материалы по дисциплине РиПрГМиГПА / РиП ГМиГПА лекция 4м

Лекция № 4м.

Сравнение гидромашин различных типов.

Критерии оценки

§1. Сравнительные оценки гидромашин

В объёмных гидроприводах мобильных машин наиболее широко используют шестерённые и аксиально-поршневые, реже пластинчатые насосы и гидромоторы. Тип и исполнение гидромашины выбирают по основным параметрам с учетом назначения и условий эксплуатации.

Технический уровень гидромашин определяют по удельным показателям – металлоемкости (кг/кВт), энергоемкости (кВт/дм³) и техническому ресурсу. Кроме этого, важными показателями эксплуатационных свойств гидромашин являются работоспособность в широком интервале изменения температуры, диапазон регулирования и возможность дистанционного управления изменением (величиной) рабочего объёма.

Результаты сравнения гидромашин чаще всего носят субъективный характер вследствие многочисленности их параметров, многие из которых не представляют интереса для потребителей, а часть параметров известна не для всех сравниваемых гидромашин. Имеет значение также неодинаковость местных условий и задач испытаний гидромашин, проводимых независимо друг от друга.

Стремление упростить и удешевить гидроприводы, к которым не предъявляются жесткие требования по массе, габаритам и точности исполнения управляющего сигнала, часто приводит к использованию самых простых гидромашин – шестеренных и шиберных. Однако если судить по главным «потребительским» параметрам насосов и гидромоторов V₀ и Р, а также М и , то области значений этих параметров для выпускаемых шестеренных и шиберных гидромашин в большей своей части «перекрываются». В то же время шестеренные гидромашины, обеспечивая меньший диапазон изменения номинальных значений P для насосов и  для гидромоторов, проще по конструкции, менее металлоемки и значительно дешевле, что привело к расширению областей их применения.

Сравнение отечественных шестеренных насосов НШ с шиберными насосами БГ-12 по металлоемкости и относительной стоимости свидетельствует о том, что шестеренные насосы имеют значительно более высокую подачу, а их металлоемкость примерно вчетверо ниже металлоемкости шиберных насосов главным образом вследствие применения легких сплавов. По удельной стоимости шестеренные насосы НШ (преимущественно ввиду больших масштабов их производства) более чем в 5 раз дешевле шиберных насосов БГ-12.

Сложнее обстоит с оценкой аксиально-поршневых гидромашин, существенно более дорогих и определяющих технический уровень не только гидропривода, но зачастую и машины, на которой они устанавливаются. Сравнение аксиально-поршневых гидромашин прежде всего может проводиться по техническим характеристикам. Хотя такое сравнение имеет большее значение, однако не может считаться исчерпывающим, поскольку публикуются не все технические характеристики и получают их в разных условиях, например, номинальное давление выбирается при разных ресурсах, получаемых при неодинаковых способах проведения испытаний. И все же такое сравнение дает ориентиры, по которым возможна первоначальная отбраковка сравниваемых образцов при выборе оптимальных.

Аксиально-поршневые насосы и гидромоторы рассчитаны на наиболее высокие значения номинального и максимального давления. Для насосов других типов характерны более низкие значения давления.

Максимальные давления и частота вращения зависят от рабочего объема гидромашин. Различные максимальные значения давления и частоты вращения объясняются конструктивными особенностями гидромашин и прежде всего величиной зазоров сопряженных деталей качающего узла и гидравлическим сопротивлением всасывающей гидролинии. Сравнительными испытаниями насосов различных типов в одинаковых условиях установлено, что шестеренные и пластинчатые насосы обладают лучшей всасывающей способностью и могут работать на более вязкой жидкости, чем аксиально-поршневые. Однако в связи с тем, что шестеренные и пластинчатые насосы имеют большие зазоры в качающем узле, они более чувствительны к изменению вязкости рабочей жидкости и не способны создавать высокое давление, особенно при положительных температурах маловязкой рабочей жидкости.

Для однотипных насосов, применяемых в аналогичных условиях, меньшие удельные показатели металлоемкости (0,14 – 6,8 кг/кВт) имеют пластинчатые, средние (0,2 – 13,6 кг/кВт) – шестеренные и большие (0,41 – 20,4 кг/кВт) – аксиально-поршневые. Наиболее важными эксплуатационными показателями гидромашин являются их объемный и полный КПД.

Аксиально-поршневые насосы имеют более высокий полный КПД, по сравнению с КПД шестеренных и пластинчатых насосов. Объемный КПД аксиально-поршневых насосов начинает заметно снижаться только при вязкости рабочей жидкости менее 10мм²/с, для пластинчатых насосов этот предел вязкости составляет 50 – 80 мм²/с, а для шестеренных – 80 мм²/с.

Сравнительная оценка основных параметров гидромашин различных типов показывает, что каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Поэтому конструкторы, создающие гидромашины, должны определить область их использования, целесообразную с технической и экономической точек зрения.

Шестеренные гидромашины широко используют в мобильных машинах небольшой мощности при низком и среднем давлении в гидросистеме. Они достаточно надежны в эксплуатации, менее требовательны к чистоте рабочей жидкости и имеют меньшую стоимость по сравнению со стоимостью гидромашин других типов.

Применение аксиально-поршневых гидромашин наиболее целесообразно при среднем и высоком давлении в гидросистемах мобильных машин и цикличном характере изменения внешней нагрузки. Дополнительные устройства обеспечивают реверсирование потока и изменение подачи.

Аксиально-плунжерные гидромашины бескарданного типа с прямой осью или, что то же самое, с наклонным диском конструктивно проще и компактнее аксиально-поршневых гидромашин с наклонным блоком цилиндров. Вследствие этого первые гидромашины более технологичны, имеют меньшее число деталей, менее трудоемки в изготовлении и более приспособлены к крупносерийному и массовому производству, имеющему высокий уровень автоматизации. Однако такие машины требуют большей чистоты рабочей жидкости, а КПД их в некоторых случаях может быть несколько ниже КПД аксиально-поршневых гидромашин.

В результате анализа современных конструкций аксиально-поршневых гидромашин установлено следующее

1. Основным направлением совершенствования конструкций аксиально-поршневых гидромашин является улучшение энергетических показателей, главным образом, путем увеличения номинального давления, частоты вращения и угла наклона блока цилиндров. По критерию наименьшей стоимости объемного гидропривода максимальное давление следует повысить до 32 – 40 МПа.

2. Аксиально-поршневые гидромашины с наклонным блоком цилиндром получили наиболее широкое применение в объемных гидроприводах машин, работающих в средних и тяжелых режимах внешних нагрузок с большой частотой включения. Их следует предпочитать при выборе перспективного типа гидромашин с учетом номинального давления, так как они более надежны в условиях переменных нагрузок и менее чувствительны к загрязнению рабочей жидкости, чем аксиально-поршневые гидромашины с наклонным диском.

Традиционная схема исполнения гидромашин с наклонным блоком цилиндров и торцовым распределением рабочей жидкости позволяет повысить номинальное давление до 32МПа.

3. При выборе предпочтительной конструкции из наиболее распространенных конструкций аксиально-поршневых гидромашин следует учитывать, что при прочих равных условиях гидромашины с шатунной кинематикой имеют следующие преимущества:

– возможность работы в насосном и моторном режимах с замкнутой и разомкнутой циркуляциями рабочей жидкости;

– высокая всасывающая способность, обеспечивающая удовлетворительное заполнение рабочего объема при широком диапазоне изменения вязкости рабочей жидкости, что особенно важно для гидроприводов мобильных машин, эксплуатируемых на открытом воздухе при широком диапазоне изменения температуры;

– относительно меньшая чувствительность к чистоте рабочей жидкости (могут надежно работать при тонкости фильтрации до 40 мкм);

– возможность встраивания регуляторов давления и расхода, а также вспомогательного насоса для питания системы управления и подпитки.

В аксиально-поршневых гидромашинах с наклонным блоком цилиндров использована унифицированная конструкция качающих узлов, различающихся лишь габаритными размерами. Это создает предпосылки для организации их массового производства на автоматических и поточных линиях, основанного на принципе специализации деталей и сборочных единиц.

При сравнении гидромашин обычно используют показатели удельной массы (материалоемкости) , кг/кВт и энергоемкости E = N/V₀, кВт/см³, относя массу m к мощности N и мощность к рабочему объему V₀.

Удельная масса отражает совершенство конструкции, преимущества принципиальной и конструктивной схемы. Поскольку гидромашины эксплуатируют в самых разнообразных режимах, возникает вопрос: какую мощность следует выбирать для критерия сравнения. Гидромашины интенсивного разового применения, очевидно, должны оцениваться по максимальной мощности N_max. Номинальная мощность N_НОМ соответствует условному режиму испытаний, принятому фирмой-изготовителем, но не известному потребителям. Поэтому удельная масса для гидромашин различных фирм не дает достоверных сравнительных данных.

Наиболее точно условия эксплуатации гидромашин оценивает эквивалентная мощность (здесь t_i – время работы в частном режиме, с; N_i – мощность гидромашины в типовом частном режиме эксплуатации), однако этот параметр не является нормативным и методика его расчета не регламентирована.

Общая интегральная работа, ГДж (энергоотдача, выполненная за гарантированное время работы Т) равна:

Е_=N_эT

Для комплексной оценки совершенства гидромашин в отношении интенсивности работы, ресурса и удельной массы (металлоемкости) целесообразно использовать критерий удельной энергоотдачи, равный суммарной работе гидромашины за гарантированное время Т, отнесенное к произведению производной ее массы на рабочий объем:

А_m=Е_/mV₀ (ГДж/(кгсм³))