Лекция № 10

1. Объёмные гидравлические преобразователи

В общем случае гидравлическим преобразователем объемного типа называют устройство, изменяющее (повышающее или понижающее) расход и давление жидкости в гидросистеме при условии обязательного разобщения магистралей высокого и низкого давлений.

Преобразователь состоит из двух ступеней: двигательной и насосной. К первой ступени подводится рабочая жидкость гидросистемы, а вторая подает жидкость с преобразованным давлением или расходом к исполнительным механизмам (потребителям).

Применяют гидропреобразователи роторного типа, в виде двух роторно-поршневых машин (рис. 10.1, а) или машин возвратно-поступательного действия (10.1 б, в).

Рис. 10.1. Схема преобразователей давления вращательного (а) и поступательного (б и в) движения

1 – первая гидромашина; 2 – вторая гидромашина

1.1. Роторный гидропреобразователь

Составлен из гидромашин 1 и 2 с разными рабочими объемами; валы их жестко связаны между собой. При использовании машины 1 в качестве гидромотора расчетная подача в единицу времени насоса 2 будет превышать подачу гидромотора в отношении

или , (10.1)

где q₂ и q₁ – рабочие объемы машин 2 (насоса) и 1 (гидромотора);

n₂ = n₁= n – частота вращения валов гидромашин;

Q₁ и Q₂ – расчетные подачи машин.

Соответственно расчетное давление р₂ насоса 2 при условии равенства теоретических мощностей (p₁q₁n₁ = р₂q₂n₂) машин будет ниже давления р₁ источника питания гидромотора 1 в отношении

;

Отсюда

или . (10.2)

При использовании же машины 2 в качестве гидромотора подача Q₁ насоса 1 будет меньше подачи Q₂ гидромотора 2 в отношении , а давление р₁ , развиваемое насосом, больше при условии равенства мощностей машин, давления р₂ гидромотора в отношении

.

Отсюда

или . (10.3)

1.2. Поступательные гидропреобразователи

В гидросистемах особенно распространены возвратно-поступательные преобразователи, составленные из двух гидроцилиндров разных диаметров, поршни которых жестко связаны между собой (рис. 10.1, б). Применение их особенно целесообразно в случаях, когда необходимо развить большие давления при малых расходах жидкости.

Давление р₁ подводимой жидкости действует на площадь сечения цилиндра, выходное же давление р₂ жидкости действует лишь на площадь штока.

Коэффициент усиления давления (при пренебрежении трением)

, (10.4)

где D₁ и D₂ — диаметры цилиндра и штока.

Коэффициент усиления подобного преобразователя прямо­линейного движения, повышающего давление, представляет собой отношение выходного давления к входному. Он находится в пределах от 2:1 до 1000:1.

На рис. 10.1, в приведена схема преобразователя с дифференциальным поршнем, с помощью которого можно получить требуемую для высоких давлений небольшую полезную площадь при одновременном обеспечении жесткости и прочности конструкции преобразователя. В этом случае

, (10.5)

где d – диаметр хвостовика штока.

Если пренебречь трением и весом подвижного цилиндра 1, давление р₂ на выходе определится из выражения (10.5):

, (10.6)

где F₂ и F₁ – площади штока 2 и подвижного цилиндра 1.

Распространенная схема преобразователя дифференциального типа представлена на рис. 10.2, а. Управление преобразователем обычно осуществляется ручным переключением с помощью четырехходового золотника.

Применяют также преобразователи с автоматическим переключением (рис. 10.2, б). Преобразователь состоит из нагруженного пружиной 8 поршня 3 шариковым обратным клапаном 4, через который система заполняется жидкостью. Поскольку кольцевая камера 6 соединена с атмосферой, поршень 3 будет находиться под неуравновешенным давлением жидкости, действующей на верхнюю (со стороны камеры 7) и нижнюю (со стороны камеры 5) поверхности. В результате клапан сядет в свое гнездо и поршень 3 будет перемещаться вверх, выдавливая жидкость из камеры 7. В этом случае коэффициент усиления определится также из выражения (10.4).

Для устранения холостого хода, который имеется в преобразователях одинарного действия, применяют преобразователи двойного (непрерывного) действия.

Рис. 10.2. Поступательные преобразователи давления

1 – подвижный цилиндр; 2 – шток; 3 – поршень; 4 – обратный клапан;

5 – камера; 6 – кольцевая камера; 7 – камера; 8 – пружина;

9, 10 – обратные клапаны

Таким преобразователем служит двухсторонний гидроцилиндр, каждая из полостей которого представляет собой преобразователь одинарного действия (рис. 10.2, в). При вытеснении жидкости из одной какой-либо полости высокого давления р₂ противоположная полость заполняется через соответствующий обратный клапан 9 и 10 жидкостью питания. Питание полостей низкого давления р₁ осуществляется распределительным золотником, приводимым поршнем преобразователя в конце каждого хода. Преобразователи этого типа строят на подачу до 110 л/мин с усилением давления от 3:1 до 7:1.

2. Насосы сверхвысоких давлений

На базе рассмотренных цилиндровых преобразователей построен ряд насосов (мультипликаторов) сверхвысоких давлений. Принципиальная схема преобразователя давления, применяемого в качестве насоса сверхвысокого давления, показана на рис. 10.3, а.

Высокое давление создается с помощью плунжера 3, связанного с поршнем 1 приводного силового цилиндра (гидродвигателя). Плунжер герметизирован в цилиндре кольцами 2. Коэффициент усиления достигает в подобных

Рис. 10.3. Принципиальные схемы насосов сверхвысоких давлений

1 – поршень; 2 – кольца; 3 – плунжер; 4 – нагнетательный клапан;

5 – жидкость; 6 – всасывающий клапан; 7 – клапанный распределитель;

8 – ползун; 9 – нагнетательный клапан, 10 – всасывающий клапан;

11 – электромагнитный распределитель; 12 – цилиндр насоса;

13 – плунжеры; 14 – полость гидродвигателя; 15 – поршень силового

цилиндра

преобразователях (насосах) значений и выше. Преобразователь (насос) снабжен питающим (всасывающим) 6 и нагнетательным 4 клапанами, причем для повышения надежности применяют по два последовательно расположенных клапана на линиях нагнетания и питания. Клапаны обычно снабжаются устройствами для автоматического отвода воздуха, присутствие которого резко ухудшает режим работы насоса.

Поскольку нагнетание жидкости одноцилиндровым насосом происходит лишь при движении плунжера в одну сторону, подача жидкости будет прерывистой, что во многих случаях нежелательно, а иногда и недопустимо. Для выравнивания подачи применяют насосы – преобразователи двойного действия (рис. 145, б). Преобразователь имеет силовой цилиндр (гидравлический двигатель) 15, приводящий в движение плунжеры 13 насосной части, каждый цилиндр которой снабжен дублированными нагнетательными 9 и всасывающими (питающими) 10 клапанами.

При подаче жидкости от источника питания в соответствующую полость гидродвигателя 14 она одновременно поступает в смежную полость цилиндра 12 насоса, обеспечивая надежное заполнеие этой полости жидкостью. Ввиду этого выражение (10.3) для вычисления коэффициента усиления будет справедливым и для данного случая.

Очевидно, что насос с этой системой питания пригоден лишь для случаев, когда нагнетаемая им жидкость является рабочей средой гидродвигателя.

Реверсирование движения плунжеров осуществляется с помощью электромагнитного распределителя 11, управляемого от концевых выключателей (на схеме не показаны), на которые воздействует в конце ходов поршень 15 силового цилиндра. Применяются также схемы, в которых распределитель переключается непосредственно поршнем силового цилиндра.

Насосы такого типа применяют на давлениях до 300 МПа (3000 кгс/см²) и выше при расходе 20-40 л/мин; число рабочих ходов обычно составляет 120-150 двойных ходов в минуту. При давлениях порядка 300 МПа (3000 кгс/см²) диаметр d плунжера составляет 50-60 мм, а его ход – 200 мм. Диаметр D приводного силового цилиндра обычно равен 200-250 мм. При более высоких давлениях диаметр плунжера обычно не превышает 20 мм и ход – 120 мм.

Применяются также одно- и многоцилиндровые насосы сверхвысоких давлений с приводом от электродвигателя через понижающий механический редуктор и кривошипный механизм. Принципиальная схема типового одноцилиндрового насоса с таким приводом показана на рис. 10.3, в. Насос представляет собой жесткую плунжерную конструкцию с клапанным распределением 7. Для восприятия боковых сил применяют ползун 8. Подача такого насоса происходит по синусоидальному закону. Для выравнивания и увеличения подачи применяют двухцилиндровые насосы с приводом от общего электродвигателя. Насосы с кривошипным приводом обычно применяют при давлениях до 300 МПа (3000 кгс/см ).

Подача насоса регулируется изменением числа ходов его поршня (плунжера) при постоянном рабочем объеме или изменением хода плунжера при постоянном числе ходов. Последнее достигается с помощью регулирования хода поршня приводного гидравлического двигателя насоса (рис. 10.3, а) или регулирования величины е кривошипа (рис. 10.3, в).