ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Техническая конструкция аксиально-поршневых насосов


В ряде мобильных гидравлических машин и строительной спецтехники гидронасос соединяется непосредственно с выходным валом дизельного двигателя. На экскаваторах, автокранах и другой самоходной технике часто используются многопоточные насосы, выполненные в одном корпусе.

Они также крепятся непосредственно к двигателю. Разделительные редукторы используются там, где двигатель приводит более одного насоса. Чтобы понизить частоту вращения приводного вала, на некоторых машинах после двигателя устанавливается редуктор. У тракторов обычно отбор мощности для привода рабочих органов производится через редуктор, установленный в их задней части.

У грузовых автомобилей, на которых смонтировано гидравлическое оборудование, насос приводится от коробки отбора мощности. Частота вращения выходного вала коробки отбора мощности составляет от 540 до 1000 об/мин.

Гидронасос – это важный компонент гидросистемы, который во время эксплуатации спецтехники всегда работает с определенным ресурсом.

Техническая документация производителя гидронасоса должна включать следующую информацию:

– Рекомендуемая вязкость рабочей жидкости (при пуске, работе и коротких перегрузках).

– Допустимый диапазон температуры рабочей жидкости.

– Характеристики рабочей жидкости и ее пригодность для использования в данном виде техники.

– Рекомендованный минимальный уровень загрязненности рабочей жидкости для обеспечения оптимального ресурса насоса и выполнения гарантийных обязательств.

– Рабочее давление (входное, выходное и в отдельных случаях давление дренажа).

– Минимальная и максимальная частота вращения приводного вала.

Производитель гидравлических насосов также должен обеспечить руководящими указаниями условия установки, введения в эксплуатацию, постоянной работы своей продукции.

Для многочисленного персонала, эксплуатирующего гидросистемы различных машин, аспекты выбора насоса находятся вне рамок их деятельности. Однако ключевые точки выбора являются важными, поскольку они влияют на работу гидросистемы в целом и сказываются на эксплуатационных показателях машины.

К основным техническим характеристикам гидронасосов относятся следующие показатели с соответствующей размерностью:

– Рабочий объем (у зарубежных производителей часто упоминается как размер), см3 или см3/об.

– Постоянный/переменный рабочий объем.

– Величина максимального давления, МПа или бар.

– Открытая гидросхема/закрытая гидросхема. (Этот показатель принципиален для условий применения насоса.)

– Способы управления.

– Уровень шума, дБ.

– Чувствительность к загрязнениям, мкм.

– Общий КПД.

– Предполагаемый ресурс (долговечность), ч.

– Ремонтопригодность (отдельные части могут заменяться или насос неремонтируемый)

– Габаритные размеры, мм.

– Масса, кг.

– Чертеж общего вида.

Для понимания сути работы гидравлического насоса пользуются графическими зависимостями изменения расхода и давления. Сохранение энергии в настоящее время является очень важной задачей.

В этой связи возникает острый вопрос правильного подбора гидронасоса для конкретной системы, согласование его потребляемой и отдаваемой (входной и выходной) мощности, определение текущего расхода. От этих параметров зависит рабочая температура и долговечность гидравлической жидкости,
степень износа компонентов всей гидросистемы.

В современных условиях эксплуатации сложной и дорогостоящей гидравлической спецтехники жизненно необходимо, чтобы штат работников обладал знаниями и пониманием всех процессов работы гидросистем, и в частности регулирования производительности насосов, поскольку эти факторы имеют огромное отношение к правильному функционированию машины.

Например, несомненно, что высокое давление увеличивает усилия на исполнительных органах машины. Но в то же время оно увеличивает и внутренние утечки, и выделяемое тепло, а механические воздействия, передаваемые гидрокомпонентами, заметно уменьшают долговечность (ресурс) насоса.

В гидросистеме спецтехники нашли широкое применение различные типы объемных насосов. Принцип работы каждого из них основан на вытеснении определенного объема рабочей жидкости при повороте приводного вала на один оборот.

Аксиально-поршневые насосы и их применение

Аксиально-поршневой насос состоят из блока цилиндров и поршней, которые перемещаются в этих цилиндрах. На этапе всасывания поршни выдвигаются из цилиндров, образовавшиеся рабочие полости заполняются жидкостью.

После выдвижения поршня на максимальное расстояние процесс всасывания заканчивается и начинается нагнетание, при котором поршень перемещается вовнутрь цилиндра, вытесняя рабочую жидкость в гидросистему.

За один оборот вала каждый поршень совершает полный цикл движений: от своего начального положения до максимально вытянутого (или втянутого) в соответствующем цилиндре, затем до максимально втянутого (или вытянутого) и до начального.

Разделение всасывающего и нагнетающего потоков выполняет круглый распределитель с серповидными рабочими окнами. Он неподвижно установлен в корпусе и контактирует с торцом вращающегося блока цилиндров.

Рабочие поверхности этой пары выполняются плоскими или сферическими. Движение поршней обеспечивает два типа конструкций аксиально-поршневых гидронасосов: с наклонным блоком цилиндров и с наклонной шайбой.



Рис. 4. Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком цилиндров

На рис. 4 показана принципиальная схема и конструкции аксиально-поршневых гидронасосов с наклонным блоком цилиндров. Их корпус имеет V-образную форму. Наиболее широкое распространение получили насосы, блок цилиндров которых наклонен относительно приводного вала под углом 26°.

В насосах с постоянным рабочим объемом некоторых передовых компаний угол наклона блока цилиндров составляет 40°. Такая конструкция позволяет получить более высокие удельные показатели. Количество поршней в блоке цилиндров обычно составляет 7 штук.

При вращении вала поршни своей боковой поверхностью поворачивают блок цилиндров и одновременно совершают возвратно-поступательные движения, поочередно выдвигаясь из своего цилиндра и втягиваясь в него. Вращение блока цилиндров относительно неподвижного распределителя с серповидными окнами обеспечивает изоляцию всасывающей полости от нагнетающей.

Изменение угла наклона блока цилиндров (с помощью специальных устройств) позволяет регулировать величину рабочего объема насоса. Принципиальная схема и конструкция аксиально-поршневого насоса с наклонной шайбой представлены на рис. 5.



Рис. 5. Схема и конструкция аксиально-поршневого насоса с наклонной шайбой

В аксиально-поршневых насосах с наклонной шайбой блок цилиндров установлен соосно с приводным валом и жестко связан с ним. Приводной вал проходит сквозь отверстие в шайбе, установленной в корпусе. Ее рабочая плоскость располагается под углом по отношению к оси приводного вала.

Поршни с помощью сферических шарниров крепятся к башмакам, которые своей торцевой поверхностью опираются на рабочую плоскость шайбы. У насосов с наклонной шайбой количество поршней обычно составляет 9 штук. Предельный угол наклона шайбы относительно нулевого значения рабочего объема составляет 15-18° и соответствует максимальному расходу.

При вращении приводного вала блок цилиндров передает движение поршням, которые, скользя башмаками по плоской поверхности наклонной шайбы, одновременно совершают возвратно-поступательные движения, всасывая рабочую жидкость при выдвижении из блока цилиндров и нагнетая ее в гидросистему при втягивании.

Распределитель с серповидными окнами обеспечивает изоляцию всасывающей полости от нагнетающей. При изменении угла наклона шайбы относительно оси блока цилиндров и, соответственно, приводного вала будет меняться и рабочий объем аксиально-поршневого гидронасоса.

В положении, когда плоскость наклонной шайбы находится перпендикулярно к оси блока цилиндров (т.е. угол ее наклона составляет 90°), рабочий объем насоса равен нулю и при вращении приводного вала жидкость в гидросистему не поступает.

В этом случае поршни вращаются вместе с блоком цилиндров, но не совершают возвратно-поступательного движения. Если продолжать наклон шайбы дальше, в противоположную сторону, то рабочий объем аксиально-поршневого насоса начинает увеличиваться, но меняется направление движения регулируемого потока жидкости.

Нагнетающая гидромагистраль становится сливной, а сливная – нагнетающей. Это свойство реверсируемости потока рабочей жидкости широко применяется в закрытых гидросхемах – гидростатических трансмиссиях хода машин или привода рабочих органов вращательного действия.

Аксиально-поршневые насосы с переменным рабочим объемом имеют различные типы пропорционального управления: механическое, гидравлическое, электрическое. Оператор с их помощью управляет положением наклонной шайбы, т.е. расходом насоса.

Однако правильно выбрать величину расхода при непрогнозируемом характере изменения давления даже опытному оператору очень сложно. Для этого необходима автоматическая система. Реализуется она с помощью различных, но однотипных регуляторов.

При изменении давления регулятор, управляя положением наклонной шайбы и тем самым величиной расхода, обеспечивает отбор от первичного двигателя постоянной мощности (регулятор мощности), либо сохраняет постоянным расход (регулятор расхода), либо поддерживает давление на заданном уровне (регулятор давления).

Схемы гидронасов

Шестеренные и пластинчатые насосы широко распространены в гидросистемах с низким и средним давлением на коммунальных и легких строительно-дорожных машинах, а аксиально-поршневые часто используются при средних и преимущественно высоких давлениях на средней и тяжелой технике.

Насосы с постоянным рабочим объемом устанавливаются в машинах и оборудовании, у которых рабочий цикл определяет постоянный потребляемый расход гидравлической жидкости. Достаточно часто становится необходимым изменять величину расхода в гидросистеме, чтобы обеспечить требуемые режимы и процессы управления рабочими органами конкретной машины.

Использование для этой цели клапанов управления потоком приводит к потерям мощности гидросистемы и увеличению выделяемого тепла. Существенно снизить энергетические потери позволяют насосы, у которых рабочий объем может регулироваться.

Аксиально-поршневые гидронасосы с переменным рабочим объемом получили широкое распространение в тяжелой строительно-дорожной технике, в сельскохозяйственных комбайнах и других сложных машинах.

При использовании насоса с постоянным рабочим объемом, приводимого от первичного двигателя, одной из важнейших операций является его пуск. Разность величины мощностей между потребностью насоса и первичного движения гидродвигателя определяет потерю энергии в гидросистеме.



Рис. 6. Гидросхема с постоянным давлением

Рассмотрим гидравлическую схему, представленную на рис. 6. Здесь насос должен приводить в действие гидромотор. Но при пуске насоса клапан управления (гидрораспределитель) закрыт. В таких условиях, чтобы обеспечить расход Q1 при максимальной частоте вращения приводного вала, первичному двигателю необходимо развить высокий крутящий момент для преодоления сопротивления давлению р1.

Давление р1 соответствует величине настройки пружины предохранительного клапана. После пуска весь расход Q1, вырабатываемый насосом, направляется на слив в гидробак через предохранительный клапан.

Проанализируем распределение мощности и потери энергии в этом случае. Потеря гидравлической мощности в результате внутренних утечек в насосе происходит как при его пуске, так и при работе гидродвигателя. Но ее величина несравнимо мала по сравнению с потерей гидравлической мощности в предохранительном клапане, которая, не совершая полезной работы, преобразовывается в пустое тепло.

Приведенная принципиальная гидросхема реализовывает гидросистему с постоянным давлением. После открытия клапана управления рабочая жидкость под максимальным давлением поступает в гидродвигатель, обеспечивая его высокие стартовые характеристики.

Такие системы часто используются в гидроприводах, которые обеспечивают очень быстрое срабатывание и высокую точность управления исполнительными механизмами (авиация, металлорежущие станки и т.п.). В гидроприводах с менее жесткими требованиями часто применяют разгрузку гидросистемы.

В этом случае пуск насоса и работа в холостом режиме производятся при очень низких давлениях, но после включения гидродвигателей нагрузка увеличивается до необходимых пределов, определяемых силами внешнего сопротивления гидродвигателя. Один из распространенных методов использует пилотное управление клапана непрямого действия.



Рис. 7. Гидравлическая схема с разгрузкой насоса

Обратимся к схеме на рис. 7. Здесь показана схема гидропередачи с предохранительным управляемым клапаном непрямого действия. Его линия управления (между дросселем и пилотным золотником) соединена с электроуправляемым двухпозиционным клапаном.

В нейтральном положении этот клапан открыт и соединяет линию управления со сливом. Рабочая жидкость от насоса, преодолевая незначительное сопротивление пружины главного золотника (давление 0,3-0,5 МПа), поступает на слив. Этот холостой режим обеспечивает облегченный пуск насоса.

При подаче сигнала на электромагнит Y1 двухпозиционного клапана его золотник перекрывает линию управления клапана непрямого действия. Давление рабочей жидкости воздействует на подпружиненный торец главного золотника клапана непрямого действия и закрывает его. Гидросистема переходит на
рабочий режим.

Потеря мощности в предохранительном клапане при разгруженном насосе составляет очень небольшую величину – не более 1-2%. Подавляющее количество энергии при пуске насоса и его работе в холостом режиме экономится.

Она может использоваться как дополнительный резерв при пуске двигателя в тяжелых эксплуатационных условиях, например, при низких отрицательных температурах окружающего воздуха. В мобильной технике часто применяются гидрораспределители с открытым центром, которые также позволяют обеспечить разгрузку насоса.



Рис. 8. Схема насоса и гидрораспределителя с открытым центром

На рис. 8 показана такая принципиальная схема. При нейтральном положении золотника рабочая жидкость от насоса практически свободно проходит через центральный перепускной канал гидрораспределителя и возвращается назад в гидробак.

При включении гидрораспределителя перепускной канал перекрывается и рабочая жидкость направляется в гидродвигатель. При такой схеме разгрузки насоса могут эффективно применяться и предохранительные клапаны прямого действия.