Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВВЕДЕНИЕ
Гидравлические машины - механизмы, сообщающие протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получающие от жидкости часть механической энергии для передачи ее рабочему органу с целью полезного использования (гидравлический двигатель).
Насосы и гидродвигатели применяют в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от первичного двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения рабочего органа. Гидропередача состоит из насоса, гидродвигателя, трубопроводов и регулирующей гидроаппаратуры.
В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Однако их можно разделить на два основных класса: лопастные и объемные.
ГЛАВА 1. Лопастные гидромашины.
1. Принцип действия и основные параметры лопастных гидромашин.
Рабочим органом лопастной гидромашины является рабочее колесо, снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (или, наоборот, от жидкости колесу) передается путем динамического взаимодействия лопастей с обтекающей их жидкостью. при этом происходит перемещение жидкости от центра колеса к его периферии (центробежные насосы) или в осевом направлении (осевые насосы).
1 - подвод ; 2 - рабочее колесо ; 3 - отвод ; 4 - диффузор
Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов: подвода, рабочего колеса и отвода. По подводу жидкость поступает в рабочее колесо в осевом направлении. Рабочее колесо состоит из двух дисков, между которыми находятся лопатки, изогнутые чаще всего в сторону, противоположную вращению. В рабочем колесе жидкость движется от оси колеса к его периферии и собирается в улиткообразном отводе. На выходе из отвода устанавливается диффузор для некоторого повышения давления.
Поток жидкости между лопатками характеризуется величиной и направлением абсолютной скорости жидких частиц , которая может быть определена путем сложения окружной скорости рабочего колеса и относительной скорости движения жидких частиц вдоль лопасти .
При большом числе лопастей относительное движение жидкости вдоль лопасти можно рассматривать как струйное и скорости направлены по касательной к лопасти.
Наоснове закона об изменении момента количества движения Эйлером выведено основное уравнение лопастных гидромашин:
- для насоса;
- для турбины.
В турбине происходит обратное движение жидкости от периферии рабочего колеса к его центру.
Мощность, сообщаемая рабочим колесом жидкости:
, где
Q - подача жидкости насосом, м3/с.
2. Центробежные насосы
В технике применяются центробежные насосы самых различных конструкций, классифируемых по следующим признакам:
1) По числу ступеней давления - одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Состоят из ряда последовательно насаженных на один вал рабочих колес. Жидкость с периферии первого колеса поступает на центр второго и так далее. При этом увеличивается напор (давление) на выходе насоса.
2) Насосы с односторонним и двухсторонним входом. При том же напоре насосы с двухсторонним входом обеспечивают большую подачу жидкость.
3) Насосы с вертикальным и горизонтальным валом. Наиболее распространенным типом центробежного насоса является одноступенчатый насос с односторонним входом и горизонтальным валом.
Работа насоса характеризуется его подачей Q, напором HH, потребляемой мощностью NH, коэффициентом полезного действия H и частотой вращения рабочего колеса.
Мощность насоса равна:
- кг / м3 ; g - м / с2 ; Q - м3 / с ; HH - м ; NТЕОР - Вт
Коэффициент полезного действия насоса учитывает: механические потери, объемные потери и гидравлические потери:
Механические потери обуславливаются трением в подшипниках и в уплотнениях вала рабочего колеса. Характеризуются М .
Объемные потери связаны с перетеканием жидкости из отвода рабочего колеса через зазоры обратно в подвод. Характеризуется О .
Гидравлические потери связаны с преодолением жидкостью гидравлического сопротивления аодвода, рабочего колеса и отвода. Характеризуется Г .
Характеристиками центробежного насоса являются зависимости HН(Q), H(Q), NH(Q).
3. Работа центробежного насоса на трубопроводную сеть. Управление системой
При проектировании трубопроводных систем, включающих насосы, необходимо чтобы насос по своим характеристикам соответствовал результатам гидравлического расчета трубопровода. И, наоборот, параметры трубопровода должны обеспечивать работу насоса в зоне максимального значения к.п.д.
Уравнение баланса энергий потока жидкости в трубопроводе с насосом:
или
Обозначим:
- потребный напор, показывающий какой энергией должен обладать поток жидкости для её продвижения по трубопроводу. HПОТР представляет собой функцию от расхода жидкости.
;
- статический потребный напор при Q=0.
- коэффициент пропорциональности.
Зависимость HПОТР(Q) называют характеристикой трубопровода.
Тогда уравнение балланса энергии рабочего режима примет вид:
При графическом способе определения рабочей точки на одном графике наносятся характеристики трубопровода и насоса.
Управление режимом работы системы трубопровод - насос может осуществляться путем изменения характеристик трубопровода или насоса. Изменение характеристики трубопровода возможно за счет изменения коэффициента полного сопротивления С установкой регулируемого дросселя в трубопроводе.
Вторым способом изменения режима работы системы является изменение характеристики насоса, например, путем изменения частоты вращения рабочего колеса.
В некоторых случаях на один трубопровод могут работать несколько насосов, установленных параллельно или последовательно.
При параллельном соединении насосов:
, при H = const
При последовательном соединении насосов:
, при Q = const
4. Гидродинамические передачи
Гидродинамические передачи (гидропередачи) состоят из соосно расположенных и предельно сближенных в общем корпусе рабочих органов лопастного насоса и гидравлической турбины. Они передают мощность от первичного двигателя приводимой машине посредством потока жидкости. Жесткое соединение входного и выходного валов при этом отсутствует.
Гидропередачи разделяют на гидродинамические муфты (гидромуфты), которые передают мощность не изменяя момента, и гидродинамические трансформаторы (гидротрансформаторы), способные изменять передаваемый момент.
Гидромуфты состоят из расположенных в общем корпусе 3 насосоного колеса 1 и турбинного колеса 2. Насосоное колесо соединено с валом двигателя, а турбинное колесо соединено с валом приводимой машины.
Лопасти насосоного и турбинного колес прикреплены к торообразным направляющим поверхностям, которые образуют рабочие полости, в которых циркулирует поток жидкости (чаще всего маловязкого минерального масла), обтекающий лопасти колес.
Насосное колесо получает энергию от двигателя и сообщает посредством своих лопастей жидкости. Поток жидкости обтекает лопасти турбинного колеса, приводит его во вращение и сообщает при этом энергию, используемую приводной машиной.
Гидропередачи способны ограничивать момент сопротивления M2 и согласовывать его пульсации при неравномерной нагрузке ударного характера. Этим они защищают двигатель и механическую часть трансмиссии от перегрузок. Гидропередачи устраняют перегрузки при пусках двигателя и разгоне приводимых объектов с большой инерцией.
В гидротрансформаторах между насосным и турбинным колесами устанавливают колесо реактора. Это дает возможность бесступенчатого изменения передаваемого момента в зависимости от изменения частоты вращения выходного вала. При возрастании сопротивления потребителя и следовательно, при снижении частоты вращения выходного вала передаваемый момент увеличивается. При этом улучшается использование двигателя по мощности.
ГЛАВА 2. Объемные гидромашины.
1. Принцип действия и основные параметры объемных гидромашин.
Под общим названием объемные гидромашины объединяют объемные насосы и гидродвигатели. Объемные насосы служат для подачи жидкости под давлением, а гидродвигатели - для преобразования потенциальной энергии давления жидкости в механическую исполнительного органа. В современных гидроприводах применяют настолько высокое давление, что по сравнению с ними скоростной и геометрический напоры пренебрежимо малы. Поэтому расчет преимущественно ведется в давлениях, а не в напорах.
Отличительной особенностью объемных гидромашин является возвратно-поступательное или вращательное движение вытеснителя, выполненного в виде скользящего или вращающегося поршня. В объемной гидромашине под воздействием поршня происходит изменение потенциальной энергии давления при практически неизменных величинах кинетической энергии и потенциальной энергии положения.
По конструкции объемные гидромашины разделяют на поршневые, роторно-поршневые, роторно-пластинчатые и роторно-зубчатые. Объемные гидромашины могут выступать в роли насоса и в роли гидродвигателя, т.е. они взаимо обратимы.
Принцип действия объемных гидромашин можно показать напримере поршневого насоса.
|
1 - Поршень; 2 - Корпус - цилиндр; 3 - Выпускной клапан; 4 - Впускной клапан; 5 - Резервуар - питатель; 6 - Предохранительный клапан. |
При движении поршня вправо давление в рабочей полости уменьшается. Выпускной клапан 3 закрывается, а впускной клапан 4 открывается и жидкость под действием атмосферного давления устремляется в рабочую полость насоса.
При движении поршня налево, впускной клапан закрывается, а выпускной, наоборот, открывается и жидкость из рабочей зоны вытесняется в поглотительный трубопровод.
Благодаря таким циклическим движениям поршня осуществляется подача жидкости в трубопровод.
Давление p, создаваемое насосом:
При полной герметичности рабочего объема подача жидкости объемной гидромашины не зависит от давления. Теоретически подача определяется величиной рабочего объема и частотой циклов n:
,
где s - ход поршня.
Теоретическая характеристика объемной гидромашины представляет вертикальную линию.
В действительности рабочий объем невозможно выполнить абсолютно герметичным. При любом давлении имеют место утечки жидкости через зазоры в поршне и клапанах. Кроме того, во избежание поломки ОГМ от чрезмерно большого давления в гидросистеме устанавливают предохранительный клапан на определенной давление pA .
Поэтому действительная подача Q будет меньше теоретической и равна:
; - объемный кпд.
2. Конструктивные схемы ОГМ и их основные характеристики.
2.1 Характеристики поршневого насоса.
Принципиальная схема схема работы поршневого насоса рассмотрена ранее. Подача поршневого насоса:
,
где V0 - рабочий объем, равный
,
где s0 - ход поршня;
0 - объемный кпд насоса, учитывающий утечки жидкости;
n - частота циклов.
Достоинством поршневого насоса является их способность к самовсасыванию.
Подача поршневого насоса пульсирующая ввиду наличия двух тактов:
всасывание жидкости в рабочую полость;
вытеснение жидкости в питательный трубопровод.
2.2 Роторно-поршневые гидромашины
Подача одноцилиндровых поршневых насосов отличается большой неравномерностью. В некоторых случаях это неприемлемо. Для устранения неравномерности подачи можно идти по пути увеличения числа цилиндров, которые объединяются в одном блоке, а движение поршней сдвинуто по фазе относительно друг друга.
|
1 - ротор; 2 - статор; 3 - поршень; 4 - всасывающая полость; 5 - нагнетательная полость. |
Вытеснение жидкости осуществляется несколькими поршнями последовательно, приводимыми в движение двигателями вращательного действия. Такие многоцилиндровые поршневые гидромашины называют роторно-поршневые. Характерной особенностью таких машин является отсутствие всасывающих и питательных клапанов.
Различают радиально-поршневые и аксиально-поршенвые гидромашины.
В радиально-поршневых гидромашинах ротор 1 расположен эксцентрично статора 2. В роторе имеются радиальные цилиндрические отверстия - цилиндры. Поршень 3 при вращении ротора совершает в цилиндре возвратно-поступательные движения, скользя своими сферическими головками по внутренней поверхности статора. Донышки цилиндра имеют сверления и сообщаются поочередно с верхним и с нижним сегментами распределительной цапоры: 5 - нагнететельным и 4 - всасывающим.
Таким образом, при данном направлении вращения ротора верхний поршень будет двигаться под действием пружины вверх и совершать такт всасывания жидкости, а нижний поршень будет двигаться к донышку цилиндра и вытеснять жидкость в нагнетательный сегмент. За один оборот ротора поршень совершает полный цикл: всасывание и нагнетание. Но поскольку цилиндров несколько и они сдвинуты по фазе, подача становится более равномерной:
|
; где d - диаметр поршня; s0 - ход поршня = 2 e; z - число цилиндров; n - частота вращения ротора; 0 - объемный кпд. |
Роторно-поршневые насосы обратимы. Они могут работать в качестве насоса и в качестве двигателя.
У аксиально-поршневых гидромашин цилиндры расположены в аксиальном направлении.
2.3 Роторные гидромашины.
2.3.1 Роторно-пластинчатые гидромашины.
Роторно-пластинчатые гидромашины являются одними из наиболее простых объемных гидромашин. Рассмотрим схему роторно-пластинчатого насоса.
Ротор 1 размещен между двумя, плотноприжатыми к нему дисками. В радиальных пазах ротора установлены пластины 3. Ось ротора расположена эксцентрично по отношению к статору 2.
Прижатые к статору с помощью пружин пластины вращаются вместе с ротором, совершая в пазах возвратно-поступательные движения.
Из-за эксцентриситета объем между поастинами в левой верхней части увеличивается, давление уменьшается и туда устремляется жидкость. Жидкость из всасывающей полости переносится в нагнетательную полость, где объем между пластинами уменьшается и вытесняется в нагнетательный трубопровод.
Подача роторно-пластинчатого насоса:
,
где e - эксцентриситет;
r - внутренний радиус статора;
b - ширина пластин;
n - частота вращения ротора.
Роторно-пластинчатые гидромашины обратимые.
2.3.2. Шестереночные насосы.
Конструкция шестереночного насоса предельно проста. Главными рабочими деталями являются две одинаковые шестерни, находящиеся в зацеплении и помещенные в корпус между двумя плотно прижатыми к ним дисками.
|
1 - ведущая шестерня 2 - ведомая шестерня 3 - корпус |
При вращении шестерен в зоне А выхода зубьев из зацепления образуется разрежение (вакуум) и туда устремляется жидкость из всасывающего трубопровода, заполняя пространство между зубьями. Далее жидкость переносится в зону B, где в пространство между зубьями одной шестерни входят зубья другой шестерни, вытесняя жидкость в нагнетательный трубопровод.
Подача жидкости:
,
где 2m - высота зуба ( m - модуль зацепления );
DН - диаметр начальной окружности шестерни;
b - ширина шестерни;
n - частота вращения.
Шестереночные объемные гидромашины обратимые.
2.3.3 Винтовые гидромашины.
Основными рабочими органами винтовой гидромашины являются винты, размещенные в корпусе, с весьма малым зазором.
Впадины между зубьями винтов заполняются жидкостью, которая при вращении винта переносится из всасывающей полости в нагнетательную.
По числу винтов различают: одно, двух и трехвинтовые гидромашины. Наибольшее распространение получили трехвинтовые гидромашины с циклоидальным зацеплением.
Подача винтового насоса:
,
где k - коэффициент, зависящий от геометрических характеристик нарезки;
DН - диаметр основной окружности ведущего винта;
n - частота вращения.
3. Рабочие жидкости ОГМ
В зависимости от назначения гидромаштны рабочей жидкостью могут быть самые различные жидкости: вода, нефтяные масла, синтетические жидкости, спиртово-глицериновые смеси и другие.
Принципиально, объемные гидромашины могут работать на всякой капельной жидкости. Однако рабочая жидкость, выполняя функцию промежуточной Среды, одновременно является и смазывающим веществом для деталей гидромашины. Поэтому к жидкости предъявляются противоречивые требования: с одной стороны, для уменьшения гидравлических потерь жидкость должна обладать малой вязкостью, а с другой стороны, для уменьшения утечек через зазоры и уплотнения жидкость должна образовывать прочную масляную пленку. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют маловязкие нефтяные маста высокой очистки.
Свойства рабочей жидкости оказывают существенное влияние на работоспособность и долговечность гидромашин. К рабочим жидксотям предъявляются следующие требования:
1. Рабочие жидкости в уплотнениях должны создавать прочную масляную пленку.
2. Для обеспечения высокой точности, долговечности и безотказной работы жидкость должна обладать антикоррозионными свойствами.
3. Рабочая жидкость должна обладать малой вязкостью и хорошими вязкостно-температурными свойствами в пределах определенного диапазона температур.
4. Жидкость должна быть чистой и однородной.
5. Рабочая жидкость должна иметь стабильный модуль упругости. Она не должна поглощать и выделять газы, особенно при больших перепадах давления.
ГЛАВА 3. Объемный гидропривод и его элементы
1. Назначение и классификация объемных гидроприводов.
Объемный гидропривод - совокупность объемных гидромашин, гидролиний (трубопроводов), гидроаппаратуры и вспомогательных устройств, предназначенная для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости.
К числу гидромашин относятся насосы и гидродвигатели, которых может быть несколько.
Гидроаппартура - это устройства управления гидроприводом, а также средства защиты его от чрезмерно высоких или низких давлений: дроссели, клапаны, гидрораспределители.
Вспомогательными устройствами служат так называемые кондиционеры рабочей жидкости: фильтры, теплообменники, гидробаки, гидроаккумуляторы.
Все элементы гидропривода связаны между собой гидролиниями.
По виду гидродвигателя гидроприводы различают: поступательного, поворотного и вращательного движений.
По виду управления гидроприводом различают на нерегулируемые, регулируемые с ручным управлением, регулируемые с автоматическим управлением и следящие.
Каждый гидропривод содержит источник энергии.
По виду источника энергии гидроприводы разделяют на три типа:
насосный гидропривод, в котором рабочая жидкость поступает гидродвигатель от объемного насоса;
аккумуляторный гидропривод; в котором жидкость поступает в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумулятора.
магистральный гидропривод, в котором рабочая жидкость поступает из магистрали от насосной станции для мелких потребителей.
Объемные гидроприводы обладают высоким быстродействием, незначительными размерами и массой. Высокий модуль упругости рабочей жидкости и герметичность гидроаппаратов обеспечивают механическую жесткость связи между ведущими и ведомыми звеньями. Исключение поломок в машинах и механизмах с объемным обеспечивается предохранительными клапанами.
Полный к.п.д. гидропривода сранительно высок и составляет в среднем от 80% до 85 %.
К.П.Д. объемного гидропривода:
,
где Н - к.п.д. насоса;
М - к.п.д. гидромотора или гидродвигателя;
Г - гидравлический к.п.д., учитывающий потери в гидролиниях. Он равен:
,
где p - потери давления в трубопроводе и гидроаппаратах.
2. Насосы и гидродвигатели.
2.1 Насосы
В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется вытеснением ее из рабочих камер вытеснителями.
Основной величиной, определяющей размер объемной гидромашины, является его рабочий объем V0 . Подача объемного насоса
Поскольку объемные насосы предназначены для создания больших давлений, приращением кинетической энергии жидкости в насосе обычно пренебрегают. Давление насоса представляет собой разность давлений на входе и выходе.
Полезная мощность насоса:
Мощность, потребляемая насосом от первичного двигателя.
Характеристикой объемных насосов называют зависимость давления насоса pН от подачи Q при постоянной частоте вращения вала: pН = f(Q).
Отличительной особенностью объемных насосов является жесткость их характеристики, т.е. независимость подачи от величины давления. Жесткость характеристики может привести к опасному повышению давления, например при закрытии задвижки в напорном трубопроводе. Поэтому объемные насосы обязательно оборудуются предохранительными клапанами, ограничивающими максимально допустимое давление pНmax.
|
Клапан может быть встроен в корпус насоса, или установливается отдельно. Пока давление насоса pН < pНmax Предохранительный клапан закрыт (участок AB). При превышении давления насоса pН pНmax предохранительный клапан открывается и часть жидкости сливается обратно в гидробак или во всасывающий трубопровод ( участок BC). |
Насосный агрегат с трубопроводами и оборудованием изображенный на схеме (рисунок 23) называют насосной станцией. Часто этот бло формируется и изготавливается как один агрегат.
|
Состав НС: Н - насос; ЭД - электродвигатель; ПК - предохранительный клапан; Ф - фильтр; ОК - обратный клапан; Б - гидробак; МН - манометр; ВМ - вакуумметр; ГПАК - гидропневмоаккумулятор. ВН - запорно регулирующее устройство. |
Регулирование объемного насоса (изменение характеристики насосной станции) может быть достигнуто следующими способами:
а) изменением частоты вращения насоса n;
б) изменением величины рабочего объема насоса V0.
в) изменением характеристики (путем изменения сопротивления) трубопроводной сети.
2.2 Гидромоторы
Гидромотор - это объемный гидродвигатель вращательного действия.
Также, как и насос, гидромотор характеризуется величиной рабочего объема V0.
Идеальный расход жидкости через гидромотор:
Действительный расход жидкости через гидромотор больше, потому что в отличие от насоса протечки жидкости через зазоры направлены в ту же сторону, что и основной поток.
или .
Частота вращения вала гидромотора
.
Падение давления в гидромоторе
,
где p1 - давление на входе;
p2 - давление на выходе.
Мощность, потребляемая гидромотором из потока:
К.П.Д. гидромотора:
,
где ГМ - гидромеханический кпд.
Момент на валу:
Полезная мощность гидромотора:
.
2.3 Гидроцилиндры.
Гидроцилиндр - это гидродвигатель, сообщающий выходному звену поступательное движение.
|
1- корпус; 2 - поршень; 3 - шток. |
Гидроцилиндр двухстороннего действия имеет цилиндрический корпус 1, поршень 2,шток 3, уплотнения.
Поршень и шток перемещаются разностью сил давления в нагнетательной и сливной полостях.
Скорость U0 перемещения поршня определяется величиной подачи жидкости Q в нагнетательную полость.
- при движении поршня вправо;
- при движении поршня влево.
Для перемещения поршня вправо необходимо левую полость гидроцилиндра соединить с насосом, а правую полость - с баком. Для движения поршня влево, наоборот, правую полость нужно соединить с насосом, а левую с баком.
Величина создаваемого гидроцилиндром усилия F равна
- при движении поршня вправо;
- при движении поршня влево.
3. Гидроаппаратура и вспомогательные элементы.
3.1 Распределительные устройства.
Распределительные устройства предназначены для распределения жидкости между узлами и элементами гидропривода. Их разделяют на крановые, золотниковые и клапанные. Наибольшее распространение получили золотниковые распределительные устройства.
|
1 - золотник (плунжер с проточками); 2 - корпус; 3 - рукоятка. |
За счет смещения рукоятки можно изменять направление движения гидродвигателя.
3.2 Дроссельные устройства.
Дроссельные устройства применяются для ограничения и ррегулирования расхода жидкости и представляют собой гидравлические сопротивления. Различают нерегулируемые и регулируемые дроссели.
В дросселе происходит падение давления , определяемое из правил истечения через отверстие
;
где - коэффициент расхода;
S - площадь проходного сечения.
3.3 Клапаны
При помощи клапанов предохраняют узлы гидропривода от перегрузок, устанавливают вполне определенную последовательность работы узлов гидропривода, создают определенное направление потока жидкости, устанавливают и поддерживают заданное давление.
В связи с большим разнообразием видов клапаны разделяют по назначению, принципу работы и конструкции.
По назначению клапаны разделяют на: обратные, предохранительные и редукционные.
Обратные клапаны предназначены для пропуска жидкости только в одном направлении.
|
При изменении направления движения жидкости в трубопроводе обратный клапан закрывается. |
Предохранительные клапаны предназначены для защиты гидросистемы от чрезмерных давлений.
При превышении давления в магистральном трубопроводе p>pmax предохранительный клапан открывается и пропускает жидкость помимо гидросистемы на слив в бак. Величина pmax регулируется путем установки предварительной затяжки пружины.
Редукционный клан предназначен для уменьшения давления в гидромашине до значения, на которое он установлен.
3.4 Трубопроводы и соединения
3.5 Вспомогательные устройства
Вспомогательные устройства это кондиционеры рабочей жидкости: фильтры, охладители или нагреватели, гидропневмоаккумуляторы.
4. Гидропривод возвратно-поступательного действия.
5. Гидропривод вращательного действия