­раций при заданном режиме, а также возможность простого и на­дежного предохранения приводящего двигателя и элементов гид­ропривода от перегрузок.

6. Простота преобразования вращательного движения в возврат­но-поступательное.

7. Свобода компоновки агрегатов гидропривода.

Наряду с отмеченными достоинствами гидропривода, при его проектировании или решении вопроса о целесообразности его использования следует помнить также и о недостатках, присущих этому типу привода. Эти недостатки обусловлены в основном свойствами рабочей среды (жидкости). Отметим основные из этих не­достатков.

1. Сравнительно невысокий КПД гидропривода и большие по­тери энергии при ее передаче на большие расстояния.

2. Зависимость характеристик гидропривода от условий эксплуатации (температура, давление). От температуры зависит вязкость рабочей жидкости, а низкое давление может стать причиной воз­никновения кавитации в гидросистемеиливыделения из жидкости растворенных газов.

3. Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и необхо­димость достаточно высокой культуры обслуживания. Загрязнение рабочей жидкости абразивными частицами приводит к быстрому износу элементов прецизионных пар в гидравлических агрегатах и выходу их из строя.

4.Снижение КПД и ухудшение характеристик гидропривода по мере выработки им или его элементами эксплуатационного ресурса. Прежде всего происходит износ прецизионных пар, что приводит к увеличению зазоров в них и возрастанию утечек жидкости, т. е. снижению объемного КПД.

Таким образом, гидравлические приводы имеют, с одной сторо­ны, неоспоримые преимущества по сравнению с другими типами приводов, а с другой стороны — существенные недостатки. В связи с этим перед специалистами, связанными с проектированием, изготовлением и обслуживанием гидроприводов, ставятся определенные задачи.

Задачами конструктора при проектировании гидропривода яв­ляются оптимизация его схемы, обеспечивающей выполнение приводом функциональных требований, и обоснованный выбор элементов гидропривода.

Задачами технолога при изготовлении элементов гидропривода являются обеспечение требуемого высокого качества изготовления, так как это оказывает колоссальное влияние на эксплуатаци­онные характеристики гидропривода. Так, в прецизионных парах, современных гидравлических агрегатов зазоры составляют 5 мкм и г менее. Обеспечить такую точность достаточно сложно.

В задачи обслуживающего персонала во время эксплуатации гидропривода входит выполнение технических условий и требова­ний по его эксплуатации, заключающееся прежде всего в выпол­нении правил монтажа гидропривода, регулярной смене фильтру­ющих элементов фильтров и замене рабочей жидкости, а также при необходимости в ее доливке. Выполнение этих требований по­зволяет значительно продлить срок службы как отдельных элемен­тов гидропривода, так и всего гидропривода в целом.

Поиск по сайту: