2.8. Аксиально-поршневые гидромашины

2. ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОМАШИНЫ

 

2.8. Аксиально-поршневые гидромашины

 

Аксиально-поршневые гидромашины относятся к роторно-поршневым гидромашинам с пространственной кинематикой, в которых вращательное движение вала (для насосов) преобразуется в возвратно-поступательное движение поршней (вытеснителей).

У этих гидромашин рабочие камеры образованы рабочими поверхностями цилиндров и поршней, а оси поршней параллельны (аксиальны) оси блока цилиндров (ротору) или составляют с ней угол не более 45^º.

По кинематическим схемам, заложенным в основу конструкции, аксиально-поршневые гидромашины разделяют на гидромашины с наклонным блоком цилиндров и с наклонным диском.

На рис.2.10, а показана схема аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров. Насос состоит из неподвижного распределительного диска 1 ,имеющего два серпообразных канала, соединенных со всасывающей В и напорной Н гидролиниями. Внутри вращающегося блока цилиндров 2 расположены рабочие камеры 3 ,образованные поверхностями цилиндров и перемещающихся поршней 4.Поршни шарнирно соединены шатунами 5 с упорным фланцем 6,который вращается вместе с приводным валом 7.

 

 

Рис. 2.10. Схема аксиально-поршневого насоса:

а) с наклонным блоком

1– распределительный диск; 2 – блок цилиндров; 3 – рабочая камера;

4 – поршень (вытеснитель); 5 – шатун; 6 – упорный фланец; 7 – приводной вал

б) с наклонным диском

1– распределительный диск; 2 – блок цилиндров; 3 – рабочая камера;  

4 – поршень (вытеснитель);  5 – наклонный диск; 6 – приводной вал

 

При совместном вращении вала 7 и блока цилиндров 2 вокруг своих осей поршни 4, вращаясь вместе с блоком, совершают возвратно-поступательное движение относительно цилиндров. За один оборот вала каждый поршень насоса совершает один двойной ход.

В результате этого каждый поршень в течение одной половины оборота освобождает некоторое пространство внутри цилиндра и рабочая камера заполняется жидкостью из всасывающей гидролинии В. Происходит цикл всасывания. В течение следующей половины оборота поршень вытесняет жидкость из рабочей камеры в напорную гидролинию Н. Происходит цикл нагнетания.

Рабочий объем аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком характеризуется суммарным объемом жидкости, вытесняемой поршнями за один оборот вала, и определяется по формуле

 

 ,                         (2.20)

где d_п – диаметр поршня;  z – число всех поршней; h – максимальный ход поршня; , здесь  – диаметр окружности упорного фланца, на котором расположены центры шаровых шарниров шатунов;  g – угол наклона оси блоков цилиндров к оси приводного вала, обычно g = 15...25⁰ (иногда до 40⁰).

Из формулы (2.20) видно, что рабочий объем насоса зависит от угла наклона блока цилиндров. Изменяя угол наклона блока цилиндров, можно изменять рабочий объем, а, следовательно, и подачу насоса (см. формулу (2.1)).Чем больше угол  g, тем больше рабочий объем и подача насоса.

В гидромашинах с наклонным диском (рис.2.10, б) блок цилиндров (ротор) 2 соосен с приводным валом 6 и вращается вместе с ним, а поршни (плунжеры) 4 опираются на неподвижный наклонный диск (шайбу) 5, благодаря чему совершают возвратно-поступательное движение.

При этом происходит всасывание жидкости при выдвижении поршней 4 из блока цилиндров 2 и вытеснение жидкости при движении поршней в блок цилиндров. Для подвода и отвода жидкости к рабочим камерам 3 в неподвижном торцевом распределительном диске 1 выполнены два серпообразных канала, соединенных со всасывающей В и напорной Н гидролиниями.

Для обеспечения движения поршней во время цикла всасывания применяется принудительное прижатие их к наклонному диску пружинами или давлением жидкости.

Рабочий объем аксиально-поршневого  насоса с наклонным диском определяется по формуле

 

,                  (2.21)

 

где d_п –  диаметр поршня; z – число всех поршней; h – максимальный ход поршня; ;  D – диаметр окружности блока, на котором расположены оси цилиндров; g  – угол наклона диска, обычно g = 20...25^º.

Подача насоса определяется по формуле (2.1). Принцип регулирования подачи, основанный на изменении рабочего объема насоса, вытекает из соотношений (2.1), (2.20) и (2.21). Из них следует, что изменение величины  угла g  приводит к изменению подачи.

Обозначим через g_max максимально возможный по конструкции угол наклона блока цилиндров или диска, а через Q_{т max} соответствующую ему максимальную подачу.

Тогда подачу Q_т, соответствующую значению угла g, можно представить в виде

     или      .         (2.22)

 

Введем величину y, которую назовем параметром регулирования

 

    или       .     (2.23)

 

Представление параметра регулирования y в виде отношения углов g/g_max эквивалентно линеаризации формулы (2.23). При g = 25⁰ максимальная погрешность от линеаризации составляет около 3% для насосов с наклонным блоком  и около 7% для насосов с наклонным диском.

С учетом формул (2.22), (2.23) и (2.4) подачу насоса можно представить в виде

 

      или        .           (2.24)

 

Для регулируемых насосов с постоянным направлением потока жидкости параметр регулирования изменяется в пределах 0 £y £1, а для насосов с реверсивным потоком параметр регулирования изменяется в пределах -1 £y £1. Зависимость   называется  регулировочной характеристикой насоса.

В некоторых насосах предусматривается установка угла наклона на два-три дискретных значения. Такое регулирование называется ступенчатым. Коэффициент пульсации подачи аксиально-поршневого насоса определяют по формулам:

для нечетного числа поршней

 ;                       (2.25)

 

для четного числа поршней

 .                       (2.26)

 

Аксиально-поршневые гидромашины стали одними из самых применяемых в гидроприводах мобильных машин и стационарном оборудовании благодаря следующим преимуществам:

§        более высокому полному КПД (0,85...0,94) по сравнению с КПД шестеренных и пластинчатых гидромашин;

§        работоспособности при высоком давлении в пределах 20...32 МПа (до 40...50 МПа);

§        возможности регулировать рабочий объем за счет наклона диска или блока цилиндров;

§        широкому диапазону рабочих объемов от 0,5 см³/об до 30 дм³/об;

§        высокой всасывающей способности насосов, обеспечивающей возможность их эксплуатации в гидросистемах с открытой циркуляцией рабочей жидкости;

§        широкому диапазону частоты вращения – от 1 до 6000 об/мин;

§        длительным срокам службы до 10000...12000 ч;

§        низкому уровню шума;

§        достаточно высоким удельным показателям и др.

Однако у них сложная кинематика динамика, много прецизионных деталей, поэтому они сложны в изготовлении, имеют высокую стоимость и предъявляют повышенные требования к тонкости фильтрации рабочей жидкости.

Конструкции аксиально-поршневых гидромашин отличаются большим разнообразием.

На строительных и дорожных машинах наиболее широко применяют аксиально-поршневые нерегулируемые и регулируемые гидромашины с наклонным блоком цилиндров.

В основу серийно выпускаемых гидромашин, отличающихся габаритными размерами, положена унифицированная конструкция качающего узла.

Начатое в конце 60-х годов XX века производство аксиально-поршневых насосов и гидромоторов с наклонным блоком цилиндров позволило на их основе принципиально изменить конструкцию большинства видов строительных и дорожных машин: улучшились основные параметры, разработаны гидромашины с поворотным распределителем, создана конструкция регулируемых гидромоторов с бесступенчатым изменением рабочего объема, а также реализован ряд других достижений.

Для гидроприводов строительных и дорожных машин производятся аксиально-поршневые нерегулируемые (типа 210 и 310) и регулируемые (типа 207, 224, 303, 321 и 333) насосы и гидромоторы. Основой каждого типоразмера гидромашин является унифицированная конструкция качающего узла, на базе которого созданы различные исполнения.

 

Рис. 2.11. Аксиально-поршневой нерегулируемый насос (гидромотор) типа 210…Г:

I и II – варианты исполнения вала (шпоночный и шлицевой);

1 – приводной вал; 2 – манжетное уплотнение; 3 – передняя крышка; 4 – кольцо упорное; 5, 13 – кольца уплотнительные;

6, 7 – шарикоподшипники; 8 – корпус; 9 – шатун; 10 – поршень; 11 – блок цилиндров; 12 – сферический распределитель;

14 – задняя крышка; 15 – центральный шип

 

Насосы и гидромоторы типа 210…Г относятся к гидромашинам с нерегулируемым рабочим объемом (рис. 2.11), качающий узел которых состоит из приводного вала 1, семи поршней 10 с шатунами 9,  радиального 6 и сдвоенного радиально-упорного 7 шарикоподшипников, блока цилиндров 11, центрируемого сферическим распределителем 12 и центральным шипом 15.

От осевого перемещения внутренние кольца подшипников удерживаются стопорным кольцом (гидромашина 210) или двумя пружинными кольцами (гидромашина 310.224).В передней крышке 3 установлено армированное манжетное уплотнение 2.

Центральный шип 15 сферической головкой установлен в гнезде фланца приводного вала 1, другой конец шипа входит в отверстие втулки, запрессованной в распределитель 12. В сферических периферийных гнездах фланца приводного вала 1 установлены головки шатунов 9, которые вместе со сферической головкой центрального шипа 15 прижаты к фланцу вала пластиной.

К внутренней поверхности задней крышки 14 неподвижно примыкает распределитель 12, два дугообразных паза которого совмещены с соответствующими пазами в крышке. Под воздействием тарельчатых пружин сферические поверхности блока цилиндров 11 и распределителя 12 постоянно прижаты. При вращении блока полости цилиндров последовательно совмещаются с дугообразными пазами распределителя.

При вращении вала 1 вращаются шатуны 9 с поршнями 10, установленными в блоке цилиндров. Одновременно поршни совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах, полости которых попеременно сообщаются с напорным или всасывающим каналом.

За один оборот вала каждый поршень совершает один двойной ход. При работе гидромашины в режиме насоса в течение одной половины оборота вала поршень всасывает рабочую жидкость через трубопровод из бака, а в течение второй – вытесняет ее в напорную магистраль гидросистемы.

Величина подачи насоса прямо пропорционально зависит от частоты вращения приводного вала.

При работе в режиме гидромотора напор рабочей жидкости из гидросистемы через отверстие в задней крышке 14 и дугообразный паз распределителя действует на поршни 10, приводя их в движение. Поршни 10 через шатуны 9 сообщают валу 1 крутящий момент.

При этом в течение одной половины оборота вала происходит заполнение рабочей камеры цилиндра жидкостью, а в течение другой – вытеснение жидкости в сливную магистраль.

Общий вид гидромашины типа 210… представлен на рис. 2.12.

 

 

Рис. 2.12. Общий вид гидромашины типа 210…

 

Аксиально-поршневые нерегулируемые насосы и гидромоторы типа 210… являются по принципу действия обратимыми гидромашинами, имеют строго зафиксированный угол наклона блока цилиндров (25^º).

Индексы насосов и гидромоторов образуются следующим образом: первые три цифры (210) обозначают тип гидромашины, следующие две цифры (12, 16, 20, 25, 32) – диаметр поршня качающегося узла (мм), третья группа цифр – исполнение (насос или гидромотор), последние две цифры исполнение приводного вала. Буквы «А» и «Б» в индексе обозначают исполнение насоса в корпусе из алюминиевых сплавов.

 

Пример обозначения нерегулируемой гидромашины типа 210…:

 

Конструкция аксиально-поршневой гидромашины серии 300 приведена на рис.2.13.

 

Рис. 2.13. Аксиально-поршневая нерегулируемая гидромашина типа 310…:

1 – вал; 2 – манжета; 3, 10, 13 – уплотнительные кольца;

4, 14 – передняя и задняя крышки; 5 – стакан; 6 – подшипник радиальный;

7 – подшипник сдвоенный радиально-упорный; 8 –шатун; 9 – поршень;

11 – блок цилиндров; 12 – распределитель; 15 – шип; 16 – корпус

 

Устройство и принцип действия гидромашин типа 310 аналогичны рассмотренным выше гидромашинам типа 210.

Аксиально-поршневые регулируемые насосы типа 207 изготовляются трех типоразмеров, отличающихся диаметром поршня унифицированного качающего узла.

Регулирование величины и направления потока жидкости происходит за счет изменения угла наклона поворотного корпуса. Подача регулируемого насоса может плавно изменяться при изменении угла наклона поворотного корпуса γ от 0 до ± 25⁰.

Сдвоенные аксиально-поршневые регулируемые насосы типа 223 состоят из двух унифицированных качающих узлов насоса типа 207, установленных параллельно в общем корпусе.

Сдвоенные насосы обычно используют в том случае, когда необходимо обеспечить работу двухпоточной гидросистемы.

Аксиально-поршневой регулируемый гидромотор (рис.2.14.) состоит из вала 1, корпуса 13, внутри которого расположен блок цилиндров (ротор) 4, шатуны 2, поршни (вытеснители) 3, цапфа 12, торцовый сферический распределитель 11. К корпусу 13 крепится корпус регулятора 8 с крышкой 6. В корпусе регулятора находятся золотник 7, палец 9, установочный поршень 10. Наклон блока цилиндров 4 осуществляется перемещением торцевого сферического распределителя 11, на который опирается блок цилиндров 4 по сферической направляющей. такое конструктивное решение позволяет значительно уменьшить габариты регулируемой аксиально-поршневой гидромашины.

 

Рис. 2.14. Гидромотор аксиально-поршневой регулируемый типа 303…

1 – вал; 2 – шатун; 3 – поршень; 4 – блок цилиндров (ротор);

5 – ограничительный винт;  6 – крышка;  7 – золотник;

8 – корпус регулятора; 9 – палец; 10 – установочный поршень;

11 – распределитель; 12 – цапфа; 13 –  корпус

 

Общий вид насоса типа 313…представлен на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Общий вид насоса типа 313…

 

Общий вид трехпоточного насоса типа 333…представлен на рис.2.16.

Рис. 2.16. Общий вид трехпоточного насоса типа 333…

 

Трехпоточный регулируемый насос 333.20 состоит из двух регулируемых качающих узлов с максимальным углом наклона блока цилиндров 25⁰ и одного нерегулируемого качающего узла.

Регулирование рабочего объема достигается изменением угла наклона блока цилиндров с торцевым распределителем относительно оси вала.

Аксиально-поршневые гидромашины с наклонным блоком обладают высокими эксплуатационными свойствами и следующими основными достоинствами: высокой всасывающей способностью, обеспечивающей работу насосов на самовсасывании при широком диапазоне температуры и вязкости рабочей жидкости (от 8…10 сСт до 1000…1200 сСт ); возможностью работы в насосном и моторном режиме: относительно меньшей чувствительностью к чистоте рабочей жидкости (могут работать при тонкости очистки до 40 мкм); высокими износостойкостью, надежностью, КПД.