Гидравлические насосы

Гидравлические насосы преобразуют механическую энергию в гидравлическую. Они создают объёмный поток при этом давление в системе зависит от сопротивления потоку жидкости.

Типы насосов

Шестеренные насосы с внешним зацеплением. На рисунке представлена из конструкция. Масло всасывается вследствие создаваемого разряжения, возникающее в результате вращения в разные стороны обеих шестерен, находящихся в зацеплении, при этом зубья двигаются друг от друга и создают разряжение. На стороне давления зубья движутся друг к другу, тем самым уменьшая объем и выталкивая масло.

Аксиальные уплотнения (на валу) Возникающее в процессе работы давление между шестернями действует на корпус, выполненный из спецматериала и запрессованный в общий корпус насоса.

Радиальные уплотнения. По мере выталкивания жидкости зубьями шестерни к выходу, увеличивается давление, возникающее между зубьями шестерни и корпусом. Утечка давления компенсируется за счет вершин зубьев шестерни.

Утечки масла. При работе насоса невозможно сделать стопроцентное уплотнение, поэтому возникают небольшие утечки масла между вершинами шестерен и корпусом.

Шестеренный насос с внутренним зацеплением. Приводная шестерня с зубьями наружу входит в зацепление в ведомую шестерню с зубьями внутрь. Между ними находится специальный сектор, разделяющий линии всасывания и нагнетания.

Героторный насос (роторный насос) состоим из геротора и ротатора. Ротор всегда имеет на один зуб меньше, чем геротор.

Винтовой насос. Один вращающийся шпиндель приводит во вращательное движение один или более шпинделей. В промежутках нарезной поверхности шпинделя образуется пространство, в которое всасывается масло в линию всасывания и выталкивается в линию давления.

Лопастной насос состоит из ротора с лопастями. Благодаря центробежным силам в результате вращения ротора, лопасти выдвигаются наружу и плотно прилегают к корпусу. Корпус выполнен в форме эксцентрика, что позволяет перекачивать масло из линии всасывания в линию нагнетания. Такие насосы существуют с постоянным и переменным потоком.

Радиально-поршневой насос. В корпусе размещены 3,5 или 10 элементов насоса Благодаря эксцентриковой форме приводного вала в центе насоса, поршни приводятся в возвратно-поступательное движение и совершают циклы всасывания и нагнетания.

Аксильно-поршневой насос. Существуют насосы с качающейся и наклонной шайбой, а также с наклонной осью.

Насосы с качающейся шайбой приводятся в движение валом, на котором установлена качающаяся шайба, в результате вращения которой качающееся движениепреобразуется в возвратно-поступательное движение аксиальных поршней.

Насос с наклонной шайбой. Вал привода насоса приводит во вращение барабан. Находящиеся внутри барабана поршни совершают возвратно-поступательное движение, размер h которого зависит от угла наклонной шайбы а. Специальная металлическая шайба удерживается опорные пятки плунжеров на наклонной шайбе. Через отверстия в плунжерах подается смазка. Управляющая пластина является промежуточным звеном между вращающимся барабаном и неподвижным корпусом. Специальной формы отверстия отделяют зону всасывания от зоны нагнетания.

В насосах с постоянной подачей угол а наклонной шайбы не изменяется.

Насосы с наклонной осью. В таких насосах приводной вал и ость барабана с плунжерами находятся под определенным углом а относительно друг друга. В результате вращения приводного вала барабан приводится в действие плунжерами, совершающими при этом возвратно-поступательное движение. В насосах с постоянной подачей угол а между осями остается постоянным.

На рисунке 4 представлен комбинированный регулятор давления и потока, соединенный с насосом с переменной подачей и наклонной шайбой. Если регулятор направляет управляющее давление через подключение А на поршень сервоуправления насоса, то  перемещающийся поршень поворачивает наклонную шайбу в направлении  Qmin  и поток уменьшается.

Регулятор мощности с механической обратной связью для насоса. Он регулирует подающий объем насоса в зависимости от рабочей нагрузки так, чтобы приводимый его в действие двигатель внутреннего сгорания работал с постоянной частотой вращения. При запуске двигателя насос стоит на максимальной подаче Qmax до появления нагрузки и увеличения давления Pв. В результате увеличения давления Pв поток, согласно графика, будет снижен (красная стрелка ;начало регулировки, например, при достижении давления 50 Бар). Потребляемая насосом мощность от двигателя внутреннего сгорания остается постоянной. При достижении максимального давления в системе регулятор давления снижает поток насоса до минимального Qmin.

Создаваемое насосом давление  Pв подается в сервоцилиндр управления насосом со стороны штока и воздействует на поршень. Одновременно, это же давление воздействует на регулирующий поршень регулятора мощности и регулятора давления.

При достижении рабочего давления Pв н-р, 50 Бар и максимальном потоке насоса сила F dk будет больше силы воздействия пружины Ffr. Механический рычаг проворачивается и сила Fн передвигает регулирующий поршень налево. Таким образом, создаваемое насосом давление Pв перемещается на поршневую полость сервоцилиндра.Сервоцилиндр перемещается влево, и создаваемый насосом поток снижается. Одновременно, длина рычага  Idk  уменьшается, и создаваемый крутящий момент Fdk*Idk снижается. Так как дина рычага Iн остается постоянной, то уменьшатся действующая на регулирующий поршень сила Fн. Усилие создаваемое пружиной Ff перемещает регулирующий поршень обратно направо и гидроравновесие восстанавливается (Ff=Fн). Если давление Pв насоса постоянное, то поток тоже остается постоянным.

Регулятор мощности существует и в других исполнениях, отличных от описанных выше.

Гидродвигатели вращательного действия

Гидромоторы превращают поступающую в них гидравлическую энергию (давление, поток) в механическую энергию (крутящий момент, обороты).

Гидромоторы с внешним зацеплением. Подразделяют моторы с 1 или 2 направлениями вращения.

Гидромоторы с внешним зацеплением и одним направлением вращения похожи по устройству на гидронасосы такого типа, но отличаются в деталях, поэтому не всегда могут  друг друга взаимно заменять 

Гидромоторы с  внешним зацеплением и двумя направлениями вращения устроены симметрично. При изменении направления потока, соответственно, изменяется направление вращения. Возникающие при этом утечки отводятся с помощью дополнительного трубопровода непосредственно в масляный бак.

Героторный мотор. У такого типа моторов вращается только внутренняя шестерня. Наружная остается неподвижной. Внутренняя шестерня всегда имеет на один зуб меньше, чем наружная. При вращении она эксцентрично оббегает по наружной шестерне, поэтому приводится с помощью кардана.

Планетарные моторы. В корпусе установлены, например, 7 роликов, образующих внутреннее зацепление. Внутри этих роликов вращается шестерня с наружным закреплением, имеющая на один зуб меньше. При помощи давления масла внутренняя шестерня начинает вращаться и одновременно совершать эксцентриковое движение по кругу вокруг цента вращения. Внутренняя шестерня соединена карданом с выходным валом таким образом, чтобы направление вращения выходного вала было противоположно направлению вращения шестерни.

При одном полном обороте шестерни каждая камера трижды поочередно нагружается давлением масла, из чего следует, что  при соотношении зубьев 7:6 получается передаточное отношение 6:1. В связи с этим такого типа моторы называются медленными гидромоторами. 

Вращающаяся совместно с выходным валом управляющая гильза соединяет поочередно давление масла с соответствующими камерами.

Лопастной гидромотор. Во вращающемся роторе  установлены лопасти. Внутренняя поверхность корпуса выполнена в форме эксцентрика, лопасти с помощью пружин и за счет центробежных сил прижимаются к корпусу. С помощью управляющей пластины масло подается в лопасть между двумя лопатками. За счет эксцентриковой формы корпуса возникают разница площадей и крутящий момент на роторе, благодаря чему вращается выходной вал.  

Подразделяют: 

•  одноходовые  лопастные гидромоторы;
•   двухходовые лопастные гидромоторы.

Радиально-поршневые гидромоторы. В таких моторах поршни расположены перпендикулярно эксцентриковому валу. При повороте вала каждый поршень совершает движение под давлением (рабочий ход) или обратный ход. Величина хода плунжера соответствует кривизне эксцентрика е.

С помощью управляющей шайбы масло подается на поршень сверху или на обратный слив в бак. Поршни опираются на эксцентриковую поверхность вала и за счет возвратно –поступательного движения вал во вращение. Пружина внутри поршня возвращает его и исходное положение.

Существуют радиально-поршневые моторы с наружним эксцентриковым кольцом.В таких моторах радиальные поршни через встроенные в них ролики воздействуют на внешнюю поверхность. На рис изображен шестиходовой радиальный гидромотор (6 кулачков на внутренней опорной поверхности), у которого за один поворот вала каждый поршень совершает 6 возвратно-поступательных движений.

Аксиально-поршневые гидромоторы. Поршни расположены параллельно валу.

Подразделяют: 

• гидромоторы с наклонной шайбой
• гидромоторы с наклонной осью

Гидромоторы с наклонной шайбой. В таких моторах поршни опираются на наклонную шайбу.

Давление мала через управляющую шайбу подается на плунжеры. Плунжеры скользят по закрепленной наклонной лайбе и при этом смещаются в сторону, то есть вращаются вместе с корпусом барабана, в котором находятся.

В двигателях с постоянным объемом угол наклона шайбы а невозможно изменить.

В двигателях с переменным объемом существует возможность изменения угла наклона шайбы а, при этом величина хода плунжера изменяется.

При подаче управляющего давления на поршень сервопривода наклонная шайба перемещается в направлении Qmin. Наклонная шайба опирается на два ряда подшипников.

Выходящий крутящий момент зависит от перепада давления      р=р1-р2, а именно, разницы давлений на выходе и на входе из гидромотора.

Частота вращения гидромотора зависит от количества подаваемого масла и от угла наклона наклонной шайбы а.

Гидромоторы с постоянным углом наклона оси а имеют постоянный объем.

Гидромоторы с переменным объемом могут изменять угол наклона оси а , кроме того, при этом бесступенчато меняется объем между Qmax  и Qmin. Сервопривод для перемещения встроен в гидромотор. Через управляющий поршень давление подается на поршень сервоцилиндра А.Это давление создает на управляющем цилиндре А гидравличесую силу Fн, которая перемещает управляющий поршень против усилия пружины Ff. Чем выше управляющее давление, тем дальше перемещается управляющий поршень, который с помощью механической связи перемещает барабан с плунжерами. При отсутствии управляющего давления пружина Qmax перемещает барабан на максимальный объем.

Системы сервоуправления для гидромоторов с наклонной осью:

Различают следующие системы управления

• пропорциональное безступенчатое гидравлическое или электрическое управление
•  черно-белое гидравлическое или электрическое управление
•  автоматическое управление в зависимости от оборотов или высокого давления

ГИДРОЦИЛИНДРЫ

Гидроцилиндры создают прямолинейное движение, поэтому их называют гидравлическими линейными двигателями и подразделяются:

• простого действия цилиндры
• двойного действия цилиндры
• 

• Плунжерные цилиндры (рис. 1). Они создают усилие только в одном направлении. Обратное задвижение цилиндра происходит за счёт внешней силы.

  Использование: цилиндры задней навески, цилиндры в системах тормозов, цилиндр блокировки оси.

Цилиндры простого действия (рис. 2). Они создают усилие на поршне Рн в одном направлении. Обратное задвижение цилиндра происходит за счёт внешнего усилия. Различают заезжающие и выезжающие цилиндры.

Если для обратного задвижения цилиндра отсутствует внешнее усилие, то внутри цилиндра устанавливается пружина.

Телескопические цилиндры простого действия (рис. 3).

Они создают усилие только в одном направлении, и с помощью телескопического устройства (один внутри другого) выдвигаются на длину, большую длины цилиндра. Производятся двух- или многоступенчатые цилиндры.

При выдвижении сначала двигается цилиндр с наибольшей площадью и минимальной скоростью.

Цилиндры двойного действия

Они создают усилия в двух направлениях: давящее усилие при выдвижении и тянущее усилие при задвижении. Различают:

• дифференциальные цилиндры (обычные)
• цилиндры равных объемов
• цилиндры с демпфированием
• телескопические цилиндры двойного действия

Дифференциальные цилиндры (рис. 1). Они имеют с одной стороны поршень, с другой стороны шток поршня. Так как эффективная площадь при выезжании цилиндра (А,) больше, чем при заезжании (кольцевая площадь А2). то усилие выезжающее Р, больше, чем усилие заезжающее Р2 при одинаковом давлении р.

И наоборот, скорость задвижения цилиндра /2 больше, чем скорость выдвижения цилиндра у1 при одинаковом потоке О. а также объем поршневой полости больше объема штоковой полости.

Цилиндры равных объемов (рис. 2). С обеих сторон данного цилиндра находится шток. За счёт равных площадей с двух сторон поршня А- и А2, соответственно, силы Р* и Р2 , а также скорости VI и у2 в обоих направлениях тоже одинаковы.

Цилиндры с демпфированием (рис. 3) существуют простого или двойного действия. В таких цилиндрах сначала давление масла действует только на часть поверхности (А1, по мере выдвижения цилиндра давление распределяется на всю площадь (А2), и при этом достигается максимальное усилие. Примечание: плавное ускорение и большое усилие.

Устройство гидроцилиндра

Соединение корпуса и головки цилиндра

Для замены уплотнений цилиндры делают разборными. Различают:

• якорного типа
• фланцевого типа
• болтовое соединение
• фиксация с помощью проволоки

Типы закрепления гидроцилиндров

В головке цилиндра закрепляется проушина с отверстием для пальца. На штоке закрепляется (приваривается или прикручивается) проушина с отверстием. Существует исполнение со встроенным подшипником скольжения

Уплотнения, направляющие, чистики

Уплотнения

В цилиндрах используются два типа уплотнений: статические и динамические.

Статические уплотнения: уплотняют два компонента, которые не движутся относительно друг друга, например, между головкой цилиндра и корпусом, между поршнем и штоком. В основном используются резиновые кольца.

Динамические уплотнения (рис. 4). Они уплотняют подвижные части цилиндра, например, между штоком и головкой цилиндра, между поршнем и стенкой цилиндра. В зависимости от давления, требований к износостойкости и степени уплотнения используюся различные типы уплотнений. При монтаже уплотнений необходимо обращать особое внимание на правила их установки.

Направляющие кольца

Они направляют движение поршней штока а также предотвращает контакт металла с металлом через специальный зазор направляющих кольцах подаётся масло 

Чистики или грязесъемники они предотвращают попадание частиц грязи вовремя вытягивание штока поршня при выдвижении что к на поршне должна оставаться только тонкая масляная пленка.

Демпфирование конечного положения

Данная система реализует мягкая затормаживание цилиндра в конечном положении скорость движения цилиндра замедляется за счёт дросселирование потока может устанавливаться на стороне штука или с обеих сторон дополнительный обратный клапан отключает дросселирование при обратном движении.

Расчет гидроцилиндра

Пример:

 Дано:

d1 =100 мм,

 d2 = 65 мм p = 200 бар = 2000 Ньютон / сm2

 Q = 40 л/min =40 дм3/min= 1000 см3/ 60 сек

Необходимо вычислить A1 A2 F1 F2 v1 v2

Решение

A1 = π*d1^2/4=78.5 см2

А2 =π*(d1^2-d2^2)/4= 45.4 см2

F1= р*А1= 157000 Н/см2

F2 = р*А2= 90800 Н/см2

V1= Q / A1 =0,031 м/секунду

V2=Q/ А2 = 0,053 м/секунду