Шпаргалки к экзаменам и зачётам

студентам и школьникам

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Шпаргалки по дисциплине гидропневмопривод (часть 1)

Пневматические исполнительные устройства. Пневмоцилиндры, роторные и турбинные пневмодвигатели.

Пневматическим устройством - называют устройство, в котором в качестве рабочего тела используется сжатый газ, физи­ческие свойства газа проявляются в виде давления на поверхность твердых звеньев устройства или в виде аэродинамических эффектов.

Пневмопривод представляет собой систему взаимосвя­занных пневмоустройств, предназначенных для приведения в дви­жение рабочих органов машин или рабочих звеньев механизмов. Пневмоустройства в приводах могут быть связаны между собой пневматическими линиями (трубопроводами) и механизмами (шарнирно-рычажными, зубчатыми, кулачковыми и т. д.).

Исполнительные устройства предназначены для преоб­разования энергии сжатого воздуха в энергию движения рабочих органов машины.

Пневмодвигатель (от греч.pnéuma — дуновение, воздух), пневматический двигатель, пневмомотор — энергосиловая машина, преобразующая энергию сжатого воздуха в механическую работу.

Роторный пневмодвигатель.

clip_image002[4]

Вращательное движение (поворот на угол больше 360°) может быть выполнено различными моторами. Пневмомоторы бывают пластинчатого, шестеренного, радиально-и  аксиально- поршневого типа.

Пневмомотор пластинчатого типа состоит (рис. 5.15, а) из эксцентрично расположенных статора / и ротора 2. В продоль­ных пазах ротора перемещается несколько пластин 3. Статор с торцов закрывают крышками, в которых имеются отверстия для впуска и выхлопа воздуха. Участок ВВ' статора является впускным, а участок СС—выхлопным. При движении от точ­ки А по направлению к впускному участку статора пластина а преодолевает сопротивление сжатого воздуха.

В машиностроении при автоматизации чаще применяют в качестве пневмодвигателей пневматические цилиндры (пневмоцилиндры). Конструкция поршневых пневмоцилиндров аналогична конструкции гидравлических цилиндров. Отличие за­ключается в том, что внутренние поверхности пневмоцилиндра должны иметь покрытия, предохраняющие пневмоцилиндр от коррозии. Крышки цилиндров изготавливают из алюминия, а гильзу и шток из стали с упрочняющими поверхность анти­коррозийными покрытиями.

Мембранные пневмоцилиндры применяют в зажимных, фик­сирующих, переключающих и тормозных устройствах станков, прессов, в сварочных и других машинах. Преимуществом мем­бранных пневмоцилиндров является простота изготовления, не­чувствительность к чистоте сжатого воздуха и окружающей среды и подаче смазочного материала.

clip_image004[4]

По принципу действия обычно различают объёмные и турбинные пневмодвигатели.
По направлению движения — линейные (поршневые, баллонные, мембранные и другие) и поворотные (поршневые и лопастные).

В объёмных пневмодвигателях механическая работа совершается в результате расширения сжатого воздуха в цилиндрах поршневой машины, в турбинных — в результате воздействия потока воздуха на лопатки турбины (в первом случае используется потенциальная энергия сжатого воздуха, во втором — кинетическая энергия).

Наибольшее распространение получили объёмные пневмодвигатели (поршневые, ротационные и камерные (баллонные)).

Пневмодвигатель применяются для привода различных инструментов (дрелей, гайковёртов, отбойных молотков, шлифовальных головок), обеспечивая безопасность работы во взрывоопасных местах (со скоплением газа, угольной пыли), в среде с повышенным содержанием влаги.


Основные элементы и схемы пневмоприводов.

Пневматический привод- совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством энергии сжатого воздуха. Обязательными элементами пневмопривода являются компрессор (генератор пневматической энергии) и пневмодвигатель.

Пневмопривод, подобно гидроприводу, представляет собой своего рода «пневматическую вставку» между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача, кривошипно-шатунный механизм

Основное назначение пневмопривода, как и механической передачи, — преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.).

В общих чертах, передача энергии в пневмоприводе происходит следующим образом:

  1. Приводной двигатель передаёт вращающий момент на вал компрессора, который сообщает энергию рабочему газу.
  2. Рабочий газ после специальной подготовки по пневмолиниям через регулирующую аппаратуру поступает впневмодвигатель, где пневматическая энергия преобразуется в механическую.
  3. После этого рабочий газ выбрасывается в окружающую среду, в отличие от гидропривода, в котором рабочая жидкость по гидролиниям возвращается либо в гидробак, либо непосредственно к насосу.

В зависимости от характера движения выходного звена пневмодвигателя (вала пневмомотора или штока пневмоцилиндра), и соответственно, характера движения рабочего органа пневмопривод может быть вращательным или поступательным. Пневмоприводы с поступательным движением получили наибольшее распространение в технике.

Типовая схема пневмопривода

clip_image005[4]clip_image007[4]

Типовая схема пневмопривода: 1 — воздухозаборник; 2 — фильтр; 3 — компрессор; 4 — теплообменник (холодильник); 5 — влагоотделитель; 6 — воздухосборник (ресивер); 7 — предохранительный клапан; 8- Дроссель; 9 — маслораспылитель; 10 — редукционный клапан; 11 — дроссель; 12 — распределитель; 13 пневмомотор; М — манометр.

Воздух в пневмосистему поступает через воздухозаборник.

Фильтр осуществляет очистку воздуха в целях предупреждения повреждения элементов привода и уменьшения их износа.Компрессор осуществляет сжатие воздуха.

Поскольку, согласно закону Шарля, сжатый в компрессоре воздух имеет высокую температуру, то перед подачей воздуха потребителям (как правило, пневмодвигателям) воздух охлаждают в теплообменнике (в холодильнике).Чтобы предотвратить обледениение пневмодвигателей вследствие расширения в них воздуха, а также для уменьшения корозии деталей, в пневмосистеме устанавливают влагоотделитель.Воздухосборник служит для создания запаса сжатого воздуха, а также для сглаживания пульсаций давления в пневмосистеме. Эти пульсации обусловлены принципом работы объёмных компрессоров (например, поршневых), подающих воздух в систему порциями.Вмаслораспылителе в сжатый воздух добавляется смазка, благодаря чему уменьшается трение между подвижными деталями пневмопривода и предотвращает их заклинивание.

В пневмоприводе обязательно устанавливается редукционный клапан, обеспечивающий подачу к пневмодвигателям сжатого воздуха при постоянном давлении.

Распределитель управляет движением выходных звеньев пневмодвигателя.

В пневмодвигателе (пневмомоторе или пневмоцилиндре) энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию.


 Пневматические распределительные устройства.

clip_image009[4]

Обратные пневмоклапаны предназначены для пропускания сжатого воздуха только в одном направлении (рис. 5.25). Кла­пан 3 находится в корпусе 2 и в свободном состоянии прижи­мается пружиной 4 к седлу (проход от отверстия 5 к отверстию 1 закрыт)1. При подаче воздуха в отверстие / клапан 3 отодвигается от седла, открывая проход к отверг стию 5 

Клапан быстрого выхлопа (рис. 5.20) служит для повышения быстро­действия пневмоприводов путем умень­шения сопротивления выхлопной ли­нии. Применение такого клапана(рис. 5 26, в) обеспечивает увеличение скорости втягивания штока пневмоцилнндра / пол действием пружины. При вклю­чении иневморасиределителя 5 сжатый воздух проходит через клапан быстрого выхлопа .7, который пропускает его в поршне­вую полость цилиндра ло трубопроводу 2% обеспечивая пере­мещение поршня влево.

При выключении пневмсраспределителя 5 давление в тру­бопроводе 4 падает, клапан быстрого выхлопа переключается, обеспечивая выпуск позлуха из полости пневмоцилнндра в ат­мосферу, минуя трубопровод 4 к иисвмораспредслигель 5.

На рис. 5.26,а показанаrxewa клапана быстрого выхлопа. Отверстие 2 клапана присоединяется к полости цилиндра. Ока- тый воздух от распределителя подводится к отверстию /. От­верстие 3 соединяется с атмосферой. На рис. 5.26, о показано положение клапана быстрого выхлопа при наполнении полости пневмоцилнндра сжатым воздухом. На рис. 5.26,6 показано положение клапана при быстром опорожнении этой же полости цалмндра.

Пневмоклаланы последовательности предназначены для кон­троля рабочего цикла по давлению (разности давлений) в пневматических системах управления путем подачи пневмати­ческого сигнала при возрастании контролируемого давления (разности давлений) до заданной величины. Такие клапаны применяют также для переключения пневматически управляе­мых узлов в системах, когда нельзя использовать конечные вы­ключатели (например при переменной длине хода поршня).

clip_image011[4]clip_image013[4]

На рис. 5.27 приведена конструкция активного клапана последователь­ности. Чтобы избежать ложного сигнала до нача­ла и при движении порш- Ца ня цилиндра, предусмо- 3}- трен дифференциальный поршень 2, полости кото­рого сообщаются с напор­ной (отверстие Цп) и вы­хлопной (отверстие Цй) полостями цилиндра. Так как до начала движения и при движении поршня цилиндра разность дав- лений в его полостях меньше, чем после окон­чания хода, дифферен­циальный поршень 2 на- Рис. 5.27. Пнсвмоклапап последовательности дежно удерживается в

верхнем положении пру­жиной 3, настраиваемой винтом 5, и давлением в выхлопной полости, действующим на большую площадь поршня 2.

После прохода поршня цилиндра в крайнее положение и его останова давление в напорной полости становится равным дав­лению в магистрали, а в выхлопной полости — атмосферному. Вследствие этого поршень 2, преодолевая действие пружины 3> перемещается вниз и через толкатель 4 перемешает клапан У, тем самым соединяя его выход 0 с каналом питания П. На вы­ходе образуется пневматический сигнал, который может исполь­зоваться для реверса этого пневмоцилиндра или управления пяГттпй ппугих элементов схемы.


Пневмоаппараты

Пневмоаппараты предназначены для управления давлением и расходом воздуха Взависимости от назначения они подразделяются на следующие категории

1)            распределители информационные (входные) устройства, логико-вычислительные устройства и усилители мощности.

2)            обратные клапаны.

3)            регуляторы расхода,

4)            клапаны давления

5)            запорные вентили

Распределитель управляет процессом прохождения пневматического сигнала давления или расхода воздуха Он запирает, открывает или изменяет направление движения сжатого воздуха

Распределители различаются

6)            по числу присоединенных линий 2-линейные. линейные. 4-линейные и т д.

7)            по числу позиций переключения 2 позиционные 3 позиционные и т д

8)            по способу приведения в движение с мускульным управлением с механическим управлением с пневматическим управлением с электрическим управлением

9)            по способу возврата в исходное положение с пружинным возвратом, с возвратом при помощи давления

Например входные устройства могут управляться с помощью роликового рычага для того, чтобы опрашивать положение штока поршня

clip_image015[4]

Рис 23-распределитель с роликовым рычагом,3/2-распределитель с ломающиися роликовым рычагом

В качестве  логию-вычислительного устройства распределитель используется например для выключения или выключения  выходного сигнала, которое осуществляется под действием входного сигнала

clip_image017[4]

 

рис 2 5 Пневматический 5G-распределитель с двусторонний пневматическим и вспомогательным ручным управлением

Обратный клапан

Обратный клапан обеспечивает прохождение воздуха только в одном направлении Этот принцип находит применение, например, в клапанах быстрого выхлопа или логических элементах 'ИЛИ" Обратный клапан как базовый элемент используется и в других типах клапанов, которые представлены на рис 2 6

clip_image019[4]

Рис 2 6 Обратный клапан и другие «клапаныпостроенные но его бах

Регуляторы расхода

Регулятор расхода или дроссель запирает или дросселирует лото* и тем самым управляет расходом сжатого воздуха В идеальном случае можно регулировать дроссель бесступенчато от полного открытия до полного закрытия Дроссель должен устанавливаться по возможности в непосредственной близости от исполнительного устройства и регулироваться по мере необходимости в ходе эксплуатации Если параллельно с дросселем включить обратный клапан, тогда в одном из на­правлений будет ограничиваться расход воздуха а в противоположном направлении расход будет максимальным

clip_image021[4]

 

clip_image023[4]

Рис 2 9 Клапан выдержки времени

В зависимости от настройки дроссельного винта в емкость поступает больший или меньший расход воздуха После достижения необходимого давления срабатывания ^-распределитель включается на проход воздуха Он остается в этом положении до тех пор. пока действует сигнал управления К другим модулям в состав которых входит несколько клапанов относятся, например

10)          устройства управления с двумя входами,

11)          эадатчики тактов.

12)          тактовые цепочки.

13)          устройства памяти


 Пневмоприводы транспортно - технологических машин.

Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов при изготовлении деталей имеет целью повышение качества, производительности, коэффициента загрузки оборудования, улучшения условий труда, экономических показателей производства.

Для сокращения вспомогательного времени при механической обработке деталей на металлорежущих станках автоматизации подвергают такие операции, как установка, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, смена и замена инструментов, контроль деталей на станке, транспортирование и подача в рабочую зону обрабатываемых заготовок, очистка металлорежущего инструмента от стружки и ее удаления от станка и т.д. Для этих целей широкое применение в технических системах находят гидравлические и пневматические приводы.

Гидропривод обладает малой инерционностью подвижных частей, что обеспечивает его высокое быстродействие и позволяет быстро реверсировать и тормозить исполнительное устройство. Гидропривод имеет в 3-10 раз меньшую массу и габаритные размеры, чем электропривод. Он обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения, долговечен, конструкция устройств, предотвращающих его поломку при перегрузке, проста и надежна. Гидропривод позволяет легко обеспечивать автоматизацию циклов движений. КПД гидродвигателей находится в пределах 85-95 %, что выше, чем у электрических машин.

В станках с ЧПУ гидроприводы применяют чаще всего в движениях подач и как следящие приводы. В цепях главного движения они применяются главным образом в станках с возвратно-поступательным движением. В станках с ЧПУ обычно применяются две схемы питания гидродвигателей: объемное (от гидронасоса с регулируемой производительностью) и дроссельное (посредством золотника). Диапазон регулирования величин подач в станках с ЧПУ должен перекрывать как рабочие подачи, так и быстрые перемещения. Он достигает 10000 мм/мин и выше. Необходимо обеспечивать высокую точность и плавность перемещений при малых рабочих подачах (1-4 мм/мин). В зависимости от системы управления приводы подач бывают дискретными (шаговыми) и следящими. Шаговый привод подачи применяется в разомкнутых (без обратной связи) системах управления. В шаговых приводах применяются шаговые электродвигатели (ШД), которые бывают маломощными (управляющими) и силовыми. В приводах с маломощными ШД в качестве усилителей крутящего момента обычно применяют гидравлические усилители. При этом крутящий момент гидромотора может превышать крутящий момент шагового двигателя до 300 раз.

Для удаления стружки от станков обычно применяют комбинации различных типов устройств. Так, например, стружка из каждого станка смывается сильной струей СОЖ и поступает в общий желоб, по которому движется в сборник. В сборнике СОЖ отделяется от стружки и подается насосом обратно к станкам. Для уборки стружки также применяются пневматические устройства, которые бывают с нагнетательной, всасывающей и всасывающе- нагнетательной системами.


Средства пневмоавтоматики. Струйные системы пневмоавтоматики.

Наряду с силовыми пневмоустройствами в промышленности все чаще используют устройства пневмоавтоматики. Они применяются прежде всего в машинах, в состав которых входят только силовые пневмоустройства, чтобы избежать применения энергии разных видов.

Для питания пневмосистем управления от заводской сети исполь­зуют три уровня давления сжатого воздуха:

14)          высокое давление (4—10 кгс/см2);

15)          среднее давление (1—4 кгс/см2);

16)          низкое давление (до 1 кгс/см2)-. В соответствии с этим устрой­ства пневмоавтоматики делят на три группы.

Аппаратуру, работающую при давлении заводской сети (первая группа устройств), обычно применяют в системах малой сложности (распределители и клапаны обычного типа [46, 88 J). Преимущество этой аппаратуры состоит в том, что для ее использования нет необ­ходимости устанавливать специальные устройства для подготовки воздуха и снижения его давления, а также усиливать выходные сиг­налы.

В связи с усложнением функций автоматизированных систем управления все более используется аппаратура второй группы (элементы мембранной техники). Ко второй группе относятся устрой­ства УСЭППА, ПЭРА, «Янтарь» и другие мембранные устройства 19, 19, 59, 891. Они отличаются высокой надежностью и все шире внедряются в различные области народного хозяйства благодаря сравнительно небольшим габаритам и большим скоростям срабаты­вания, чем у устройств первой группы. Еще большей компактностью и быстродействием отличаются устройства третьей группы (струй­ные элементы), применяемые при низком давлении воздуха (около 200 мм вод.ст.). К ним относятся элементы «Волга», турбулентные усилители, элементы СМСТ-2 [30,32,57,731 и другие.

В настоящее время системы строят не из отдельных элементов, а из типовых универсальных или специализированных блоков, при этом значительно сокращается время на проектирование и упро­щается эксплуатация систем. Так, например. Институтом проблем управления (автоматики и телемеханики) и заводом «Тизприбор» разработана пневматическая агрегатно-модульная система средств

К струнным относятся элементы, изготовленные по типу турбу­лентного усилителя, а также элементы, в которых используется прилипание струи к стенке (эффект Коанда). За рубежом выпускаются струйные элементы многих типов. Пневматическая агрегатно-мо- дульная система «Цикл» включает как струйные, так и мембранные элементы. Блоки этой системы составлены из логических струйных модулей, работающих в пассивном режиме, и из активных мембран­ных усилителей, повышающих уровень пневматических сигналов (по давлению и мощности) и выполняющих при этом так же, как и струйные модули, логические операции. Блоки выполнены в виде печатных плат. Вопрос о том, какие элементы использовать, решается в каждом конкретном случае отдельно [9, 19]. Струйные элементы имеют большую скорость срабатывания, чем другие элементы, но при применении мембранных усилителей в системах машинострое­ния их скорость снижается. Так как при задании диаграммы последо­вательных действий исполнительных устройств их число известно, а следовательно, известно и число распределителей, то структурный синтез привода сводится к синтезу логических устройств управле­ния (к выбору их числа и схемы соединения). Поэтому целесообразно из всего комплекса управляющих устройств привода выделить логи­ческую часть (элементы, выполняющие логические операции, и эле­менты памяти), или систему управления.


Логико-вычислительные элементы (Процессоры)

Для логической обработки выходного сигнала информационных элементов используются различные релейные элементы например

17)          логический "И"- элемент,

18)          логический *ИЛИ* элемент

Логический элемент "ИЛИ* может реализовать "ИЛИ"-функцию двух входных сигналов "ИЛИ' элемент имеет два входа и один выход Выходной сигнал появляется тогда и только тогда когда имеется давление хотя бы на одном входе

clip_image025[4]

 

Дальнейшее развитие пневматических процессоров, осуществляющих обработку информации идет по пути создания модульных систем, которые объединяот в одном 6ло«е распределители и логические элементы Это уменьшает размеры стоимость и затраты на монтаж

 

clip_image027[4]


 


Общие сведения о гидродинамических передачах

Гидропередача − это устройство для передачи механической энергии посредством потока жидкости. В состав гидропередачи входят насос, гидравлический двигатель и соединительные трубопроводы с рабочей жидкостью. Гидропередачи, использующие динамические гидромашины, называются гидродинамическими.

В гидродинамических передачах применяют лопастные насосы и, в качестве гидравлических двигателей, лопастные турбины. В реальных конструкциях лопастный насос и гидравлическая турбина предельно сближены и располагаются соосно в общем корпусе. Так как эти две гидромашины имеют общий корпус, то в дальнейшем насос будем называть насосным колесом, а турбину − турбинным колесом. В такой конструкции отсутствуют трубопроводы, поэтому жидкость из насосного колеса сразу попадает на лопатки турбинного колеса, а из турбинного − вновь на лопатки насосного колеса.

Гидродинамические передачи, применяемые в машиностроении, подразделяют на гидравлические муфты(гидромуфты) и гидравлические трансформаторы(гидротрансформаторы).

Гидромуфты, состоящие из насосного и турбинного колес, служат для передачи энергии без изменения крутящего момента, т. е. моменты на входном и выходном валах гидромуфты практически одинаковы.

Гидротрансформаторы, кроме насосного и турбинного колес, имеют хотя бы одно дополнительное колесо. Оно на большинстве режимов работы неподвижно, т.е. является неактивным (реактивным), и поэтому его принято называть реактором. Включение в состав гидротрансформатора реактора позволяет ему изменять (трансформировать) передаваемый крутящий момент. Таким образом, моменты на входном и выходном валах гидротрансформатора на большинстве режимов работы различны.

Комплексным называют гидротрансформатор, который в широком диапазоне изменения своих передаточных отношений работает как гидротрансформатор, а при больших значениях передаточных отношений переходит в режим гидромуфты и работает как гидромуфта. Это позволяет существенно повысить его коэффициент полезного действия.


Принцип действия обьемных и динамических машин. Основные параметры: подача(расход), напор, мощность, К.П.Д

Все гидромашины по принципу действия делятся на два основных типа: динамические и объемные.

Динамическая гидромашина– это гидромашина, в которой силовое взаимодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в проточной полости, постоянно сообщенной с входом и выходом гидромашины.

Объемная гидромашина– это гидромашина, в которой силовое взаимодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в герметичной рабочей камере, попеременно сообщающейся с входом и выходом гидромашины.

Динамическую гидромашину также называют «проточной», так как в ней внутренняя полость всегда сообщена как с ее входом, так и с выходом, а объемную – «герметичной», потому что в ней герметичная рабочая камера может быть подключена либо только к входу гидромашины, либо только к ее выходу. Это значит, что в объемной гидромашине вход и выход всегда герметично отделены друг от друга.

Для рабочего процесса динамической гидромашины характерны большие скорости движения ее рабочих органов и рабочей жидкости, а рабочий процесс объемной гидромашины заключается в силовом взаимодействии рабочей жидкости и вытеснителя гидромашины. Большие скорости движения жидкости и рабочих органов объемной гидромашины при этом в принципе не обязательны, так как основную роль в рабочем процессе играет давление, которое создается в результате действия больших сил на малые площади.

Напор насосаclip_image029[6] – это приращение полной удельной механической энергии жидкости в насосе, т. е.

clip_image031[4],              (2.1)

где индекс 1 характеризует параметр потока на входе в насос (в области всасывания), а индекс 2 – параметр на выходе насоса.

Для существующих конструкций насосов разность высот clip_image033[4] расположения центров тяжести входного и выходного проходных сечений ничтожно мала и ею в расчетах пренебрегают.

Разность скоростных напоров (третье слагаемое в формуле (2.1)) может иметь существенное значение только в низконапорных насосах при условии, что в их конструкции площади входного и выходного проходных сечений отличаются по величине.

Для подавляющего большинства насосов основной величиной, определяющей значение напора насоса, является разность пьезометрических высот (второе слагаемое в формуле (2.1)). Очень часто разность давлений на выходе и входе насоса называют давлением, создаваемым насосом, или просто давлением насоса clip_image035[6], величину которого, с учетом вышесказанного, можно принять равной

clip_image037[4].                            (2.2)

Следует обратить внимание на то, что в паспорте насоса приводятся либо напор насоса clip_image029[7], либо давление, создаваемое насосом clip_image035[7]. При необходимости получить другой параметр следует воспользоваться формулой (2.2).

Подача насосаclip_image041[4] – объем жидкости, подаваемый насосом в напорный трубопровод в единицу времени.

clip_image043[4]

Мощность насосаN– это мощность, потребляемая насосом от привода. При известных моменте MН на валу насоса и угловой скорости вращения ω этого вала мощность насоса равна

N = MНω.                                      (2.4)

Полезная мощность насоса NП – это мощность, сообщаемая насосом потоку жидкости. Полезная мощность насоса определяется по формуле:

clip_image045[4].                         (2.5)

Коэффициент полезного действия насоса clip_image047[4] – это отношение полезной мощности, развиваемой насосом, к потребляемой:

clip_image049[4].                           (2.6)

Напор, потребляемый гидродвигателемclip_image051[6] – это полная удельная механическая энергия, отбираемая гидродвигателем у потока рабочей жидкости, то есть

clip_image053[4],              (2.7)

где индекс 1 характеризует параметр потока на входе в гидродвигатель, а индекс 2 – параметр на выходе из гидродвигателя.

Для подавляющего большинства гидродвигателей основной величиной, определяющей значение напора clip_image051[7], потребляемого гидродвигателем, является разность пьезометрических высот (второе слагаемое в формуле (2.7)).

Очень часто разность давлений на входе и выходе гидродвигателя называют давлением, потребляемым гидродвигателем, или перепадом давления на гидродвигателе clip_image055[6], величину которого можно рассчитать по формуле:

clip_image057[4].                          (2.8)

Иногда, при гидравлическом расчете трубопровода, содержащего гидродвигатель, величина перепада давления clip_image055[7] на гидродвигателе называется также потерей давления в гидродвигателе.

Расход, потребляемый гидродвигателемclip_image059[4] – объем жидкости, потребляемый гидродвигателем из напорного трубопровода в единицу времени.

Мощность гидродвигателяN– это мощность, потребляемая гидродвигателем у потока рабочей жидкости, проходящего через него.

Мощность гидродвигателя определяется по формуле:

clip_image061[4].                        (2.9)

Полезная мощность гидродвигателяclip_image063[4] – это мощность, развиваемая на валу гидродвигателя. При известных моменте clip_image065[4] сопротивления вращению вала гидродвигателя и угловой скорости вращения ω = 2πnэтого вала полезная мощность определяется по формуле:

clip_image067[4].                                  (2.10)

Коэффициент полезного действия гидродвигателя clip_image069[4] – это отношение полезной мощности, развиваемой гидродвигателем, к потребляемой им мощности:

clip_image071[4].               (2.11)

 


Принцип действия гидропередач. Баланс мощности в гидромашинах.

Гидравлические передачи в зависимости от принципа работы подразделяются на гидростатические и гидродинамические.

Гидростатические передачи работают на использовании принципа вытеснения или замещения небольших объемов жидкости при больших рабочих давлениях. В этих передачах скорость движения жидкости сравнительно невелика (не превышает 10 м/с), поэтому в них величина потенциальной энергии (энергии статического давления) значительно больше, чем величина кинетической энергии (энергии скоростного напора), что показано на рис. 15.1.

Гидростатические передачи применяются на ряде отечественных тепловозов в качестве привода вентилятора холодильника. Создать такие передачи большой мощности в настоящее время невозможно из-за технологических и конструктивных трудностей, связанных с обеспечением больших давлений при длительной эксплуатации, а также с изготовлением надежных гибких соединений трубопроводов, рассчитанных на высокие давления.

Гидродинамические передачи основаны на принципе использования кинетической энергии потока жидкости, циркулирующей по замкнутому контуру. Эти передачи получили преимущественно

Конструктивно гидравлические передачи состоят из ряда узлов, основными из которых являются гидравлическая муфта и гидравлический трансформатор. Технические характеристики этих гидравлических элементов определяют все показатели и свойства гидравлической передачи.

 

Центробежный насос

Центробежный насос является самым распространенным видом лопастных насосов. В лопастных насосах жидкая среда перемещается благодаря силовому воздействию на нее системы лопастей, подобных крылу самолета.

Проточная часть центробежного насоса с осевым подводом и спиральным отводом изображена на рис. 2.1 и 2.2. Энергосообщитель центробежного насоса – рабочее колесо (9) – представляет собой конструкцию, состоящую из нескольких

clip_image073[4]

Рис. 2.1. Схема центробежного насоса

 

clip_image075[4]

Рис. 2.2. Устройство центробежного насоса

лопастей, расположенных центрально симметрично в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Лопасти спроектированы (точнее – спрофилированы) таким образом, чтобы при вращении рабочего колеса возникали силы, противодействующие этому движению. Тогда лопастная машина будет работать либо в режиме гидравлического тормоза, если подводимая механическая энергия будет рассеиваться, переходя в тепло, либо в режиме насоса, если подводимая механическая энергия будет переходить в потенциальную и кинетическую энергию жидкой среды. Лопасти (или лопатки) либо ограничены цилиндрическими поверхностями с образующими перпендикулярными задней и передней стенками, либо поверхностями двоякой кривизны. Рабочее колесо называют иногда лопастным колесом, лопаточным колесом, крыльчаткой.

Задачей входного устройства является подвод жидкости к рабочему колесу с наименьшими потерями. Входные устройства могут быть различного вида: осевыми, коленообразными, полуспиральными, лопаточными и т.д.

Задачей отводящего устройства является сбор выходящей из рабочего колеса жидкости и частичное преобразование кинетической энергии в потенциальную. Кроме спирального отвода, применяют кольцевые и лопаточные отводящие устройства. Вследствие особенностей кинематики потока в спиральных и кольцевых отводах течение жидкой среды в них сопровождается существенными потерями. Поэтому для повышения эффективности центробежного насоса за спиральным отводом устанавливают диффузор, в котором происходит основное преобразование кинетической энергии потока в потенциальную.

 


Характеристика центробежного насоса.

Характеристика центробежного насоса, т.е. графическая зависимость напора, мощности и КПД от подачи при постоянных значениях частоты вращения, вязкости и плотности жидкой среды на входе в насос, представлена на рис. 2.3. Напорная характеристика H = H(Q) и мощностная характеристика N = N(Q) являются независимыми; кривая КПД η = η(Q) определяется первыми двумя.

clip_image077[4]

 

Рис. 2.3. Характеристики центробежного насоса

Анализ устройства и принципа действия центробежного насоса показал, что эта машина будет иметь достаточную эффективность при условии быстроходного привода. Центробежные насосы применяются в водоснабжении, в энергетике, в системах топливоподачи, в различных технологических процессах. Они перекачивают различные жидкие среды: от жидкого водорода до расплавленного металла. Диапазон подач колеблется от 10 см3/c до 10 м3/c , давление – от 104Н/м2 (0,1 кг / см2 ) до 5 107 Н/м2 (500 кг / см2 ), частота вращения достигает 100000 об/мин и более.


Лопастные гидравлические машины  и гидродинамические передачи

Различные виды лопастных гидромашин, их назначение. Основные параметры лопастных гидромашин, Классификация лопастных гидромашин по принципу действия, Основные конструктивные схемы гидротурбин, насосов и насос-турбин. Элементы проточной части лопастных гидромашин (центробежного насоса, реактивной гидротурбины, насос-турбины, гидромуфты и гидротрасформатора), их назначение. Понятие о рабочем и теоретическом напоре, гидравлическом КПД гидротурбины и насоса. Виды потерь энергии лопастных гидромашин, их общий КПД.

Основные условия подобия в лопастных гидромашинах. Связь между основными параметрами подобных гидромашин. Приведенные величины, коэффициент быстроходности, Классификация лопастных гидромашин по быстроходности и области их применения. Физическая сущность кавитации, ее последствия. Высота всасывания насоса и гидротурбины. Меры защиты от кавитации. Основные методы расчета рабочих органов лопастных гидромашин. Абсолютное и относительное движение жидкости в рабочем колесе. Треугольник скоростей. Уравнение Эйлера лопастной гидромашины (для насоса и гидротурбины). Рабочие и универсальные характеристики гидротурбины, насоса и насос-турбины. Способы регулирования лопастных гидромашин. Моментные характеристики лопастных гидромашин. Совместная работа насоса и сети.

Классификация гидродинамических передач. Основы рабочего процесса, баланс моментов, баланс напоров. Виды потерь; внешняя, универсальная и тяговая характеристики гидромуфт. Приведенные параметры и приведенная характеристика, ее связь с типом лопастной системы. Способы управления гидромуфтой, предельные гидромуфты со статическим и динамическим самоопорожнением. Влияние типа нагрузки на вид внешней характеристики и на потери; тепловой баланс. Расчет гидромуфты на основе моделирования с использованием приведенных характеристик. Особенности рабочего процесса гидротрансформатора, схемы проточной части. Внешняя и приведенная характеристики.

Типы гидротрансформаторов, конструктивные схемы (комплексных, многоколесных и многоступенчатых). Системы питания и охлаждения, тепловой баланс. Способы управления гидротрансформаторами. Согласование работы двигателя и гидротрансформатора. Методы расчета лопастных систем. Основы расчета характеристик гидротрансформатора.

1. КОЭФФИЦИЕНТ БЫСТРОХОДНОСТИ ТИХОХОДНЫХ

Большое значение приобретают перспективные научно-исследовательские работы по созданию научного задела для дальнейшего прогресса насосостроения. Здесь к основным направлениям научно-исследовательских работ относится создание высокопроизводительного, надежного насосного оборудования для транспортировки нефти.

На практике при выборе лопастного насоса широко используется размерный коэффициент быстроходности

clip_image079[4](1)

где n – частота вращения рабочего колеса, об/мин; Q – оптимальная подача, Н – напор, развиваемый центробежным насосом.

Коэффициент быстроходности ns (или удельной коэффициент быстроходности) является универсальным параметром, критерием подобия. Это означает, что если два насоса имеют различные значения n, Q и H, но одно и то же значение ns, то они называются подобными.

Конструкция рабочего колеса в значительной степени зависит от ns. В зависимости от его значения рабочие колеса лопастного насоса условно разделяют на пять основных типов:

clip_image081[4]

При увеличении ns, как правило, наружный диаметр рабочего колеса d2 уменьшается.

Величина ns характеризует данный тип насоса и облегчает выбор типа насоса для определения подачи Q, при заданном напоре Н. Наивысший КПД имеют центробежные насосы с ns = 90…300. Таким образом, выбор ns (удельной быстроходности) диктуется экономическими соображениями и стремлением получить высокий КПД и малые габариты насоса при допустимой высоте всасывания.

                        1.1.

Перевод коэффициента быстроходности ns в систему СИ

Если центробежный насос подаёт Qs м3/сек жидкости, то при Н =1м полезная мощность будет:

 

 

clip_image083[4]

Зависимость (5) записана для воды в системе СИ.

                        1.2.


Основные сведения об осевых насосах.

Осевые насосы типа 0В (ОПВ) предназначены для перекачивания воды с температурой до +35°С, содержанием взвешенных частиц максимальной массовой концентрацией 0,3%, размером не более 0,06%. Применяются для циркуляционного водоснабжения тепловых и атомных электростанций, в оросительных системах и других отраслях народного хозяйства.

    Отличительной особенностью осевых насосов является - конструкция и функционирование рабочего колеса. Оно состоит из втулки, на которой укреплено несколько лопастей, представляющих собой удобообтекаемое изогнутое крыло с закрученной передней набегающей на поток кромкой. При перемещении профиля лопасти, вызываемого вращением рабочего колеса, в жидкости, за счет изменения скорости её течения вдоль нижней и верхней поверхности профиля, давление над профилем должно повыситься, а под профилем - понизиться. Благодаря этому создается напор насоса.

     Рабочее колесо насоса вращается в трубчатой камере, в результате чего основная масса потока в пределах колеса движется в осевом направлении, что и определило название насоса.

     Двигаясь поступательно, перекачиваемая жидкость одновременно несколько закручивается рабочим колесом. Для устранения вращательного движения жидкости служит выправляющий аппарат, через который она проходит перед выходом в коленчатый отвод, соединяемый с напорным трубопроводом. Жидкость подводится к рабочим колёсам небольших осевых насосов с помощью конических патрубков. У крупных насосов для этой цели служат камеры и изогнутые всасывающие трубы относительно сложной формы.

     Осевые насосы конструктивно подразделяются на насосы типа ОП (ось лопасти располагается перпендикулярно оси насоса) и диагональные типа БД (с диагональным расположением оси лопасти по отношению к оси насоса).

     Осевые насосы типа 0В изготовляются двух типов:

     0В - осевой вертикальный насос с жестко закрепленными лопастями рабочего колеса - осевое положение;

     ОПВ - осевой вертикальный насос с приводом поворота лопастей рабочего колеса.

     Осевые насосы имеют высокий КПД - 90% и выше, а наличие системы регулирования угла поворота лопастей позволяет поддерживать высокий КПД в широком диапазоне изменения рабочих параметров.

     В обозначении типоразмера насоса цифра после букв - модель рабочего колеса (2,5,10,11,16); следующая цифра - диаметр рабочего колеса в см; после цифр указывается модификация исполнения.

     Насосы выпускаются нескольких модификаций основного исполнения:

     К - с подводом камерного типа;

     Э - с электроприводом поворота лопастей;

     КЗ - с подводом камерного типа;

     МБ - моноблочный;

     ЭГ - с электрогидроприводом поворота лопастей;

     МБК - моноблочный с подводом камерного типа.

      Материал основных деталей: камера рабочего колеса и лопасть рабочего колеса - сталь (12Х18Н9ТЛ, 10Х12НДЛ и 20Л), выправляющий аппарат - чугун СЧЗО или сталь 20Л, 35Л-П.

     Осевые насосы представляют собой вертикальную конструкцию, с выходным патрубком, направляющим аппаратом и отводным коленом, в котором располагается на вертикальном валу (основном) рабочее колесо.

     В выправляющем аппарате, расположенном над колесом, имеются лопатки. Промежуточный вал, соединенный с ведущим электродвигателем и находящийся вне корпуса насоса, подсоединяется к основному валу.

     Конструкция предусматривает возможность ремонта рабочего колеса без разборки агрегата.

     Погружные осевые насосы типа ОПВ представляют собой моноблочные агрегаты со встроенными асинхронными электродвигателями, помещенными в герметичный стальной корпус с избыточным давлением воздуха. Сжатый воздух подводится по специальным трубопроводам.

     Электронасос устанавливается под водой на укрепленном откосе водоема на салазках или на катках по направляющим рельсам.

      Диагональные насосы, предназначенные для перекачивания воды с температурой 450С, изготовляются двух видов:

     ДД - диагональный вертикальный насос с жестко закрепленными лопастями рабочего колеса - основное исполнение;

     ВДП - диагональный вертикальный насос с приводом поворота лопастей рабочего колеса.

     У диагональных насосов поток жидкости, проходящий через рабочее колесо, направлен не радиально, как у центробежных насосов, и не параллельно оси, как у осевых, а наклонно, как бы по диагонали прямоугольника, составленного из радиального и осевого направлений.

     Наклонное направление потока создает основную конструктивную особенность диагональных насосов - наклонное к оси насоса расположение лопастей рабочего колеса. Это обстоятельство позволяет использовать при создании напора совместное действие подъемной и центробежной сил и по своим рабочим параметрам диагональные насосы занимают промежуточное положение между центробежными и осевыми.


НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ И ГИДРОСТАНЦИИ

Насосной установкой называют гидравлический агрегат, в котором конструктивно объединены гидробак, насосный агрегат (насос с приводным электродвигателем), устройства для очистки масла и поддержания его температуры, аппаратура регулирования и контроля давления.- Внешними гидролиниями насосной установки являются одна или более напорных линии, линии слива и дренажа.

Таким образом, от насосной установки можно только питать гидросистему рабочей жидкостью. Если же в этом гидроагре­гате предусмотрена возможность размещать контрольно-регулирующую и распределительную аппаратуру для управления гидродвигателями, то его называют гидростанцией или стан­цией гидропривода. Гидростанции соответственно соединяют со станком большим числом гидролиний, чем насосные уста­новки.

Конструирование и производство насосных установок и гид­ростанций имеет специфику и на современном этапе оказалось экономически целесообразным организовать серийное производ­ство типовых насосных установок и гидростанций на специа­лизированных заводах по производству гидрооборудования. Благодаря наличию достаточно широкой номенклатуры этих агрегатов, при проектировании станков на этапе' составления принципиальной гидросхемы и проведения расчетов обычно производятся анализ возможности использования какой-либо типовой насосной установки или гидростанции и выбор ее ти­поразмера.

Познакомимся с наиболее распространенными в станках отечественного производства типовыми насосными установками и гидростанциями. В насосной установке (НУ) типа Г48-22Н пластинчатый насос ПН нагнетает масло в напорную линию через фильтр (Ф) и обратный клапан (КО). Наибольшее давление в системе настраивается регулировкой клапана КП и контролируется по манометру МН, который мо­жет подключаться к напорной и сливной линиям переключе­нием распределителя РМ. Из гидросистемы масло возвращается в гидробак (Б) через линию слива. При этом масло проходит через подпорный клапан КС и воздушный теплообменник AT. Утечки из системы по линии дренажа могут отводиться в бак без какого-либо подпора. Существуют насосные установки с подачей насоса 8 - 35 л/мин и мощностью приводного электродвигателя 2,2 и 3 кВт. В зависимости от подачи насоса и мощности электро­двигателя наибольшее рабочее давление составляет 2,5.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОДАЧИ НАСОСА МЕТОДОМ ДРОССЕЛИРОВАНИ

Метод регулирования подачи насоса изменением числа оборотов вала наиболее эффективен с позиции экономии энергоресурсов. Вместе с тем, для привода насосов часто используются относительно дешевые, надежные и простые в эксплуатации асинхронные электродвигатели. Изменение числа оборотов таких двигателей сопряжено с необходимостью изменения частоты питающего переменного тока. Этот способ оказывается сложным и требующим значительных затрат. В связи с этим, для регулирования подачи насосов преимущественно используется дросселирование.

Этот способ хорошо знаком всем. Каждый раз, закрывая водопроводный кран, мы уменьшаем давление воды на выходе, а, следовательно, и уменьшаем подачу воды.  Изменение положения маховика вентиля сопровождается изменением коэффициента местного сопротивления. Если изменение числа оборотов – это воздействие на характеристику насоса, то дросселирование – это изменение характеристики сети.

Что произойдет, если, например, прикрыть вентиль, тем самым увеличив потери напора в сети. Как видно из уравнения для расчета местных потерь напора, рост коэффициента местного сопротивления приведет к росту потерь напора. Соответственно, потребный напор также вырастет (см. формулу для расчета потребного напора). Новая характеристика сети пройдет круче (показана пунктирной линией). При этом, рабочая точка сместиться в сторону меньших расходов.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ.

Иногда возникает необходимость совместной работы нескольких насосов одновременно. При этом возможны два способа их соединения: последовательное и параллельное.

Параллельное соединение.

 ПОТРЕБИТЕЛЬ

 

clip_image085[4]

ПИТАТЕЛЬ

clip_image087[4]

Н, м

 

 

 

Нраб.

 

 

Нгеометр.

 

 

 

0                                                   QрабQ, м3

При параллельном соединении каждый из насосов создает одинаковый напор, т.к. напор, создаваемый насосом – это разность напоров на выходе и входе. Т.к. они у параллельно соединенных насосов совпадают

 

Н1 = Н2

Каждый из насосов подает определенное количество жидкости потребителю. Для потребителя расход насосной установки будет складываться из расходов насосов. Таким образом, получим:

Q = Q1 + Q2

Последовательное соединение.                       

ПОТРЕБИТЕЛЬ

clip_image089[4]

ПИТАТЕЛЬ

Иная зависимость характерна для последовательного соединения. При движении жидкости от питателя к потребителю, она последовательно проходит все насосы. При этом, каждый насос добавляет жидкости какое то количество энергии (напора). Суммарный напор насосной установки будет складываться из напоров, создаваемых насосами.

Н = Н1 + Н2

 

 

 

 

 

Расходы, наоборот будут одинаковы.

clip_image091[4]Н, м

 

 

Нраб

 

 

 

 

.

 

 

 

Нгеометр.

 

 

 

 

0                                             QрабQ, м3


 


Кавитация в лопастных насосах. Кавитационный запас и кавитационные  характеристики. Формула С.С. Руднева и ее применение.

Кавитация (пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др.

Как правило, зона кавитации наблюдается вблизи зоны всасывания, где жидкость встречается с лопастями насоса. Вероятность возникновения кавитации тем выше, — чем ниже давление на входе в насос; — чем выше скорость движения рабочих органов относительно жидкости; — чем более неравномерно обтекание жидкостью твердого тела (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей поверхности и т. п.)

Кавитационный запас, т. е. превышение удельной энергии потока энергии, соответствующей давлению насыщенных паров перекачиваемой жидкости, равен:

clip_image092[4]

где h — абсолютное давление на входе в насос.

Величина h зависит от типа и конструкции насоса. Для каждого насоса экспериментально устанавливается минимальное значение кавитационного запаса hмин. Но в технической характеристике насоса указывается значение допустимого кавитационного запаса, т. е. такого кавитационного запаса, который надежно обеспечивает работу насоса без изменений его основных технических показателей. Допустимый кавитационный запас hдоп=Kдh. Коэффициент запаса Кд в зависимости от конструкции, типа и назначения насоса принимают в пределах 1,1 — 1,5.

Кавитационные характеристики снимают на спе­циальных установках. Схема такой установки показана на рис. 1-9. Установка представляет собой замкнутую

clip_image094[4]

 

Рис 1-9. Схемакавитационной установки.
1- центробежный насос; 2-резервуар; 3- вакуум-насос; 4 - расходомер;   5 - задвижки;   5 -манометр;   7 - вакуумметр.

clip_image096[4]

циркуляционную систему, состоящую из испытываемого центробежного насоса 1, герметического резервуара 2, верхняя часть которого заполнена воздухом. Вакуум-на­сос 3 служит для откачки воздуха из резервуара и по­зволяет установить перед входом в насос любое давле­ние. Расход в системе регулируется задвижкой 5.
Кавитационная характеристика насоса (рис. 1-10) представляет собой совокупность

Рис. 1-10.Кавитационная характеристика.

кривых Q,Н,Nиclip_image097[6] в функции переменной вакуумметрической высоты вса­сывания.
Установка, представленная на рис. 1-9, позволяет при помощи вакуум-насоса и регулирующих задвижек 5 и 6 задавать различные значения полной вакуумметри­ческой высоты всасывания при постоянном значении производительности Q и числа оборотов рабочего коле­са п. Приборы, которыми оснащена кавитационная уста­новка, позволяют определять значение Н, Nи
clip_image097[7],
соот­ветствующие различным значениям вакуумметрической высоты  всасывания. Из кавитационной характеристики представленной на рис. 1-10, нетрудно видеть, что пре­дельное значение вакуумметрической высоты всасывания, составляет 6 м вод. ст.Дальнейшее увеличение вакуум­метрической высоты всасывания поведет к разрыву сплошности потока перекачиваемой жидкости и далее к прекращению работы насоса.

  clip_image098[4]– критический кавитационный запас, рассчитываемый по формуле Руднева (6):

clip_image099[4]

     где n – частота вращения рабочего колеса насоса ЦНС-300-120/600, n=1475 мин-1;

     c – кавитационный запас быстроходности насоса (7):

clip_image100[4]

Last Updated on Thursday, 06 November 2014 17:51