Гидравлика силовая

Гидравлические механизмы — аппараты и инструменты, использующие в своей работе кинетическую или потенциальную энергию жидкости. К гидравлическим механизмам относят гидравлические машины.

В таких механизмах сила высокого давления гидравлической жидкости преобразуется механизмами различных гидравлических моторов и цилиндров. Потоком жидкости можно управлять напрямую или автоматически — посредством управляющих клапанов. Распределение потока происходит по специальным гидравлическим шлангам и трубкам.

Гидравлические механизмы имеют большую популярность в машиностроении благодаря тому, что возможно передавать огромную энергию через тонкие трубки и гибкие шланги.

Гидронасосы. Типы. Характеристики преимущества и недостатки различных конструкций.

Гидравлические насосы предназначены для преобразования механический энергии (крутящий момент, частоту вращения)  в гидравлическую (подача, давление). Существует большое разнообразие типов и конструкций гидравлических насосов, но всех их объединяет единый принцип действия – вытеснение жидкости. Насосы использующие принцип вытеснения называются объемными. Во время работы внутри насоса образуются изолированные камеры, в которых рабочая жидкость перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Поскольку между полостями всасывания и нагнетания не существует прямого соединения, объемные насосы очень хорошо приспособлены для работы в условиях высокого давления в гидросистеме.

Основными параметрами гидронасосов являются:

• Рабочий объем (удельная подача) [см3/об] – это объем жидкости вытесняемый насосом за 1 оборот вала.
• Максимальное рабочее давлени [МПа, bar]
• Максимальная частота вращения [об/мин]

При выборе типа насоса для гидросистемы необходимо учитывать ряд факторов свойственных определенным типам насосов и особенности разрабатываемой гидросистемы. Основными критериями выбора насоса являются:

• Диапазон рабочих давлений
• Интервал частот вращения
• Диапазон значений вязкости рабочей жидкости
• Габаритные размеры
• Доступность конструкции для обслуживания
• Стоимость

Поршневые Насосы

Ручные насосы

Простейшим насосом использующим принцип вытеснения жидкости является ручной насос. Данный вид насосов используется в современной технике для обеспечения гидравлической энергией  исполнительных гидродвигателей (в основном линейного перемещения) вспомогательных механизмов. Вторым, часто встречающимся, назначением ручных насосов в гидросистемах является использование его как аварийного источника гидравлической энергии.Давления развиваемые этими насосами лежат в диапазоне до 50МПа, но чаще всего данные насосы используют на давлениях не более 10-15МПа. Рабочий объем до 70 см3. Рабочий объем для ручного насоса это суммарный объем жидкости вытесняемый им за прямой и обратный ход рукоятки. Обычно насосы с малым рабочим объемом способны достигать больших величин рабочего давления, это связано с ограничением силы прикладываемой к рычагу пользователем.

Принцип действия ручного насоса одностороннего действия. При ходе поршня вверх через обратный клапан 2 происходит всасывание жидкости из бака, клапан 1 при этом закрыт. При ходе поршня вниз происходит вытеснение жидкости через клапан 1 в напорный трубопровод, клапан 2 – закрыт. Ручной насос двустороннего действия. При ходе поршня вверх через обратный клапан 4 происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость. Одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости внапорный трубопровод через клапан 1. Клапана 2 и 3 при этом закрыты. При ходе поршня вниз через обратный клапан  2 происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость. Одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости в напорный трубопровод через клапан 3. Клапана 1 и 4 при этом закрыты.

Ручной насос двустороннего действия

Достоинства

• простота конструкции.
• высокая надежность.
• отсутствие приводного двигателя.

Недостатки

• Низкая производительность

Радиально-поршневые насосы

Радиально-поршневые насосы это разновидность роторно-поршневыхгидромашин. Эти насосы применяются для гидросистем с высоким давлением (свыше 40МПа). Эти насосы способны длительно создавать давления до 100МПа.Отличительной особенностью насосов данного типа является их тихоходность, частота вращения насосов данного типакак правило не превышает 1500-2000 об/мин. Частоты вращения до 3000 об/мин можно встретить только для насосов рабочим объемом не более 2-3 см3/об.

Радиально-поршневые насосы бывают двух типов:

1. С эксцентричным ротором
2. С эксцентричным валом

Радиально-поршневой насос с эксцентричным ротором. Конструктивно поршневая группа насоса установлена в роторе насоса. Ось вращения ротора и ось неподвижного статора смещены на величину эксцентриситета e. При вращении ротора поршни совершают поступательное движение. Величина хода составит 2e. Насос данной конструкции имеет золотниковое распределение. При вращении цилиндры поочередно соединяются с полостями слива и нагнетания разделенными перегородкой золотника, расположенного в центре.

Радиально-поршневой насос с эксцентричным валом. Конструктивно поршневая группа насоса установлена в статоре насоса. Ось вращения вала и ось неподвижного статора совпадают, но на валу имеется кулачок, который смещен на величину е относительно центра вращения вала. При вращении вала, кулачок заставляет поршни совершать поступательное движение. Величина хода составит 2e.  Насос данной конструкции имеет клапанное распределение.  При вращении вала поршни выдвигаясь из цилиндров наполняются жидкостью через клапана всасывания. Нагнетание жидкости происходит через клапана нагнетания  при вхождении поршней в цилиндры.

Данная конструкция редко используется как насосная и намного чаще используется в гидромоторах.

Радиально поршневые насосы могут иметь конструкцию с переменным рабочим объемом. Регулировка рабочего объема происходит за счет изменения величины эксцентриситета е.

Из двух описанных конструкций большее распостранение получили радиально-поршневые насосы с эксцентричным валом. Это явилось следствием более простой конструкции.

Достоинства

• простота конструкции.
• высокая надежность.
• Работа на давлениях до 100МПа.
• Относительно малый осевой размер.

Недостатки

• Высокая пульсация давления
• Малые частоты вращения вала
• Больший вес конструкции по отношению к аксиально-поршневым машинам.

Аксиально-поршневые насосы

Аксиально-поршневые насосы – это разновидность роторно-поршневых гидромашин с аксиальным расположением цилиндров (т.е. располагаются вокруг оси вращения блока цилиндров, параллельны или располагаются под небольшим углом к оси).Существует деление по типу вытеснителя на аксиально-плунжерные и аксиально-поршневые гидромашины. Отличаются они тем, что в первых в качестве вытеснителей используются плунжеры, а во вторых — поршни.

Насосы данного типа являются самыми распространёнными в современных гидроприводах. По количеству конструктивных исполнений они во много раз превосходят прочие типы гидронасосов. Эти насосы обладают наилучшими габаритно-весовыми характеристики (иными словами имеют высокую удельную мощность), обладают высоким КПД.Насосы этого типа способны даватьдавление до 40МПа и работать на высоких частотах вращения (насосы общего применения имеют частоты до 4000 об/мин, но существуют специализированные насосы этого типа с частотами вращения до 20000 об/мин).

Все аксиально поршневые насосы можно разделить на 2 типа:

Снаклонным блоком (ось вращения блока цилиндров располагается по углом к оси вращения вала)
С наклоннымдиском (ось вращения блока цилиндров совпадает с осью вращения вала)
При вращении вала насоса, вращается шарнирно соединенный с ним блок цилиндров. При этом поршни совершают поступательные движения. Блок цилиндров прилегает к распределителю  который имеет два паза: один паз соединен с линией всасывания, а другой с линией нагнетания. При выдвижении поршня цилиндр движется над пазом всасывания и наполняется жидкостью. После прохождения нижней мертвой точки (точки в которой поршень находится в максимально выдвинутом состоянии) цилиндр соединяется с пазом нагнетания в распределителе и начинает вытеснять жидкость из цилиндра пока не достигнет верхней мертвой точки (точки в которой поршень находится в максимально утоленном в цилиндр состоянии). Далее Цилиндр снова соединяется с пазом всасывания и цикл повторяется. Система распределения используемая в данной конструкции насоса называется золотниковой.
Утечки из цилиндров во время нагнетания скапливаются в корпусе насоса. Чтобы не допустить роста давления в корпусе, на насосах данной конструкции имеется линия дренажа. Если ее заглушить, то это приведет к выходу из строя манжеты вала и нарушению герметичности насоса, а в некоторых случаях – к разрушению корпуса насоса.

Принцип работы насоса с наклонным диском аналогичен работе насоса с наклонным блоком. Насос данной конструкции так-же имеет золотниковое распределение.  Отличие конструкций состоит в соосности осей вала и блока цилиндров.

Рабочий объем аксиально-поршневых насосов можно рассчитать из следующего выражения:

Для насосов возможны исполнения с изменяемым рабочим объемом. Изменение рабочего объема происходит за чет изменения угла наклона диска или блока (в зависимости от конструкции).

Для аксиально-поршневых насосов необходим механизм синхронизации вращения приводного вала и блока цилиндров. Существует четыре основных способа такой синхронизации:

Синхронизация одинарным (силовым) карданом
Синхронизация двойным (несиловым) карданом
Синхронизация шатунами поршней (бескарданная схема)
Синхронизация коническим зубчатым зацеплением.
Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком. В данной конструкции синхронизация вращения вала и блока цилиндров осуществлена посредством конической зубчатой передачи.

Регулируемый аксиально-поршневой насос с наклонным диском  

Рассмотрим еще одну довольно распространённую конструкцию  насоса с наклонным диском. Это конструкция аксиально-плунжерного насоса с неподвижным блоком, клапанным распределением и приводом плунжеровкулачкового типа (вращающейся наклонной шайбой). По ГОСТ  17398-72 этот тип насоса классифицируется как аксиально-кулачковый. Схема такого насоса показана.
Эта конструкция имеет принципиальные отличия от конструкции предыдущей конструкции имеет неподвижный блок цилиндров, совмещенный с корпусом, наклонный диск объединенный с валом и клапанное распределение рабочей жидкости. Ход плунжера определяется вращением наклонного диска. Система распределения работает следующим образом: выдвигаясь из цилиндра поршень создает в камере разряжение и через клапан всасывания камера наполняется жидкостью из полости корпуса, объединенной со всасыванием. При вхождении в цилиндр клапан всасывания находится в закрытом состоянии, происходит вытеснение рабочей жидкости из рабочей камеры через клапан нагнетания в линию нагнетания.

Некоторые конструкции аксиально-кулачковых насосов могут работать на давлениях до 70МПа.

Примечательным является факт отсутствия в данной конструкции линии дренажа так как всасывание осуществляется непосредственно из корпуса насоса. При этом в корпусе насоса абсолютное давления ниже атмосферного. По этой причине в данной конструкции повышенные требования предъявляются к уплотнению вала, при выходе из строя которого насос подсасывает воздух и подает гидросистему смесь воздуха и рабочей жидкости. Такой «воздушный коктейль» приводит к вибрациям в гидросистеме и выходу из строя ее элементов, включая насос.

Рабочий объем рассчитывается по той-же зависимости что и для описанных выше конструкций аксиально-поршневых насосов. Следует отметить что насос данной конструкции не имеет исполнения с регулируемым рабочим объемом.

Достоинства

• простота конструкции.
• Работа на давлениях до 70МПа.
• Высокий КПД.
• Частоты вращения до 4000 об/мин
• Высокая удельная мощность.

Недостатки

• Высокая пульсация давления
• Высокая стоимость по сравнению с другими типами гидронасосов.

Шестеренные насосы

Шестеренные насосы относятся к типу роторныхгидромашин.  Рабочими элементами (вытеснителями) являются две вращающиеся шестерни. Различают два основных типа таких насосов:

1. Насосы внешнего зацепления
2. Насосы внутреннего зацепления.

Частным случаем шестеренных насосов с внутренним зацеплением являются героторные насосы.

Шестеренные насосы широко распространены в гидросистемах с невысокими (до 20 МПа) давлениями.  Они широко применяются в сельскохозяйственной, дорожной технике, мобильной гидравлике, системах смазки. Используются для обеспечения гидравлической энергией гидроприводов вспомогательных механизмов в сложных гидросистемах. Столь широкое распространение шестеренные насосы получили за простоту конструкции, компактность и малый вес. Платой за простоту конструкции стало довольно низкое значение КПД (не более 0,85), низкое рабочее давление, и небольшой ресурс (особенно на давлениях ≈20МПа). Шестеренные насосы могут работать на частотах вращения до 5000об/мин.

Существуют образцы шестеренных насосов на давления до 30МПа однако ресурс таких насосов на порядок ниже.

Шестеренные насосы внешнего зацепления

Основными элементами шестеренных насосов внешнего зацепления являются шестерни. При вращении шестерен жидкость, заключенная во впадинах зубьев переносится из линии всасывания в линию нагнетания.   Поверхности зубьев А1 и А2 вытесняют при вращении шестерен больше жидкости чем может поместиться в пространстве освобождаемом  зацепляющимися зубьями B1 и B2. Разность объемов, высвобождаемых двумя парами зубьев вытесняется в линию нагнетания. В месте зацепления шестерен при работе насоса образуются области «запертого» объема, что вызывает пульсации давления в линии нагнетания.

Шестерни насосов внешнего зацепления в большинстве конструкций имеют прямой зуб, однако встречаются конструкции таких насосов с косым и шевронным зубом. Преимущество применения косого зуба состоит в меньшем уровне пульсаций за счет того что в месте зацепления «запертые» объемы не образуются. Недостатком конструкций с косым зубом является возникающая осевая сила, для восприятия которой нужно включать в конструкцию упорные подшипники. Этот недостаток отсутствует в насосах с шевронным зубом, где осевая сила компенсируется формой зуба. У насосов с шевронным зубом также малый уровень пульсаций.

Достоинства

• Простота конструкции.
• Частоты вращения до 5000 об/мин
• Низкая стоимость

Недостатки

• Высокая пульсация давления
• Низкий КПД
• Сравнительно низкие давления

Шестеренные насосы внутреннего зацепления

Отличительной особенностью шестеренных насосов внутреннего зацепления является меньший уровень пульсаций и как следствие малый уровень шума. В связи с этим они находят широкое в стационарных машинах и механизмах, а так-же на мобильной технике работающей в закрытых помещениях.

Принцип работы шестеренного насоса с внутренним зацеплением  состоит, как и у насосов внешнего зацепления, в переносе жидкости во впадинах шестерен от линии всасывания в линию нагнетания. В зоне всасывания при вращении шестерен объем камеры, образованной зубьями шестерен и серпообразным разделителем, увеличивается. При этом происходит наполнение рабочей камеры жидкостью из линии всасывания. В зоне нагнетания происходит процесс вытеснения рабочей жидкости в линию нагнетания, т.к. объем камеры в этой зоне при вращении шестерен уменьшается.

Достоинства

• Простота конструкции.
• Частоты вращения до 4000 об/мин
• Низкий уровень шума
• Низкая стоимость

Недостатки

• Низкий КПД
• Сравнительно низкие давления

Героторные насосы.

Героторные насосы это разновидность шестеренных насосов с внутренним зацеплением. Отличие от классической конструкции шестеренного насоса с внутренним зацеплением состоит в отсутствии серпообразного разделителя. Разделение полостей всасывания и нагнетания реализовано за счет применения специального профиля. Его форма такова что в зоне где должен находиться серпообразный разделитель обеспечен постоянный контакт шестерен. Принцип работы насоса данной конструкции точно такой же как и шестеренного насоса с внутренним зацеплением.Героторные насосы обычно используют при невысоких давлениях (до 15МПа) и подачах до 120 л/мин. При этом частоты вращения составляют не более 1500 об/мин.

Достоинства

• Простота конструкции
• Низкий уровень шума

Недостатки

• Невысокий КПД
• Высокая по сравнению с шестеренными насосами стоимость

Роторно-винтовые насосы.

Еще одной разновидностью шестеренного насоса можно считать винтовые насосы. Их рабочие элементы можно представить как косозубые шестерни с количеством зубьев равному числу заходов винтовой нарезки. Главным преимуществом этих насосов является равномерность подачи и как следствие низкий уровень шума. Достоинством насоса также является его способность перекачивать жидкости с твердыми включениями. Давление развиваемое насосом может составлять до 20МПа. Частоты вращения до 1500 об/мин.

Ввиду сложности изготовления данного типа насосов, они не получили широкого распространения и применяются лишь в специфических гидросистемах. Существуют двух и трехвинтовые конструкции насосов.

Достоинства

• Низкий уровень шума
• Низкий уровень пульсаций

Недостатки

• Невысокий КПД
• Высокая стоимость

Пластинчатые насосы.

Пластинчатые гидронасосы это гидромашины в которых роль вытеснителя рабочей жидкости выполняют радиально расположенные пластины, которые совершают возвратно-поступательные движения при вращении ротора. В российской литературе пластины часто называют – шиберами, а насосы – шиберными.

Различают пластинчатые гидронасосы однократного действия и двойного действия. У насосов однократного действия за один оборот вала гидромашины процесс всасывания и нагнетания осуществляется один раз, в машинах двойного действия - два раза.

Пластинчатые насосы имеют низкий уровень шума и хорошую равномерность подачи. Также эти насосы имеют сравнительно большие рабочие объемы при небольших габаритах. Пластинчатые гидронасосы могут работать на давлениях до 21МПа при частотах вращения до 1500 об/мин.

Насос однократного действия

Принцип работы насоса однократного действия состоит в следующем. При сообщении вращающего момента валу насоса ротор насоса приходит во вращение. Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу статора, в результате чего образуется две полости, герметично отделённых друг от друга. При прохождении пластин через область всасывания, объем рабочих камер между ними увеличивается и происходит всасывание рабочей жидкости.При прохождении пластин через область нагнетания, объем рабочих камер между ними уменьшается и происходит вытеснение рабочей жидкости в линию нагнетания. Для обеспечения прижима пластин в зоне нагнетания в полость под ними подводится давление из линии нагнетания. В некоторых случаях дополнительный прижим пластин организуется за счет установки пружин под пластины.

Насосы однократного действия конструктивно могут иметь исполнения с регулируемым рабочим объемом. Регулировка рабочего объема происходит за счет изменения величины эксцентриситета e.
Достоинства

• Низкий уровень шума
• Низкий уровень пульсаций
• Возможность регулировки рабочего объема
• Низкая по сравнению с роторно-поршневыми насосами стоимость.
• Менее требователен к чистоте рабочей жидкости.

Недостатки

• Большие нагрузки на подшипники ротора.
• Сложность уплотнения торцов пластин
• Низкая ремонтопригодность
• Сравнительно невысокие давления (до 7МПа)

Насос двойного действия

Принцип действия насоса двойного действия полностью аналогичен принципу работы насоса однократного действия. Отличием является наличие двух зон всасывания и двух зон нагнетания. Для обеспечения прижима пластин в зоне нагнетания, также как и насосов однократного действия, подводится давление нагнетания.

Достоинства

• Низкий уровень шума
• Низкий уровень пульсаций
• Возможность регулировки рабочего объема
• Уравновешенность радиальных нагрузок в роторе.
• Низкая по сравнению с роторно-поршневыми насосами стоимость.
• Менее требователен к чистоте рабочей жидкости.
• Большие по сравнению пластинчатыми насосами однократного действия давления (до 21МПа)

Недостатки

• Низкая ремонтопригодность
• Сложность уплотнения торцов пластин

Причины отказа насосов.

При эксплуатации насоса следует обращать внимание на условия его работы. Наиболее часто неисправность насоса бывает вызвана:

• Попаданием посторонних частиц (грязи)
• Масляным голоданием
• Работой на водно-масляной эмульсии
• Работой на воздушно-масляной смеси
• Работой с перегрузкой по давлению
• Превышением допустимых оборотов
• Превышение давления в корпусе
• Перегревом рабочей жидкости