Гидронасосы. Типы. Характеристики преимущества и недостатки различных конструкций.

Гидравлические насосы предназначены для преобразования механический энергии (крутящий момент, частоту вращения)  в гидравлическую (подача, давление). Существует большое разнообразие типов и конструкций гидравлических насосов, но всех их объединяет единый принцип действия – вытеснение жидкости. Насосы использующие принцип вытеснения называются объемными. Во время работы внутри насоса образуются изолированные камеры, в которых рабочая жидкость перемещается из полости всасывания в полость нагнетания. Поскольку между полостями всасывания и нагнетания не существует прямого соединения, объемные насосы очень хорошо приспособлены для работы в условиях высокого давления в гидросистеме.

Основными параметрами гидронасосов являются:

• Рабочий объем (удельная подача) [см3/об] – это объем жидкости вытесняемый насосом за 1 оборот вала.

• Максимальное рабочее давлени [МПа, bar]

• Максимальная частота вращения [об/мин]

Классификация объемных насосов по типу вытесняющего элемента показана на Схеме 1.

Схема 1.

При выборе типа насоса для гидросистемы необходимо учитывать ряд факторов свойственных определенным типам насосов и особенности разрабатываемой гидросистемы. Основными критериями выбора насоса являются:

• Диапазон рабочих давлений
• Интервал частот вращения
• Диапазон значений вязкости рабочей жидкости
• Габаритные размеры
• Доступность конструкции для обслуживания
• Стоимость

Далее будут рассмотрены различные типы насосов с описанием их конструктивных преимуществ и недостатков.

1.Поршневые Насосы

1.1 Ручные насосы

Простейшим насосом использующим принцип вытеснения жидкости является ручной насос. Данный вид насосов используется в современной технике для обеспечения гидравлической энергией  исполнительных гидродвигателей (в основном линейного перемещения) вспомогательных механизмов. Вторым, часто встречающимся, назначением ручных насосов в гидросистемах является использование его как аварийного источника гидравлической энергии.Давления развиваемые этими насосами лежат в диапазоне до 50МПа, но чаще всего данные насосы используют на давлениях не более 10-15МПа. Рабочий объем до 70 см3. Рабочий объем для ручного насоса это суммарный объем жидкости вытесняемый им за прямой и обратный ход рукоятки. Обычно насосы с малым рабочим объемом способны достигать больших величин рабочего давления, это связано с ограничением силы прикладываемой к рычагу пользователем.

Принцип действия ручного насоса одностороннего действия изображен на рис.1. При ходе поршня вверх через обратный клапан КО2 происходит всасывание жидкости из бака, клапан КО1 при этом закрыт. При ходе поршня вниз происходит вытеснение жидкости через клапан КО1 в напорный трубопровод, клапан КО2 – закрыт.

На рис. 2 показан  ручной насос двустороннего действия. При ходе поршня вверх через обратный клапан КО4 происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость. Одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости внапорный трубопровод через клапан КО1. Клапана КО2 и КО3 при этом закрыты. При ходе поршня вниз через обратный клапан КО2происходит всасывание жидкости из бака в нижнюю полость. Одновременно происходит вытеснение рабочей жидкости в напорный трубопровод через клапан КО3. Клапана КО1 и КО4 при этом закрыты.

Внешний вид ручного насоса показан на рис. 3.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Достоинства и недостатки:

Достоинства

• простота конструкции.
• высокая надежность.
• отсутствие приводного двигателя.

Недостатки

• Низкая производительность

1.2Радиально-поршневые насосы

Радиально-поршневые гидронасосы 210 это разновидность роторно-поршневыхгидромашин. Эти насосы применяются для гидросистем с высоким давлением (свыше 40МПа). Эти насосы способны длительно создавать давления до 100МПа.Отличительной особенностью насосов данного типа является их тихоходность, частота вращения насосов данного типакак правило не превышает 1500-2000 об/мин. Частоты вращения до 3000 об/мин можно встретить только для насосов рабочим объемом не более 2-3 см3/об.

Радиально-поршневые насосы бывают двух типов:

• С эксцентричным ротором
• С эксцентричным валом

Радиально-поршневой насос с эксцентричным ротором изображен на рис. 4. Конструктивно поршневая группа насоса установлена в роторе насоса. Ось вращения ротора и ось неподвижного статора смещены на величину эксцентриситета e. При вращении ротора поршни совершают поступательное движение. Величина хода составит 2e. Насос данной конструкции имеет золотниковое распределение. При вращении цилиндры поочередно соединяются с полостями слива и нагнетания разделенными перегородкой золотника, расположенного в центре.

Рис.4

Радиально-поршневой насос с эксцентричным валом изображен на рис. 5. Конструктивно поршневая группа насоса установлена в статоре насоса. Ось вращения вала и ось неподвижного статора совпадают, но на валу имеется кулачок, который смещен на величину е относительно центра вращения вала. При вращении вала, кулачок заставляет поршни совершать поступательное движение. Величина хода составит 2e.  Насос данной конструкции имеет клапанное распределение.  При вращении вала поршни выдвигаясь из цилиндров наполняются жидкостью через клапана всасывания. Нагнетание жидкости происходит через клапана нагнетания  при вхождении поршней в цилиндры.

Данная конструкция редко используется как насосная и намного чаще используется в гидромоторах, о которых будет рассказано в одной из следующих статей.

Рис.5

Рабочий объем гидромашин данного типа можно рассчитать по формуле:

где       z – число поршней

dп – диаметр поршня

е – эксцентриситет

Радиально поршневые насосы могут иметь конструкцию с переменным рабочим объемом. Регулировка рабочего объема происходит за счет изменения величины эксцентриситета е.

Из двух описанных конструкций большее распостранение получили радиально-поршневые насосы с эксцентричным валом. Это явилось следствием более простой конструкции. Фотографии радиально-поршневых насосов с эксцентричным валом представлены на рис. 6.

Рис. 6(а)

Рис. 6(б)

Достоинства и недостатки насосов радиально-поршневого:

Достоинства

• простота конструкции.
• высокая надежность.
• Работа на давлениях до 100МПа.
• Относительно малый осевой размер.

Недостатки

• Высокая пульсация давления
• Малые частоты вращения вала
• Больший вес конструкции по отношению к аксиально-поршневым машинам.

1.3Аксиально-поршневые насосы

Аксиально-поршневые насосы – это разновидность роторно-поршневых гидромашин с аксиальным расположением цилиндров (т.е. располагаются вокруг оси вращения блока цилиндров, параллельны или располагаются под небольшим углом к оси).Существует деление по типу вытеснителя на аксиально-плунжерные и аксиально-поршневые гидромашины. Отличаются они тем, что в первых в качестве вытеснителей используются плунжеры, а во вторых — поршни см. рис. 7.

Рис. 7

Насосы данного типа являются самыми распространёнными в современных гидроприводах. По количеству конструктивных исполнений они во много раз превосходят прочие типы гидронасосов. Эти насосы обладают наилучшими габаритно-весовыми характеристики (иными словами имеют высокую удельную мощность), обладают высоким КПД.Насосы этого типа способны даватьдавление до 40МПа и работать на высоких частотах вращения (насосы общего применения имеют частоты до 4000 об/мин, но существуют специализированные насосы этого типа с частотами вращения до 20000 об/мин).

Все аксиально поршневые насосы можно разделить на 2 типа:

• Снаклонным блоком (ось вращения блока цилиндров располагается по углом к оси вращения вала)
• С наклоннымдиском (ось вращения блока цилиндров совпадает с осью вращения вала)

На рис. 8 показана конструктивная схема аксиально поршневого насоса с наклонным блоком. При вращении вала насоса, вращается шарнирно соединенный с ним блок цилиндров. При этом поршни совершают поступательные движения. Блок цилиндров прилегает к распределителю  который имеет два паза: один паз соединен с линией всасывания, а другой с линией нагнетания. При выдвижении поршня цилиндр движется над пазом всасывания (см. вид А рис.8) и наполняется жидкостью. После прохождения нижней мертвой точки (точки в которой поршень находится в максимально выдвинутом состоянии) цилиндр соединяется с пазом нагнетания в распределителе и начинает вытеснять жидкость из цилиндра пока не достигнет верхней мертвой точки (точки в которой поршень находится в максимально утоленном в цилиндр состоянии). Далее Цилиндр снова соединяется с пазом всасывания и цикл повторяется. Система распределения используемая в данной конструкции насоса называется золотниковой.

Рис.8

Утечки из цилиндров во время нагнетания скапливаются в корпусе насоса. Чтобы не допустить роста давления в корпусе, на насосах данной конструкции имеется линия дренажа. Если ее заглушить, то это приведет к выходу из строя манжеты вала и нарушению герметичности насоса, а в некоторых случаях – к разрушению корпуса насоса.

На рис.9 показана конструкция насоса с наклонным диском.

Принцип работы насоса с наклонным диском аналогичен работе насоса с наклонным блоком. Насос данной конструкции так-же имеет золотниковое распределение.  Отличие конструкций состоит в соосности осей вала и блока цилиндров.

Рабочий объем аксиально-поршневых насосов можно рассчитать из следующего выражения:

где       z – число поршней

dп – диаметр поршня

Dц– диаметр расположения цилиндров

γ – угол наклона диска(блока)

Для насосов конструкций рис. 8,9возможны исполнения с изменяемым рабочим объемом. Изменение рабочего объема происходит за чет изменения угла наклона диска или блока (в зависимости от конструкции).

Для аксиально-поршневых насосов необходим механизм синхронизации вращения приводного вала и блока цилиндров. Существует четыре основных способа такой синхронизации:

• Синхронизация одинарным (силовым) карданом
• Синхронизация двойным (несиловым) карданом
• Синхронизация шатунами поршней (бескарданная схема)
• Синхронизация коническим зубчатым зацеплением.

Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком представлен на рис. 10. В данной конструкции синхронизация вращения вала и блока цилиндров осуществлена посредством конической зубчатой передачи.

Регулируемый аксиально-поршневой насос с наклонным диском  представлен на рис. 11.

Рис. 11

Рассмотрим еще одну довольно распространённую конструкцию  насоса с наклонным диском. Это конструкция аксиально-плунжерного насоса с неподвижным блоком, клапанным распределением и приводом плунжеровкулачкового типа (вращающейся наклонной шайбой). По ГОСТ  17398-72 этот тип насоса классифицируется как аксиально-кулачковый. Схема такого насоса показана на рис. 12.

Рис. 12

Эта конструкция имеет принципиальные отличия от конструкции изображенной на рис. 9. Насос на рис. 12 в отличие от предыдущей конструкции на рис. 9 имеет неподвижный блок цилиндров, совмещенный с корпусом, наклонный диск объединенный с валом и клапанное распределение рабочей жидкости. Ход плунжера определяется вращением наклонного диска. Система распределения работает следующим образом: выдвигаясь из цилиндра поршень создает в камере разряжение и через клапан всасывания камера наполняется жидкостью из полости корпуса, объединенной со всасыванием. При вхождении в цилиндр клапан всасывания находится в закрытом состоянии, происходит вытеснение рабочей жидкости из рабочей камеры через клапан нагнетания в линию нагнетания.

Некоторые конструкции аксиально-кулачковых насосов могут работать на давлениях до 70МПа.

Примечательным является факт отсутствия в данной конструкции линии дренажа так как всасывание осуществляется непосредственно из корпуса насоса. При этом в корпусе насоса абсолютное давления ниже атмосферного. По этой причине в данной конструкции повышенные требования предъявляются к уплотнению вала, при выходе из строя которого насос подсасывает воздух и подает гидросистему смесь воздуха и рабочей жидкости. Такой «воздушный коктейль» приводит к вибрациям в гидросистеме и выходу из строя ее элементов, включая насос.

Рабочий объем рассчитывается по той-же зависимости что и для описанных выше конструкций аксиально-поршневых насосов. Следует отметить что насос данной конструкции не имеет исполнения с регулируемым рабочим объемом.