Обобщенная схема ОГМ. Основные рабочие параметры. Кинематические соотношения. Геометрический расход (производительность). Рабочий объем. Индикаторная диаграмма, индикаторная работа. Теоретический крутящий момент. Утечки. Гидравлические потери. Механические потери. Общий баланс потерь и КПД объемных гидромашин
Объёмные машины состоят из той или иной формы рабочих камер (пространство в цилиндре, впадина между зубьями шестерни, камера между пластинами, впадина между выступами винта и т.п.) и вытеснителей (поршень, зуб шестерни, пластина, выступ винта), которыми принудительно изменяются объёмы камер (объём рабочей камеры):
-в насосе при рабочем ходе (цикле) при перемещении вытеснителя объем рабочей камеры уменьшается и заполнявшая его жидкость вытесняется;
- в гидродвигателе при рабочем ходе жидкость, поступающая в рабочую камеру, увеличивает её объем, вызывая перемещение вытеснителя (поршня, плунжера, других рабочих органов, ограничивающих объём рабочей камеры).
Рабочим объёмом (Vo или q, м3 (л, см3)) называют объём несжимаемой жидкости, подаваемой насосом или принимаемой гидродвигателем, при отсутствии утечек, за один оборот или один ход ведущего звена насоса или ведомого звена гидродвигателя.
Рабочий объём является основным параметром объёмных машин, который приводится в технической литературе как главный.
Другими основными параметрами являются:
номинальная частота вращения, n, об/сек, с-1;
номинальная подача (расход) Q, м3/сек;
номинальное давление на выходе (на входе), р, Па;
номинальная мощность, N, Вт;
крутящий момент (для моторов), М, Н м.
коэффициент неравномерности подачи, δ, %;
полный КПД, η, %;
гидромеханический КПД, ηм, %;
объёмный КПД, ηо, %;
Характеристика гидромашины – функциональная зависимость между её определёнными параметрами при неизменных других параметрах (в т.ч. вязкости и плотности жидкой среды). Характеристики могут быть представлены в графической, табличной или аналитической форме.
Обычно для насосов функциональные зависимости определяют от давления при постоянной частоте вращения n=const: расхода Q=f(p); полезной мощности Nп=f(p); объёмного ηо=f(p) и полного η=f(p) КПД .
Для гидромоторов функциональные зависимости определяют:
При Δр=const: n=f(Q); Q=f(n); M=f(n); ηм=f(n); η=f(n);
При Q =const: n=f(Δр); Q=f(n); M=f(n);
Графическая зависимость изменения давления от времени или перемещения рабочего органа в замкнутом объеме, попеременно сообщаемом с входом и выходом насоса называется индикаторной диаграммой насоса.
На рис. 4.2.а изображена индикаторная диаграмма идеального одноцилиндрового поршневого насоса, в котором отсутствуют утечки и клапаны (распределитель) не имеют перекрытий (отсутствует запаздывание открытия и закрытия клапанов). Процесс всасывания такого насоса протекает по линии ab, а вытеснения - по линии cd. При условии отсутствия утечек и практической несжимаемости жидкости кривые повышения и снижения давления bc и da располагаются вертикально.
На рис. 4.2.б представлена диаграмма насоса, отражающая запаздывание срабатывания клапанов и инерционность жидкости в переходных процессах.
Площадь индикаторной диаграммы выражает работу, сообщаемую жидкости поршнем за один оборот вала. Поделив площадь на ход поршня h=2r, получим среднее индикаторное давление рi, определяемое выражением
рi=рвак+рнаг (4.1)
где рвак=ро-рвс и рнаг -соответственно среднее по индикаторной диаграмме значение разряжения (вакуума) в цилиндре насоса и давление нагнетания.
Мощность, передаваемая жидкости от приводного звена через поршень, называемая индикаторной мощностью, определится выражением
Ni=piShn (4.2)
где S- рабочая площадь поршня;
h=2r- односторонний ход поршня;
pi-индикаторное давление;
n-частота вращения вала ( или возвратно-поступательного движения).
Частотой вращения n называется величина, равная числу полных оборотов за единицу времени. Под номинальной частотой вращения понимается наибольшая частота вращения, при которой гидромашина должна работать в течение заданного значения показателя долговечности с сохранением параметров в пределах заданных норм.
Номинальная частота вращения (об/мин) гидромотора :
(4.3)
где Qном - номинальный расход жидкости, м3/с;
Частота вращения вала гидромотора увеличивается прямо пропорционально расходу жидкости. При увеличении перепада давлений при постоянном расходе жидкости частота вращения уменьшается из-за увеличения объемных утечек (потерь).
Объемная подача насоса - отношение объема подаваемой рабочей жидкости ко времени. Различают теоретическую Qт (идеальную, геометрическую), и фактическую Qф (реальную, эффективную) подачи насоса (для гидромотора - теоретический и фактический расходы).
Теоретическая подача насоса или расход (м3/с) гидромотора
(4.4)
Номинальную подачу определяют при номинальных значениях частоты вращения, рабочего объема и давления на выходе (перепаде давлений).
Подача жидкости увеличивается прямо пропорционально частоте вращения вала насоса. С увеличением давления на выходе при постоянной частоте вращения подача насоса уменьшается. Это объясняется увеличением утечек рабочей жидкости.
Фактическая подача Qф насоса меньше теоретической Qт, на величину объемных потерь Qпот:
Qт=Qф+Qпот (4.5)
Под объемными потерями в насосе понимается уменьшение фактической подачи насоса вследствие:
утечек и перетечек рабочей жидкости через зазоры в рабочих камерах (из рабочей полости в нерабочую или в атмосферу), ΔQ1;
неполного заполнения рабочих камер и содержания воздуха в рабочей жидкости; сжатия рабочей жидкости, деформации деталей насоса, определяющих размер его рабочих камер (принято называть условными утечками), ΔQ2
Подача у большинства насосов неравномерна. Коэффициент неравномерности подачи δ определяется как удвоенное отношение разности максимального Qmax и минимального Qmin значений подачи насоса к их сумме:
δ=2(Qmax-Qmin)/(Qmax+Qmin) (4.6)
Неравномерность подачи насоса вызывает пульсацию давления, в результате которой возникает вибрация элементов конструкции насоса и гидропривода.
Под полезной мощностью насоса и потребляемой мощностью гидромотора понимается приращение гидравлической мощности потока рабочей жидкости в гидромашине
Nвых. насоса= Nвх. мотора =QΔp, Вт (4.7)
где Q – подача (расход) гидромашины; Δр – приращение давления в гидромашине.
Полезная мощность насоса увеличивается прямо пропорционально увеличению давления.
Потребляемую номинальную мощность насоса и эффективную номинальную мощность гидромотора (на его валу) определяют по измеренным вращающему моменту М и частоте вращения n:
Nвх. насоса= Nвых. мотора=Мω=М2πn, Вт (4.8)
где М - вращающий момент; ω - угловая скорость; n – частота вращения.
Теоретический вращающий момент гидромотора
, (Н м) (4.9)
В гидромоторах направление вращающего момента, создаваемого давлением жидкости, совпадает с направлением вращения его вала и является моментом, совершающим полезную работу. В насосе вращающий момент, создаваемый давлением жидкости, направлен в сторону, противоположную вращению его вала. Этот момент преодолевается приводящим двигателем.
Преобразование энергии в объёмных гидромашинах связано с объемными (объемный hо), механическими (механический hм) и гидравлическими (гидравлический hг) потерями. КПД гидромашины характеризует степень ее совершенства и показывает, какая часть суммарной подводимой энергии полезно используется в машине.
Полным КПД гидромашины называется отношение полезной мощности к потребляемой:
(4.10)
Подставляя в формулу (4.10) значения мощностей из формул (4.8) и (4.9), получаем:
(4.11) (4.12)
Значения КПД современных поршневых насосов при номинальных режимах сравнительно высоки: η = 0,86...0,89. Зависимость КПД насоса от давления на выходе при постоянной частоте вращения приведена на рис. 4.1.
Зависимость КПД гидромотора от частоты вращения при постоянном давлении приведена на рис. 3.2, в.
Под гидромеханическими потерями (обычно их объединяют) в гидромашине понимается сумма гидравлических и механических потерь. Гидромеханические потери уменьшают эффективный вращающий момент гидромотора и полезную мощность насоса по сравнению с теоретическими параметрами, вследствие возникновения сил трения при преодолении рабочей жидкостью местных гидравлических сопротивлений и сил трения между подвижными деталями и жидкостью.
Отличие насоса от гидромотора, с этой точки зрения, заключается в том, что для определения механических потерь в насосе теоретическую мощность вычитают из мощности на валу насоса, а в моторе мощность на выходном валу вычитают из теоретической его мощности.
Гидромеханический КПД гидромашин рассчитывают при испытании:
(4.13) (4.14)
где – Мизм - измеренный вращающий момент.
Зависимость гидромеханического КПД от частоты вращения приведена на рис. 3,2, г.
Потери подачи насоса характеризуются объёмным КПД ηо, под которым понимается отношение фактической подачи насоса, измеренной при определенных значениях давления на выходе, вязкости рабочей жидкости и прочих параметрах, влияющих на объемные потери, к его теоретической подаче:
(4.15)
С увеличением давления на выходе при постоянной частоте вращения объёмный КПД насоса уменьшается. Для поршневых насосов, применяемых в гидроприводах ηо=0,96...0,98.
При приемо-сдаточных испытаниях допускается рассчитывать объёмный КПД насоса по формуле
(4.16)
где Qном - измеренная подача насоса при номинальном давлении на выходе насоса;
Qо - измеренная подача насоса при минимально возможном давлении на выходе насоса (при режиме холостого хода) (значения подачи насоса должны быть обязательно приведены к одинаковой частоте вращения).
Объемные потери (утечки жидкости) гидромотора соответственно уменьшают число оборотов по сравнению с расчетным, поэтому объемный КПД гидромотора представляет собой отношение теоретического объема жидкости Qт.мотора=Von, подводимого к его рабочим элементам в единицу времени к фактически подаваемому объему Qф.мотора :
(4.17)
Принимая во внимание, что
Qт. мотора=Qф.мотора –ΔQмотора (4.18)
где ΔQмотора -объемные потери в гидромоторе,
можно написать
(4.19)
Объемные потери (утечки жидкости) в гидромоторе отличаются от утечек в насосе тем, что потери, обусловленные недозаполнением жидкостью рабочих камер, в моторе практически отсутствуют.
Полный КПД гидромашины представляет собой произведение гидравлического, механического и объёмного КПД
(4.20)
На рис.4.3, а) и б) приведены принципиальные графики зависимости производительности насоса от числа оборотов n и перепада давления р для случаев отсутствия условных утечек и такой жесткости конструкций насоса, при которой зазоры при повышении давления не изменяются.
Рис.4.3. Объёмные характеристики насоса
При повышении перепада давления фактическая производительность такого насоса Qн понижается практически линейно. В соответствии с этим линейной будет также зависимость от р величины утечек жидкости Q, обусловленных перепадом давления. С другой стороны, так как зазоры при изменении оборотов практически постоянны и, кроме того, скорость течения жидкости через зазоры (скорость утечек жидкости) значительно больше скорости скользящих пар, образующих рабочие зазоры, величина утечек жидкости через зазоры Q1 почти не зависит от числа оборотов насосов (см. рис.4.3, а). При числах оборотов, меньших no насос не будет развивать требуемого перепада давления.
При повышении числа оборотов вала насоса пропорционально увеличивается количество жидкости, проходящей через подводящие каналы и узел распределения, а следовательно, соответственно увеличивается сопротивление (потери напора). Очевидно, при постоянном давлении жидкости на входе в насос может быть достигнуто такое критическое число оборотов, при котором в насос не будет поступать при данном давлении на входе требуемое для заполнения рабочих камер количество жидкости и при дальнейшем повышении числа оборотов производительность насоса не будет повышаться или будет даже снижаться. При числах оборотов выше некоторого критического значения насос работает в кавитационном режиме (в режиме голодания).
Изменение объёмного КПД насоса практически находится в прямой зависимости от перепада давления (см.рис.4.3. в). Поскольку теоретическая производительность насоса при бескавитационном режиме всасывания прямо пропорциональна числу его оборотов [см. выражение (4.1)], а абсолютная величина утечек жидкости при принятых условиях зависит лишь от перепада давления жидкости и практически не зависит от числа оборотов насоса, объемный к. п. д., насоса с увеличением числа оборотов в некоторых пределах, в которых соблюдается бескавитационный режим работы, повышается (рис. 4.3, г).
Однако подобное повышение объемного КПД и производительности насоса будет происходить лишь до определенных значений оборотов, при которых утечки , обусловленные недозаполнением рабочих камер насоса, отсутствуют или столь малы, что ощутимо не изменяют производительности насоса. При более высоких числах оборотов условные утечки станут превалировать над основными, и поскольку с увеличением числа оборотов они относительно возрастают, то объемный к. п. д при этом понижается. Понижение объемного КПД, наблюдаемое при повышении оборотов обусловлено объемными потерями на всасывании (кавитацией). До оборотов n, величина КПД. определяется утечками через зазор в результате перепада давления. Очевидно, оптимальным диапазоном чисел оборотов в этом случае является диапазон от n1 до n2.
Обратимость- пригодность машины для работы как в качестве насоса, так и гидромотора. Поскольку ГМ - устройство, преобразующее механическую энергию в гидравлическую и наоборот, то теоретически ГМ обратимы. но из за конструктивного исполнения это не всегда так: К необратимым относятся ГМ с самодействующими распределительными клапанами, а так же автоматические насосы переменной подачи (когда сигнал давления на выходе управляет подачей). В большинстве же случаев объёмные насосы и гидромоторы бесклапанного действия являются обратимыми машинами, что позволяет применять без какой либо доработки или перемонтажа в качестве насоса и мотора одну и ту же машину.
Одной из характеристик насоса является вакуумметрическая высота всасывания, определяемая как высота всасывания, при которой обеспечивается работа насоса без изменения основных технических показателей и вычисляется в общем случае по выражению (существенно зависит от вредного пространства):
где ро- давление окружающей среды;
рвх- давление на входе в насос;
ρ-плотность жидкой среды;
uвх- скорость жидкой среды на входе в насос;
g-ускорение падения
