В возвратно-поступательных насосах силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в неподвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания за счет впускного и выпускного клапанов.
В качестве рабочего органа (вытеснителя) в возвратно-поступательных насосах используется поршень, плунжер или гибкая диафрагма (мембрана). В связи с этим они подразделяются на поршневые, плунжерные и диафрагменные.
Возвратно-поступательные насосы также делятся по способу привода вытеснителя на прямодействующие и вальные. Привод прямодействующего насоса осуществляется за счет возвратно-поступательного воздействия непосредственно на вытеснитель. Примером такого насоса может служить простейший садовый насос. Привод вального насоса осуществляется за счет вращения ведущего вала с преобразованием вращательного движения в возвратно-поступательное движение при помощи кулачкового или кри-вошипно-шатунного механизма.
Учитывая наибольшее распространение насосов с поршнем в качестве вытеснителя, рассмотрим устройство и принцип работы такого насоса с вальным приводом. На рис. 5.14 приведена конструктивная схема поршневого насоса с кривошипно-шатунным механизмом.
Рис. 5.14. Схема поршневого насоса
Приводной вал 7 через кривошип 6 радиусом rи шатун 5 приводит в движение поршень 3 площадью Sп, который движется возвратно-поступательно в корпусе (цилиндре) 4. Насос также имеет два подпружиненных клапана: впускной 1 и выпускной 2. Рабочей камерой насоса является пространство слева от поршня, ограниченное корпусом 4, поршнем 3, а также клапанами 1 и 2. При движении поршня 3 вправо жидкость через впускной клапан 1 заполняет рабочую камеру, т.е. обеспечивается всасывание. При движении поршня 3 влево жидкость нагнетается в напорный трубопровод через клапан 2.
Рассматриваемый насос имеет одну рабочую камеру (z = 1), и за один оборот вала поршень 3 совершает один рабочий ход, т.е. это насос однократного действия (k = 1). По рис. 5.14 легко заметить, что рабочий ход l поршня 3 равен двум радиусам кривошипа 6. Тогда его рабочий объем может быть вычислен по формуле:
W0 = Wк = Sп ∙2r.
Насосы с поршнем в качестве вытеснителя являются наиболее распространенными из возвратно-поступательных насосов. Они могут создавать значительные давления (до 40 МПа). Скоростные параметры этих насосов (количество рабочих циклов в единицу времени) во многом определяются конструкцией клапанов, так как они являются наиболее инерционными элементами. Насосы с подпружиненными клапанами допускают до 300 рабочих циклов в минуту. Насосы с клапанами специальной конструкции позволяют увеличивать этот параметр до 500 циклов в минуту.
В поршневых насосах существуют все три вида потерь, рассмотренных ранее для динамических насосов, т.е. объемные, гидравлические и механические потери.
Объемный КПД hо большинства поршневых насосов составляет 0,85...0,98. Причем большие значения КПД соответствуют насосам большого размера, а маленькие значения – малым.
Гидравлический КПД hr учитывает гидравлические потери в клапанах, и его значения лежат для этих насосов в пределах 0,8...0,9.
Механический КПД hм = 0,94...0,96. Для большинства насосов повышение механического КПД приводит к снижению величины hо, и наоборот.
Полный КПД h определяется зависимостью (5.10) и для большинства поршневых насосов составляет 0,85...0,92.
Значительно реже применяются насосы с плунжером в качестве вытеснителя (рис. 5.2). У этих насосов существенно больше поверхность контакта между корпусом и вытеснителем, что позволяет значительно лучше уплотнить рабочую камеру. Плунжерные насосы обычно изготавливаются с высокой точностью. Поэтому они являются весьма дорогими, но позволяют получать очень высокие давления до 200 МПа. Такие насосы получили широкое распространение в системах топливоподачи дизельных двигателей.
На рис. 5.15 приведена конструктивная схема такого насоса для дизельного двигателя внутреннего сгорания с кулачковым приводом. Ведущий вал насоса приводит во вращение кулачок 6, который воздействует на плунжер 4. Плунжер 4 совершает возвратно-поступательные движения в корпусе (цилиндре) 3. Причем движение плунжера влево обеспечивается кулачком 6, а обратный ход – пружиной 5. Данный насос, в отличие от рассмотренного ранее, имеет только один подпружиненный клапан 1, который является выпускным. Отсутствие впускного клапана является отличительной особенностью насосов, используемых на дизелях. Это объясняется тем, что их топливные системы обычно снабжены вспомогательными топливоподкачивающими насосами. Заполнение рабочей камеры плунжерного насоса высокого давления обеспечивается через проточку 2 вспомогательным насосом.
Рис. 5.15. Схема плунжерного насоса
Диафрагменные насосы, в отличие от рассмотренных ранее насосов, достаточно просты в изготовлении и дешевы. На рис. 5.16 приведена схема прямодействующего диафрагменного насоса.
1 2 3 4 5
Рис. 5.16. Схема диафрагменного насоса
Насос состоит из штока 5, на котором закреплена гибкая диафрагма 4. Диафрагма 4 также закреплена в корпусе 3. Кроме того, насос имеет два клапана: впускной 1 и выпускной 2. Рабочей камерой насоса является объем внутри корпуса 3, расположенный слева от диафрагмы 4. Рабочий процесс диафрагменного насоса не отличается от рабочего процесса поршневого насоса. Насос, представленный на рис. 5.16, является прямодействующим, так как приводится непосредственным воздействием на шток 5.
Диафрагменные насосы просты в производстве, но не могут создавать высокие давления, так как это ограничивается прочностью диафрагмы. Максимальные давления, создаваемые этими насосами, в большинстве случаев не превышают 0,3 МПа. Диафрагменные насосы применяются в топливных системах карбюраторных двигателей.
Существенным недостатком возвратно-поступательных насосов с вытеснителем любой конструкции является крайняя неравномерность подачи Qпо времени t. Это вызвано чередованием тактов всасывания и нагнетания за время рабочего цикла. Так, при движении влево (см. рис.5.14) поршень нагнетает жидкость в напорный трубопровод. При движении в обратном направлении происходит всасывание жидкости. График подачи, представленный на рис. 5.17,а (толстые линии), наглядно демонстрирует эту неравномерность подачи. Её снижение достигают двумя способами.
Рис. 5.17. Изменение подачи поршневых насосов: а) однопоршневого; б) трехпоршневого
Первым из этих способов является применение многокамерных насосов. В этом случае нагнетание осуществляется несколькими вытеснителями по очереди или одновременно. На рис. 5.17, б представлен график подачи трехпоршневого насоса, на котором тонкими линиями показаны подачи отдельных рабочих камер, а толстой – суммарная подача насоса. Конструкции таких насосов весьма разнообразны. Известны поршневые насосы двухстороннего действия, дифференциальные насосы, а также насосы с несколькими рабочими камерами, смонтированными в одном корпусе.
При увеличении числа рабочих камер с целью уменьшения неравномерности подачи предпочтение следует отдавать насосам с нечетным количеством камер. Практика показывает, что в большинстве случаев для получения одинаковой равномерности подачи насос с четным числом камер должен их иметь в два раза больше, чем насос с нечетным числом.
Снизить неравномерность подачи можно, используя гидравлические аккумуляторы, которые устанавливаются на выходе насосов. На рис. 5.18 представлена схема насоса с гидравлическим аккумулятором, который представляет собой замкнутую емкость, разделенную гибкой диафрагмой на две полости.
Рис. 5.18. Схема насоса с гидроаккумулятором
При ходе нагнетания часть подачи насоса заполнит нижнюю полость гидроаккумулятора, а газ (воздух) в верхней полости сжимается. При ходе всасывания давление в трубопроводе снижается, а жидкость из гидроаккумулятора вытесняется сжатым газом. Зависимость подачи Qпо времени t описанного устройства показана на рис. 5.18, а тонкой линией.
Роторные насосы
В роторных насосах силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в подвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания.
Наличие подвижных рабочих камер у роторных насосов позволяет исключить из их конструкций впускной и выпускной клапаны. Отсутствие клапанов приводит к появлению у роторных насосов свойств, отличных от свойств возвратно-поступательных насосов.
Скоростные показатели возвратно-поступательных насосов в большей степени ограничиваются инерционностью клапанов. Поэтому в отличие от них роторные насосы, вследствие отсутствия клапанов, обладают значительно большей быстроходностью.Количество рабочих циклов в единицу времени у этих насосов может быть в 10 и более раз выше аналогичного параметра поршневых насосов.
Отсутствие клапанов обеспечивает роторным насосам и второе существенное отличие от поршневых – обратимость. Это свойство заключается в том, что практически любой роторный насос может быть использован в качестве гидродвигателя, т.е. если к насосу подвести жидкость под давлением, то получим вращение его вала.
Важной особенностью роторных насосов является то, что они всегда имеют несколько рабочих камер. Это обеспечивает им большую равномерность подачипо сравнению с поршневыми насосами.
Отмеченные свойства роторных насосов являются их достоинствами. Недостаток роторных насосов вытекает из их конструктивных особенностей. Жидкость, которую перекачивает роторный насос, должна одновременно обеспечивать смазку его трущихся поверхностей. Поэтому к рабочей жидкости предъявляются более высокие требования: она должна быть чистой и не агрессивной по отношению к материалу насоса, а также обладать смазывающими способностями. Вследствие этого роторные насосы используются, в основном, для перекачки различных масел.
Отсутствие клапанов в роторных насосах повлекло за собой также значительное уменьшение гидравлических потерь. Поэтому при оценки энергетических потерь в роторных насосах этими потерями пренебрегают, а гидравлический КПД принимают равным единице (hг = 1). Таким образом, полный КПД hроторного насоса равен произведению объемного hо и механического hм КПД (h=h0×hм).
Типы конструкций роторных насосов представлены на рис. 5.19.
Рис. 5.19. Классификация роторных насосов
Классификацию этих насосов определяет ГОСТ 17398-72, который включает все возможные конструктивные исполнения.
Из роторно-вращательных насосов наибольшее распространение получили шестеренныенасосы, которые используются практически во всех отраслях машиностроения. Из роторно-поступательных насосов в машиностроении достаточно широко применяются пластинчатыеи некоторые разновидности роторно-поршневыхнасосов.
А) шестеренные насосы
Шестеренный насос – это зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих геометрическое замыкание рабочих камер и передачу крутящего момента с ведущего вала на ведомый. Шестеренные насосы могут быть с внешним и внутренним зацеплением.
Наиболее простым по конструкции и самым распространенным является шестеренный насос с внешним зацеплением (рис. 5.20, а). Он обычно состоит из двух одинаковых эвольвентных зубчатых колес 1 и 3, находящихся в зацеплении, а также неподвижного корпуса 4. В представленной конструкции ведущей является шестерня 1, а ведомой – 3.
Жидкость во всасывающей полости заполняет впадины между зубьями (в том числе заштрихованную впадину 2 на рис. 5.20, а). Затем впадины с жидкостью перемещаются по дугам окружности от полости всасывания к полости нагнетания (показано штриховой линией) и попадают в область зацепления. При этом каждый зуб входит в соответствующую впадину и вытесняет из неё жидкость (в частности, на рис. 5.20, а зуб 5 входит в заштрихованную впадину 6). Таким образом, жидкость вытесняется из впадин в полость нагнетания и далее в напорный трубопровод. Следует иметь в виду, что впадина на некоторую величину больше зуба. Поэтому часть жидкости возвращается обратно в полость всасывания в запертых в зоне зацепления объемах между впадинами и головками зубьев.
Рис. 5.20. Шестеренный насос
Шестеренные насосы с внешним зацеплением получили широкое распространение в машиностроении, так как просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Эти насосы выпускаются как для гидросистем с высокими давлениями (до 20 МПа), так и для гидросистем с более низкими давлениями (до 10 МПа). Первые применяются в гидросистемах тракторов, дорожно-строительных и сельскохозяйственных машин. Вторые используются в станочных гидроприводах, а также в гидросистемах поршневых двигателей. Рекомендованные частоты вращения большинства шестеренных насосов с внешним зацеплением лежат в пределах 1000 – 2500 об/мин. Полные КПД этих насосов обычно составляют 0,75 – 0,85, а объемные КПД 0,85 – 0,95.
Кроме шестеренных насосов с внешним зацеплением, известны также шестеренные насосы с внутренним зацеплением (рис. 5.21, а): шестерня 1 меньших размеров располагается внутри более крупного зубчатого колеса 2. Оба зубчатых колеса находятся в зацеплении и вращаются относительно неподвижного корпуса 3, причем ведущей является внутренняя шестерня.
Рабочими камерами, как и в случае насоса с внешним зацеплением, являются впадины зубьев. Всасывающие и напорные трубопроводы подводятся к торцевым поверхностям насоса и заканчиваются полостями всасывания и нагнетания (на рис. 5.21 показаны штрих-пунктирными линиями). Необходимой деталью насоса с внутренним (эвольвентным) зацеплением является неподвижный серпообразный разделительный элемент 4, который служит для разделения полостей всасывания и нагнетания.
Рис. 5.21. Шестеренные насосы с внутренним зацеплением: а) с эвольвентным зацеплением; б) героторный
Принцип действия данного насоса аналогичен принципу действия шестеренного насоса с внешним зацеплением, а траектория движения жидкости в таком насосе показана на рис. 5.21, а.
Шестеренные насосы с внутренним зацеплением компактнее и могут работать при больших скоростях вращения. Однако они создают меньшие давления (обычно не более 7 МПа). Из-за указанного обстоятельства и более сложной конструкции (по сравнению с насосами с внешним зацеплением, они не нашли широкого применения).
Разновидностью насосов с внутренним зацеплением является героторный насос (рис. 5.21, б), в котором используется специальное зацепление. За счет этого профиля зацепления и соотношения числа зубьев (внешняя шестерня имеет на один зуб больше внутренней) в героторных насосах отсутствуют разделительные элементы. Достоинством героторного насоса, помимо компактности и надежности, является то, что в отличие от обычного шестеренного насоса жидкость в нем совершает короткий путь. Это позволяет эксплуатировать его на повышенных скоростях вращения (до 5000 об/мин).
Б) пластинчатые насосы
Пластинчатый насос – это роторно-поступательный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин. Пластинчатые насосы могут быть однократного, двукратного и многократного действия.
Рис. 5.22. Пластинчатый насос
На рис. 5.22, а представлена конструктивная схема пластинчатого насоса однократного действия. В пазах вращающегося ротора 4, ось которого смещена относительно оси неподвижного статора 6 на величину эксцентриситета е, установлены несколько пластин 5. Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают возвратно-поступательные движения в пазах 7 ротора. Рабочими камерами насоса являются объёмы 1 и 3, ограниченные соседними пластинами, а также поверхности ротора 4 и статора 6.
При вращении ротора рабочая камера 1, соединенная с полостью всасывания, увеличивается в объеме и происходит её заполнение жидкостью. Затем она переносится в зону нагнетания и соединяется с напорным трубопроводом. При дальнейшем перемещении её объем уменьшается, и происходит вытеснение жидкости пластиной 5 (на рис. 5.22, а из рабочей камеры 3). Затем соответствующая пластина переносится от полости нагнетания к полости всасывания, и рабочий цикл повторяется.
Для увеличения рабочего объема пластинчатого насоса W0 при сохранении его габаритов необходимо увеличивать величину эксцентриситета е.
Кроме того, рабочий объем пластинчатого насоса может быть увеличен за счет кратности его работы k, что достаточно широко применяется на практике. На рис. 5.23 приведена конструктивная схема пластинчатого насоса двукратного действия. Внутренняя поверхность такого насоса имеет специальный профиль, что позволяет каждой пластине за один оборот вала дважды производить подачу жидкости. У пластинчатого насоса двукратного действия имеются две полости всасывания 1, которые объединены одним трубопроводом, и две полости нагнетания 2, также объединенные общим трубопроводом. На практике применяются насосы и с большей кратностью, но их конструкции сложнее, поэтому использование таких насосов ограничено.
Рис. 5.23. Пластинчатый насос двухкратного действия
Основной конструктивной проблемой пластинчатых насосов является уплотнение в месте контакта пластины и корпуса (точка 2 на рис. 5.22, а). В разных насосах поджатие пластины к корпусу (точка 2) обеспечивается различными способами. В насосах с высокими скоростями вращения это может быть получено за счет центробежных сил. В конструкции на рис. 5.22, а это обеспечивают пружины, установленные в пазах 7. В насосах, рассчитанных на большие давления, поджатие обычно достигается за счет давления, подводимого в пазы 7. В таких конструкциях сила поджатия пластин к корпусу пропорциональна величине создаваемого давления.
В п. 5.4.3 отмечалось, что объемные насосы могут быть регулируемыми, т.е. иметь переменный рабочий объем. Конструкция пластинчатого насоса позволяет обеспечить изменение рабочего насоса. Для этого достаточно сделать вал ротора подвижным, т.е. обеспечить возможность изменения эксцентриситета е за счет перемещения ротора 4 (см. рис. 5.22, а). Такая конструкция позволяет при смещении ротора 4 влево не только уменьшать рабочий объем, а следовательно, и подачу насоса, но и направлять поток жидкости в обратном направлении. Для иллюстрации этого на рис. 5.24 показаны три характерных положения ротора регулируемого пластинчатого насоса. При этом пластинчатые насосы двукратного и многократного действия не могут быть регулируемыми.
Рис. 5.24. Регулирование подачи пластинчатого насоса: а) прямая подача; б) нулевая подача; в) обратная подача
Нерегулируемые пластинчатые насосы компактны, просты в производстве и достаточно надежны в эксплуатации. Поэтому они нашли достаточно широкое применение в технике, в первую очередь в станкостроении. По сравнению с шестеренными насосами с внешним зацеплением пластинчатые насосы несколько тяжелее и создают меньшие давления (до 14 МПа). Рекомендуемые частоты вращения пластинчатых насосов обычно лежат в пределах 1000 – 1500 об/мин. Полные КПД для большинства этих насосов равны 0,6 – 0,85, а объемные КПД 0,7 – 0,92.