1. Изучить конструкцию основных рабочих органов насоса или вентилятора.
2. Составить эскизы основных рабочих органов насоса или вентилятора (рабочего колеса, корпуса).
3. Составить конструктивную схему центробежного насоса или вентилятора.
Отчёт по работе
1. Описать подготовку в соответствии с рекомендованной литературой.
2. Приложить эскизы рабочих элементов центробежного насоса или вентилятора.
3. Приложить схему конструкции изученных насоса или вентилятора.
Контрольные вопросы
1. На чём основан принцип работы центробежного насоса или вентилятора?
2. Что представляют собой «утечки» при работе центробежного насоса?
3. Как изменится напор, если центробежный насос, нагнетающий воду, станет с теми же скоростями нагнетать воздух?
4. Что такое явление кавитации при работе центробежного насоса?
5. Как изменяется напор многоступенчатого насоса по сравнению с одноступенчатым?
Лабораторная работа №6
ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ СИЛОВЫХ ГИДРО-
И ПНЕВМОЦИЛИНДРОВ
Цель работы: изучение конструкции и принципа действия силовых гидро- и пневмоцилиндров. Составление схемы конструкции силового цилиндра, эскизов основных рабочих элементов - поршня (плунжера), корпуса цилиндра.
Оборудование: цилиндр гидравлический, цилиндр пневматический.
Методические указания.
Силовые гидро- и пневмоцилиндры широко применяются во всех отраслях техники и особенно часто в технологическом оборудовании в качестве исполнительных механизмов различного назначения. По типу рабочей среды - жидкость или газ - они подразделяются на гидроцилиндры и пневмоцилиндры.
По конструкции различают цилиндры: поршневые, плунжерные простые и дифференциальные. В поршневых цилиндрах энергия движущейся жидкости преобразуется в механическую энергию перемещающегося поршня, при этом диаметр поршня Д больше диаметра штока d; поршень сопрягается с внутренней поверхностью цилиндра по посадочному размеру.
В плунжерных цилиндрах плунжер имеет по всей длине одинаковый диаметр Д, меньший внутреннего диаметра цилиндра и сопрягается лишь с сальниковым уплотнением в крышке; при этом отпадает необходимость в точной обработке внутренней поверхности цилиндра.
По принципу работы силовые цилиндры делятся на два типа: одностороннего и двустороннего действия.
Гидроцилиндр одностороннего действия (рис. 1, а) имеет плунжер 1, перемещаемый силой давления жидкости в одну сторону. Обратный ход плунжера совершается под действием внешней силы F, если она действует непрерывно, или пружины 2. Единственное наружное уплотнение плунжера состоит из основного 3 и грязезащитного 3ґ уплотняющих элементов.
Рис. 1. Схема гидроцилиндров:
а - одностороннего действия возвратной пружиной;
б - двустороннего действия с управлением по дифференциальной схеме
Гидроцилиндр двустороннего действия (рис. 1, б) имеет поршень 4 со штоком 5, уплотнённые внутренним 6 и наружным 7 и 7/ уплотнителями. Разница полной S и кольцевой Sґ площадей поршня ведёт к различию в используемом давлении P при перемещении поршня влево и вправо, если преодолеваемая сила F одинакова. Если к цилиндру подводится постоянный расход Q, то разница площадей приводит в зависимости от направления перемещения к различию скоростей движения поршня.
Для устранения этих явлений, когда они нежелательны, такие гидроцилиндры включают при помощи золотника по дифференциальной схеме (см. позиции I и II), при которой штоковая полость 8 непрерывно соединена с питающей линией 9. Если при этом Sґ = S/2, то при движении вправо (позиция золотника I) и влево (позиция золотника II) скорость U = Q/Sґ и сила F = P·Sґ будут одинаковы.
Для получения полной симметрии сил и скоростей применяют гидроцилиндры с двусторонним штоком (рис. 2) с одним внутренним 1 и двумя 2 и 3 наружными уплотнениями. В этом случае конструкция с закреплённым штоком (рис. 2, а) в полтора раза короче, чем конструкция с закреплённым цилиндром (рис. 2, б).
Рис. 2. Гидроцилиндр с двусторонним штоком:
а - с закреплённым поршнем; б - с закреплённым цилиндром и золотником управления
Телескопические гидроцилиндры (рис. 3) применяются в случаях, когда желаемый ход превышает допустимую установочную длину гидроцилиндра.
Рис. 3. Телескопический гидроцилиндр
Выдвижение секций цилиндра, если он питается через линию 1 от источника постоянного расхода Q (например, объемный насос) будет происходить с разными скоростями и, если преодолеваемая сила F постоянна, при разных давлениях. При выдвижении первым смещается до упора поршень 2 с малой скоростью U1 = Q/S1 при меньшем давлении P = F/S1. После полного выдвижения поршня 2 начинает перемещаться до полного выдвижения поршень 3, площадь которого S2. При этом скорость увеличивается до U2 = Q/S2, а давление возрастает до P2 = F/S2. Вдвижение секций производится либо под действием силы F, либо путём подачи расхода Q через линию 4 в полости 6 и 7 через рукав 5.
Частым требованием к гидроцилиндрам является их способность удерживать нагрузку при неподвижном поршне без подачи жидкости от насоса. Схема фиксирующего устройства на поршне 5 представлена на рис. 4. При равенстве давления в обеих полостях 6 и 7 цилиндра пружины 1 смещают шарики 2 на коническую поверхность 3, и шарики заклинивают поршень. При подаче жидкости от насоса в одну из полостей в ней повышается давление и скользящий уплотняющий элемент 4 смещается. Таким образом, перед началом движения поршня шарики выдавливаются из кольцевой конусной щели и не препятствуют движению поршня. Такая система из - за износа стенок цилиндра применима только при малых нагрузках. При больших нагрузках положение поршня фиксируется гидравлическими замками, представляющими собой управляемые обратные клапаны.
Рис. 4. Поршень гидроцилиндра с фиксирующими устройствами
Конструктивно силовые цилиндры состоят из следующих основных элементов: днища (плоского или сферического), цилиндрической части, опорного фланца, расточки под направляющую втулку и уплотнения.
В днище и корпусе цилиндра имеются отверстия для крепления трубопроводов подачи рабочей жидкости.
Днище цилиндра может изготавливаться отдельно и крепиться к цилиндру на резьбе, болтах, с помощью разрезной кольцевой шпонки.
Наличие воздуха в гидросистеме может оказаться причиной неравномерности движения ведомых звеньев механизма. Кроме того, воздух, присутствующий в гидросистеме, содействует окислению масла, образованию кислот и коррозии деталей гидросистемы.
Для выпуска воздуха из системы цилиндры снабжают специальными вентилями, расположенными в самой высшей точке цилиндра. Конструкция и место расположения таких вентилей 1 показана на рис. 5.
Рис. 5. Схема конструкции цилиндра двойного действия
с вентилями для удаления воздуха
Рис. 6. Формы канавок под уплотнительные кольца
1 - поршень; 2 - уплотнительное кольцо; d1 = Д - 1,7d; d2 = 0,98Д; R = (1,0 - 1,2)d - для пневматических
цилиндров; R = (1,2 - 1,5)d - для гидравлических цилиндров,
где d - диаметр сечения уплотняющего кольца
Д - внутренний диаметр цилиндра
Конструкция поршней должна обеспечивать простоту и доступность сборки, надёжное уплотнение и плавный ход его в цилиндре. Ширина поршня выбирается таким образом, чтобы на нём были размещены все уплотнения и в то же время отверстия под крепёжные винты не были сквозными.
Зазор между поршнем и цилиндром в случае применения резиновых уплотнительных колец должен быть не более 0,1 мм, а ширина поршня не менее 20 мм при одном кольце и не менее 30 мм при двух кольцах.
При уплотнениях, осуществляемых с помощью резиновых колец в профилиных канавках, рекомендуется принимать следующие размеры в мм.
Конец штока, на котором крепится поршень, в зависимости от способа крепления может быть нарезанным, гладким цилиндрическим с упорным буртиком, коническим, с внешним нарезанным отверстием.
Плунжеры малого диаметра (до 200…250) обычно выполняются сплошными из углеродистой стали. Плунжеры больших диаметров часто выполняют полыми для облегчения их веса. Полые плунжеры изготавливают литыми из чугуна или стали.
Надёжность работы и КПД силовых цилиндров в значительной степени зависят от соблюдения герметичности соединений, и, в первую очередь, от соблюдения герметичности подвижных соединений типа поршень-цилиндр, шток-крышка цилиндра и т.п.
На рис. 7. представлены различные варианты уплотнения штоков и поршней гидроцилиндров.
Рис. 7. уплотнения штоков (а, б) и поршней (в, г) гидроцилиндров: а - круглым резиновым кольцом; б, в - V-образными манжетами; г - двусторонней манжетой
Уплотнение, показанное на рис. 7, а состоит из резинового кольца 3 с пластиковым упорным кольцом 2 и защитного кольца 1, предохраняющего основное уплотнение от попадания грязи. Конструкция, изображённая на рис. 7, б представляет пакет V-образных манжет: уплотняющих 6 из резины и разделительных 5 из пластика. Гайкой 4 пакет может сжиматься для компенсации износа. На рис. 7,(в, г) представлены уплотнения поршней двустороннего действия: уплотнение высокого давления манжетами 7 поршня с направляющим поясом 8 и уплотнение двусторонней манжетой, служащей одновременно направляющим элементом, такой тип уплотнения предназначен для умеренных давлений.
Движущее усилие, создаваемое рабочей жидкостью в полостях гидроцилиндра без учёта потерь (номинальное усилие), определяется по формулам:
- в поршневой полости Pп = Pp·π·Д2/4;
- в штоковой полости Pш = Ppπ(Д2 - d 2)/4;
где Pp - давление рабочей жидкости; Д - диаметр гидроцилиндра; d - диаметр штока, поршня.
Действительное (эффективное) усилие создаваемое гидроцилиндром с учётом потерь на трение поршня и штока определяется по формуле:
Pэф = Pп(ш)·ηм,
где ηм - механический КПД силового цилиндра, величина которого находится в пределах 0,92…0,99; в среднем величина ηм принимается равной 0,95.
Эффективная скорость движения поршня в зависимости от расхода жидкости вычисляется по уравнению
U = Q·η0/F,
где Q - расход жидкости; h0 - 0,98…0,99 - объёмный КПД силового цилиндра; F - площадь поршня.
Усилие, создаваемое жидкостью при подаче её в бесштоковую полость больше, а скорость поршня меньше, чем при подаче в штоковую полость, поэтому первый случай используется для совершения рабочего хода инструмента. Отвод рабочего органа происходит при подаче жидкости в штоковую область, т.е. с большей скоростью, но с меньшим усилием.