Математическая модель регулятора аксиально поршневого насоса

В объемных гидроприводах наряду с шестеренными широко используют роторные аксиально-поршневые насосы , которые без переделок можно с успехом использовать и в качестве гидромоторов.

Кинематической основой таких гидромашин служит кривошипно-шатунный механизм, в котором цилиндры перемещаются параллельно (аксиально) один другому, а поршни движутся вместе с цилиндрами и одновременно из-за вращения вала кривошипа перемещаются относительно цилиндров.

Рабочие камеры у таких насосов образованы поверхностями цилиндров и поршней, оси которых параллельны оси блока цилиндров или составляют с ней угол не более 45°. Если указанный угол превышает 45°, то такие насосы относят (согласно определениям ГОСТ 17398-72) к радиально-поршневым насосам.

К этому типу гидравлических машин относятся и аксиально-плунжерные насосы , в которых функцию нагнетателя выполняет плунжер, т. е. поршень маленького диаметра.

Аксиально-поршневые и аксиально-плунжерные гидромашины выполняют по двум основным схемам: с наклонным диском и с наклонным блоком цилиндров. Наибольшее распространение получили насосы с наклонным диском (рис. 1) .

Насос состоит из корпуса (на рисунке не показан) , блока цилиндров с поршнями 2 , наклонного диска 3 , выполненного в виде упорного подшипника качения, неподвижного торцового распределителя 5 .

Поршни 2 пружинами 6 постоянно поджаты к наклонному диску. Вал 4 насоса передает вращение блоку 1 от приводного электродвигателя.

Рабочие камеры насоса образованы поверхностями цилиндрических расточек (цилиндров) блока 1 и торцами поршней 2 .

Для подвода и отвода жидкости в распределителе 5 выполнены дугообразные пазы В всасывания и Н нагнетания, которые отверстиями 7 и 8 соединены соответственно с всасывающим и напорным трубопроводами. При вращении блока 1 рабочие камеры попеременно сообщаются с пазами В и Н распределителя.

Если наклонный диск 3 установить под некоторым углом к оси I-I , то при вращении блока 1 поршни 2 будут совершать возвратно-поступательное движение в расточках, что приведет к периодическому изменению объемов рабочих камер насоса.

При вращении вала, например, по часовой стрелке, рабочие камеры, находящиеся слева от вертикальной оси распределителя и сообщающиеся с пазом В , увеличивают свой объем.

В этих камерах образуется вакуум и за счет разности давлений жидкость из бака насосной станции заполняет камеры – происходит процесс всасывания.

Одновременно, рабочие камеры, находящиеся справа от оси распределителя и сообщающиеся с пазом Н , уменьшают свой объем. Поршни в этих камерах оказывают силовое воздействие на жидкость, что приводит к росту давления, и вытесняют ее в напорный трубопровод – происходит процесс нагнетания.

Изменяя угол наклона диска за счет его поворота относительно оси II-II , можно изменять производительность насоса.

При этом если диск 3 установлен перпендикулярно оси I-I , движение поршней 2 в цилиндрах прекратится, и производительность насоса будет равна нулю.

Наклон диска в другую сторону приводит к изменению направления потока жидкости, то есть приведенная на рисунке 1 схема позволяет создать регулируемый и реверсируемый насос.

• Теоретическая производительность аксиально-поршневого насоса определяется по формуле:
• Qm = πd 2 (D tg β zn)/4 ,
• где: d – диаметр поршня; D – диаметр окружности блока, на которой расположены оси цилиндров с поршнями; β – угол наклона диска; z – число поршней в блоке;
• n – частота вращения блока (обычно равна частоте вращения вала приводного электродвигателя).
• Рабочие характеристики и параметры аксиальных насосов определяются по алгоритмам и формулам, описаным в разделе объемные насосы.

Область применения аксиально-поршневых насосов

Аксиально-поршневые насосы нашли применение в гидроприводах, работающих при давлении жидкости до 20 МПа. Их устанавливают, например, в гидросистемах экскаваторов и другого горного оборудования, бульдозеров, в гидроприводе металлообрабатывающих станков, асфальтовых катков, дорожной и строительной техники, самолётов.

Такого типа насосы используют в приводах оборудования большой мощности (до 60 кВт) . Небольшие радиальные размеры насосов позволяют эксплуатировать их при частотах вращения ротора до n = 25 с -1 высоким (до 85%) КПД. Тонкость фильтрации масла должна быть не хуже 25 мкм (с целью повышения ресурса предпочтительна фильтрация с тонкостью 10 мкм) .

Аксиально-поршневым называют роторный поршневой насос, у которого угол между осью вращения ротора и осям рабочих органов не превышает 45°.

Классификация аксиально-поршневых насосов

По виду кинематических схем конструкции различают аксиально-поршневые насосы:

• с наклонным диском – кулачковый
• с наклонным блоком – шатунный

По механизму синхронизации движения:

• Двойной несиловой кардан (если вал объединен с блоком шатунов)
• Двойной силовой кардан (если на блок шатунов приходится большая часть нагрузки)

По возможности регулирования рабочего объема:

Чем аксиально-плунжерный насос отличается от поршневого

Плунжерный насос отличается от поршневого конструкцией вытеснителя, в первом случае это плунжер, во втором – поршень.

Нерегулируемые аксиальные насосы

В нерегулируемых насосах, угол наклона блока, или диска не изменяется.

Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком

При вращении вала 1 насоса, установленного в подшипниках 2, наклонный блок 3 приводится во вращение шарнирно-расположенными поршнями 4. В процессе работы поршни совершают линейное перемещение относительно блока. Величина хода поршней зависит от угла наклона блока. В распределительном диске 5 выполнены серповидные пазы 6, один и которых соединен с линией всасывания, второй – с линией нагнетания.

Расчет подачи аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком

Теоретическая подача объемного насоса пропорциональна его рабочему объему q и частоте вращения вала n:

Рабочий объем аксиально-поршневого насоса можно вычислить, используя формулу:

• где d – диаметр поршня
• z – число поршней
• h – ход поршня

Ход поршня аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком зависит от угла α наклона блока и диаметра расположения поршней D:

Для вычисления реальной подачи необходимо теоретическую умножить на объемный КПД (0,9. 0,98 для поршневых насосов ):

Аксиально-поршневой насос с наклонным диском

Блок цилиндров 2 установлен на приводном валу 1. Поршни 4, установленные в башмаках 3 опираются на наклонный диск (или шайбу). При вращении вала с блоком 5 поршни за счет наклона диска будут совершать возвратно-поступательное движение относительно блока. В распределительном диске 6 выполнены серповидные окна, которые соединяются с линиями всасывания и нагнетания.

  Штиль 180 не регулируются холостые обороты

Расчет подачи аксиально-поршневого насоса с наклонным диском

1. Расчетная схема показана на рисунке.
2. Для вычисления подачи насоса нужно знать его рабочий объем и частоту вращения приводного вала:
3. Величина хода поршня зависит от геометрии насоса с наклонным диском.

• где D – диаметр расположения поршней
• α – угол наклона шайбы

Регулируемые аксиально-поршневые насосы

Регулируемыми могут быть как насосы с наклонным блоком так и с наклонным диском.

Регулируемый насос с наклонным блоком

Для изменения угла наклона блока может быть использовано механическое, гидравлическое или электрическое пропорциональное управление. Принципиальная схема регулируемого аксиально-поршневого насоса показана на рисунке.

Угол наклона блока 1 изменяется с помощью винтовой передачи 2. Если наклон отсутствует, то подача насоса будет равна 0. При максимальном значении угла наклона блока относительно оси приводного вала подача насоса будет максимальной.

Регулируемый насос с наклонным диском

Рабочий объем насосов данного типа можно регулировать изменяя угол наклона шайбы. Управление может быть механическим или гидравлическим.

На рисунке показан аксиально-поршневой регулируемый насос с наклонным диском 2. На который с одной стороны воздействует плунжер 3, с другой – пружина 1.

При изменении давления рабочей жидкости под плунжером наклон диска будет меняться.

При отсутствии наклона шайбы подача насоса будет нулевой. При увеличении угла наклона шайбы подача будет увеличиваться.

Development of new technology REPAIR Axial-piston hydraulic

• Образец оформления дополнительных сведений к докладу для подачи в сборник материалов конференции смотрите в приложении 1.
• Приложение 1
• Образец оформления дополнительных сведений к докладу
• Для подачи в сборник материалов конференции
• Сведения об авторе

Иванов Иван Иванович — доцент кафедры техники и технологий ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат технических наук. Тел. 8-8342-250000.

1. Е-mail: [email protected]
2. Разработка новой технологиИ ремонтА
3. Регулируемых АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫХ ГИДРОмашин
4. Development of new technology REPAIR Axial-piston hydraulic

Аннотация.Статья посвящена разработке технологии ремонта регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, исследованию износов деталей и соединений, установлению степени их влияния на КПД гидронасоса.

Abstract. The article is devoted to development of technology of repair of controlled axial-piston hydraulic machines, investigation of wear and connections, establishing the degree of their impact on the efficiency of the pump.

Ключевые слова: регулируемый аксиально-поршневой гидронасос, ресурс, качающий узел, утечка жидкости, математическая модель, электроискровая обработка, технологические рекомендации.

Keywords: adjustable axial piston pump, resource, pumping unit, leaking fluid, the mathematical model, spark erosion, technological advice.

Раздел ГРНТИ:68.85.83 — Техническое обслуживание, ремонт машинно-тракторного парка и сельскохозяйственного инвентаря

Требования к предоставляемым материалам

Текст набирается в текстовом редакторе Word для Windows шрифтом Times New Roman Cyr. Объем статьи 5–6 страниц.

В левом углу без отступа 14 шрифтом указывается УДК.

Через один межстрочный интервал посередине строки ЗАГЛАВНЫМИ буквами печатается название статьи (шрифт 12 жирный).

Через один межстрочный интервал справа указываются строчными буквами инициалы и фамилия(ии) автора(ов) 14 шрифтом (без жирности).

Между инициалами (имя – пропуск, отчество – пропуск) и фамилией сделать по одному пропуску. Ниже указывается название организации – шрифт 14, курсив светлый.

Текст рукописи печатается с красной строки (1,25) через один межстрочный интервал после фамилии авторов (и учреждения). Текст набирается с установленным автоматическим переносом. Ссылки на литературу делать в конце текста после слов Библиографические ссылки — (шрифт 12 светлый). Сноски печатать в квадратных скобках. Например – [1]. Не применять концевые и пограничные сноски.

Поля: верхнее – 25 мм, нижнее – 25 мм, левое – 25 мм, правое – 25 мм. Красная строка 12,5 мм. Бумага писчая – белого цвета формата 210х297. Качество печати – повышенное (лазерный или струйный принтеры).

При пересылке эл. почтой уточните по телефону факт получения.

УДК 631.3.072: 62-822

Разработка новой технологиИ ремонтА

Регулируемых АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫХГИДРОмашин

А.В. Столяров

ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарёва»

Аннотация.Статья посвящена разработке технологии ремонта регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, исследованию износов деталей и соединений, установлению степени их влияния на КПД гидронасоса.

Ключевые слова:регулируемый аксиально-поршневой гидронасос, ресурс, качающий узел, утечка жидкости, математическая модель, электроискровая обработка, технологические рекомендации.

Development of new technology REPAIR Axial-piston hydraulic

Abstract. The article is devoted to development of technology of repair of controlled axial-piston hydraulic machines, investigation of wear and connections, establishing the degree of their impact on the efficiency of the pump.

Keywords: adjustable axial piston pump, resource, pumping unit, leaking fluid, the mathematical model, spark erosion, technological advice.

В гидравлических системах современных отечественных и зарубежных сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин для передачи крутящего момента от двигателя внутреннего сгорания к исполнительным механизмам применяются объемные гидроприводы, составной частью которых являются регулируемые аксиально-поршневые гидромашины, например, серии 313.3[1].

…

Согласно закону Холла – Петча

• где HV– микротвёрдость материала покрытия по Виккерсу; d– размер кристаллитов;H0и k – постоянные.
• …
• На рисунке 1 представлена схема утечки жидкости через соединения регулируемого аксиально-поршневого насоса.

1. Рисунок 1 – Схема утечки жидкости через соединения регулируемого аксиально-поршневого насоса: Qн – фактическая подача насоса; Rн– фактический расход насоса; qку – суммарная утечка жидкости в соединениях качающего узла; qш-в– утечки через зазор в соединении «шатун-вал»; qб-п — утечки через зазор в соединении «блок цилиндров — поршень»; qб-р- утечки через зазор в соединении «блок цилиндров – распределитель»; qк-р — утечки через зазор в соединении «распределитель – крышка»; qрег — утечки через зазоры в соединениях регулятора.
2. …
3. Таблица 1 – Значения контактных напряжений в соединениях нового агрегата, МПа.

Соединение	Исследуемая поверхность	Минимальноезначение	Среднее значение	Максимальное значение
«Блок цилиндров – распределитель»	Сферическая поверхностьблока цилиндров	3,14	18,0	26,9
Сферическая поверхностьраспределителя	3,74	15,7	23,5

…

Экономический эффект при программе ремонта 100 регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3.112 в год по разработанной технологии составляет 1 901 430 рублей.

Математическая модель силовой части гидропривода с объемным регулированием

Механика гидро — и пневмоприводов

Силовая часть гидропривода с объемным регулировани­ем состоит из исполнительного двигателя с поступательным или вращательным движением выходного звена и объемного насоса с изменяемой подачей. Чтобы познакомиться с особен­ностями математического описания процессов в гидродвигате­лях при неограниченном вращательном движении выходного звена, т. е.

в гидромоторах, рассмотрим схему, изображенную на рис. 5.4, а. На схеме вал аксиально-поршневого гидромото­ра 1 соединен с нагрузкой 2. Рабочая жидкость поступает в гидромотор от аксиально-поршневого насоса 3, подача которо­го может изменяться как по величине, так и по направлению путем регулирования угла 7Н наклона шайбы.

В соответствии со схемой движение жидкости происходит по замкнутому ги­дравлическому контуру, причем так, что у насоса либо верх­няя гидролиния является напорной, а нижняя — всасывающей, либо наоборот. Для компенсации утечек жидкости предусмо­трены клапаны 4, к которым подведена жидкость под давле­нием Рподп подпитки от вспомогательного насоса.

Расходная характеристика этих клапанов приведена на рис. 5.4, б.

Рис. 5.4. Схема силовой части гидропривода с объемным ре­гулированием (а) и характеристика (б) подпиточных клапанов

При давлении р < рПодп открывается верхний клапан, пропуская жидкость (расход фподп 1) в гидролинию с давлени­ем р1, при р2 < Рподп открывается нижний клапан, и расход Фподп 2 поступает в гидролинию с давлением р2. Если давле­ние Рподп меньше одного из указанных давлений, то соответ­

Ствующий клапан закрыт, а если рПодп < Р и рПодп < Р2> то закрыты оба клапана (ро на прямой 2 рис. 5.4, б).

В точке, для которой р = р2 = Рподп) характеристика имеет разрыв по пер­вой производной и поэтому в данной точке не может быть ли­неаризована методом малых отклонений.

С целью получения линейной математической модели силовой части гидропривода с объемным регулированием предположим, что при выбранном для исследования режиме работы привода (р = р2 = Ро на прямой I) клапаны открыты и соответственно

• Фподп 1 = &кл(Рподп “Р1); (5.50)
• Фподп2 — &кл(Рподп «»Р2)) (5.51)
• Где ккл — проводимость клапана.
• Для момента времени, при котором вследствие малого от­клонения шайбы насоса от среднего положения жидкость по­ступает из насоса в гидролинию с давлением р, а из гидроли­нии с давлением р2 уходит в насос, запишем следующие урав­нения расходов:

Як — Ям + Яп. к + Яп. м +

“I» Яу. к 1 “I» Яу. м 1 “Ь Ясж1 ~~ Фподп 15 (5.52)

Фн — Фм + Фп. н + Фп. м»“

Фу. н2 Фу. м2 Фсж2 «I» Фподп2* (5.53)

В уравнениях (5.52) и (5.53) расходы фСж1 и Фсж2 являют­ся теми составляющими подачи фн насоса, которые связаны с сжимаемостью жидкости. Остальные составляющие фн, по­казанные на схеме (см. рис. 5.

4, а) стрелками, учитывают рас­ход фм, обеспечивающий вращение вала гидромотора, а также утечки и перетечки жидкости в насосе и гидромоторе.

Уравне­ния упрощается, если насос и гидромотор имеют одинаковые размеры и изготовлены с одинаковыми допусками. В этом слу­чае можно принять, что

Фп. н — фп. м — Фпер> Qy. nl — Фу. м1 — Фут1> Фу. н2 ~ Фу. м2 ~ Фут2*

Фпер = ^пер(р1 Р2)) Фут1 = кутР1) Фут 2 = ^утР2>

1. Перечисленные составляющие фн определяют с помощью следующих соотношениий:
2. (5.54)
3. (5.55)
4. (5.56)
5. (5.57)

Где дм = Ум/(2тг) — рабочий объем гидромотора, отнесенный к одному радиану угла поворота его вала; А? пер — проводи­мость зазоров, по которым в насосе и гидромоторе происходят перетечки жидкости из камер с высоким давлением в камеры с низким давлением; кут — проводимость зазоров в насосе и гидромоторе, по которым происходит утечка жидкости.

• Предполагая, что гидролинии выполнены из трубопрово­дов с одинаковыми проходными сечениями и имеют одинако­вую длину, а также считая стенки трубопроводов абсолютно жесткими, запишем
• Уо_

Аксиально-поршневые насосы: устройство, принцип работы, плюсы и минусы

Насос аксиально-поршневой – это техническое устройство, относящееся к категории гидравлических машин, механическая энергия рабочего органа которых преобразуется в энергию движущегося потока жидкости.

Если такие машины совершают обратное действие (другими словами, энергия потока жидкости преобразуется в механическую), они называются гидромоторами.

Использоваться как гидромоторы, так и гидравлические насосы стали достаточно давно, а сегодня они активно применяются практически везде.

Аксиально-поршневые насосы устанавливаются на самосвалах, бункеровозах, мультилифтах и другой технике

Что собой представляет гидронасос аксиально-поршневого типа

Насос гидравлический аксиально-поршневой, как и радиально-поршневой, является устройством объемного типа, которое функционирует за счет изменения объема рабочих камер. В гидравлических насосах аксиально-поршневой группы такие рабочие камеры сформированы расточками, которые выполнены в цилиндрическом блоке.

В отличие от радиально-поршневых насосов, у аксиально-поршневых машин внутренние рабочие камеры располагаются параллельно по отношению к поршням и оси самого устройства.

В ходе перемещения поршней такого насоса при вращении цилиндрического блока происходит увеличение или уменьшение объема рабочих камер, что и позволяет устройству всасывать и отдавать перекачиваемую им жидкость.

Аксиально-поршневой насос в разрезе

Как и у радиально-поршневых насосов, рабочие камеры аксиально-поршневых устройств соединены с всасывающим и нагнетательным патрубками, через которые и осуществляются забор и отдача перекачиваемой воды.

Процесс соединения рабочих камер с всасывающим и нагнетательным патрубками насосов, относящихся к аксиально-поршневой группе, происходит поэтапно.

По тому, как работает гидравлический насос, относящийся к аксиально-поршневому типу, он схож с паровыми и радиально-поршневыми насосами.

Конструктивные особенности и принцип действия

Гидронасос аксиально-поршневого типа состоит из следующих элементов:

• поршней, также называемых плунжерами, которые входят в состав блока цилиндров;
• элементов шатунного типа;
• ведущего вала, который также называется основным;
• механизма, который выполняет распределительные функции.

Устройство аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком

Принцип, по которому работает поршневой гидронасос аксиального типа, основывается на том, что его основной вал, вращаясь, сообщает движение элементам блока цилиндров.

Вращение основного вала насосов аксиально-поршневого типа преобразуется в возвратно-поступательное перемещение поршней, совершаемое параллельно оси блока цилиндров.

Именно благодаря характеру таких движений поршня, которые являются аксиальными, насос и получил свое название.

Принцип работы аксиально-поршневого гидронасоса

В результате движения, совершаемого поршнями в цилиндрах аксиально- плунжерного насоса, происходит попеременное всасывание и последующее нагнетание жидкости через соответствующие патрубки. Соединение рабочей камеры насоса с его всасывающими и нагнетающими линиями происходит последовательно, при помощи специальных окон, выполненных в распределительном механизме.

Чтобы минимизировать риск возникновения неисправностей при работе блока цилиндров гидронасосов аксиально-поршневого типа, а также обеспечить надежную эксплуатацию такого устройства, его распределительный механизм максимально плотно прижимается к блоку цилиндров, а окна такого блока разделяются между собой специальными уплотнительными прокладками.

На внутренней поверхности окон распределительного механизма выполнены дроссельные канавки, наличие которых позволяет уменьшить величину гидравлических ударов, возникающих в трубопроводной системе при работе насоса.

Наличие таких канавок на внутренней поверхности окон распределительного механизма помогает максимально плавно повышать давление рабочей жидкости, создаваемое в цилиндрах.

Как становится понятно из вышеописанной конструкции аксиально-поршневого гидравлического насоса, его рабочими камерами являются цилиндры, расположенные параллельно (аксиально) оси его ротора, а вытеснение жидкости из таких цилиндров осуществляется за счет возвратно-поступательных движений поршня.

Основные разновидности

По своему конструктивному исполнению поршневой гидронасос, как и гидромотор аксиально-поршневого типа, может относиться к одной из следующих категорий:

• устройства с шайбой, устанавливаемой под определенным углом;
• аксиально-поршневые насосы или гидромоторы, оснащенные блоком цилиндров наклонного типа.

Блок цилиндров гидромоторов и гидравлических насосов аксиально-поршневого типа, оснащенных наклонной шайбой, установлен соосно по отношению к приводному валу и при этом жестко связан с ним.

Поршни, перемещающиеся в проточках рабочей камеры, опираются своей торцевой поверхностью на шайбу, которая устанавливается под углом к оси приводного вала.

Принцип работы такого аксиально-поршневого насоса заключается в том, что при совместном вращении соединенных между собой приводного вала и наклонной шайбы поршни устройства начинают двигаться возвратно-поступательно, уменьшая или увеличивая таким образом объем рабочих камер.

Когда же объем рабочих камер начинает изменяться, осуществляется всасывание и выталкивание перекачиваемой через насос жидкости.

Устройства с наклонной шайбой относятся к регулируемым гидронасосам, так как, изменяя угол, под которым расположена рабочая поверхность наклонной шайбы, можно менять и параметры потока перекачиваемой жидкости.

Более того, при помощи такого насосного устройства можно осуществлять реверсирование подачи воды, изменяя направление угла наклона шайбы к оси приводного вала на противоположное. Насосы аксиально-поршневого вида, оснащенные наклонной шайбой, устанавливаются в гидравлических системах, работающих под средними и высокими нагрузками.

Принципиальные схемы аксиально-поршневых гидромашин

Корпус аксиально-поршневых гидравлических насосов, оснащенных блоком цилиндров наклонного типа, имеет V-образную конфигурацию, а их приводной вал выполнен в виде буквы Т. Угол, под которым блок цилиндров рассматриваемого аксиального насоса расположен к оси приводного вала, может составлять от 26 до 40°, а количество поршней доходит до 7 штук.

Принцип работы такого аксиально-поршневого насоса состоит в следующем: когда начинает вращаться приводной вал, соединенный с поршнями посредством шатунных механизмов, приводится во вращение и наклонный блок цилиндров, а поршни, расположенные в аксиальных проточках, начинают совершать движения возвратно-поступательного типа, тем самым уменьшая или увеличивая объем рабочих камер.

Процесс всасывания и нагнетания перекачиваемой рабочей среды в аксиально-поршневых насосах такого вида осуществляется через специальные отверстия-окна, выполненные в распределительном устройстве, которое располагается неподвижно относительно вращающегося наклонного блока цилиндров. В отличие от паровых и радиально-поршневых насосов, в устройствах данного типа можно регулировать объем рабочей камеры. Решается такая задача регулировкой угла наклона блока цилиндров по отношению к оси приводного вала при помощи специальных механизмов.

В аксиально-поршневых насосах применяется унифицированный качающийся узел

В зависимости от того, как реализована конструктивная схема плунжерного насоса аксиального типа, он может относиться к одному из двух видов:

1. В устройствах, оснащенных двойным несиловым карданом, достигается полное соответствие углов, измеряемых между промежуточным, ведущим и ведомым валами. При работе гидравлических насосов данной категории их валы (ведущий и ведомый) двигаются синхронно, что позволяет снизить нагрузку на карданный вал, который, взаимодействуя с диском, передает крутящий момент.
2. Насосы аксиально-поршневого типа имеют конструкцию, в которой реализована схема точечного касания поршней с поверхностью наклонного диска. В таком устройстве отсутствуют карданные и шатунные механизмы, что упрощает его конструкцию. Наиболее значимым недостатком аксиально-поршневых насосов данной категории является то, что для их запуска необходимо принудительно выдвинуть поршневые элементы из рабочих камер и затем прижать их торцевую часть к поверхности наклонного диска. Между тем за счет простоты конструкции регулярное техническое обслуживание и ремонт гидронасосов данного типа не представляет больших сложностей.

Достоинства и недостатки

Аксиально-поршневой гидромотор и гидравлический насос данного типа при сравнении с радиальными и паровыми устройствами отличаются следующими достоинствами:

• При достаточно компактных размерах и небольшом весе такие устройства обладают внушительной мощностью и достойной производительностью.
• За счет компактных размеров и небольшого веса насосы, относящиеся к аксиально-поршневому типу, при работе создают небольшой момент инерции.
• Частоту вращения выходного вала аксиально-поршневого гидромотора регулировать очень легко.
• Данные устройства эффективно функционируют даже при достаточно высоком давлении рабочей среды и при этом создают соответствующий крутящий момент выходного вала.
• В таких установках можно изменять объем рабочей камеры, чего не удается достичь при использовании гидронасосов и гидромоторов радиально-поршневых.
• Частота, с которой вращается выходной вал гидромоторов данного типа, в зависимости от модели может находиться в диапазоне 500–4000 об/мин.
• В отличие от насосов радиально-поршневых, которые могут работать при давлении рабочей жидкости, не превышающем значение 30 мПа, аксиальные установки способны функционировать при давлении, доходящем до 35–40 мПа. При этом потери величины такого давления будут составлять всего 3–5%.
• Поскольку поршни аксиальных насосов устанавливаются в рабочих камерах с минимальными зазорами, достигается высокая герметичность таких установок.
• При использовании насосов данного типа можно регулировать как направление подачи, так и давление рабочей жидкости.

Регулируемый аксиально-поршневой гидромотор применяется на погрузчиках, экскаваторах и автокранах

Как и у любых других технических устройств, у аксиально-поршневых насосов есть недостатки:

• Такие насосы стоят достаточно дорого.
• Сложность конструктивной схемы значительно затрудняет ремонт аксиально-поршневых гидронасосов.
• Из-за не слишком высокой надежности эксплуатировать гидравлические механизмы данного типа следует только согласно инструкции, иначе можно столкнуться не только с невысокой эффективностью работы такого устройства, но и с его частыми поломками.
• При использовании насосного оборудования данного типа жидкость в гидравлическую систему подается с большой пульсацией и, соответственно, расходуется неравномерно.
• Из-за высокой пульсации, характерной для функционирования таких насосов, гидравлика, которой оснащена трубопроводная система, может работать некорректно.
• Гидравлические механизмы аксиально-поршневого типа очень критично реагируют на загрязненную рабочую среду, поэтому использовать их можно только с фильтрами, размер ячеек которых не превышает 10 мкм.
• Аксиально-поршневые гидравлические устройства из-за особенностей своей конструкции издают при работе значительно больше шума, чем модели насосов и гидравлических моторов пластинчатого и шестеренного типа.

К аксиально-поршневому типу, как упомянуто выше, могут относиться не только гидравлические насосы, но и гидромоторы. Принцип работы гидромотора практически идентичен принципу действия аксиально-поршневого насоса.

Основная разница состоит в том, что совершается такая работа в обратной последовательности: в устройство под определенным давлением подается жидкость, которая и заставляет двигаться поршни гидромотора, приводящие во вращение его выходной вал.

Математическое моделирование связи объемного коэффициента полезного действия (КПД) регулируемых аксиально-поршневых насосов с факторами, влияющими на утечку рабочей жидкости

Теоретический анализ факторов, определяющих работоспособность регулируемых аксиально-поршневых гидромашин, показал, что при прочих равных условиях, наибольшее влияние на объемный КПД агрегата оказывают величины зазоров в соединениях качающего узла и регулятора.

В научно-технической литературе [32-43] существуют различные мнения о степени влияния этих факторов на объемный КПД аксиально-поршневых гидромашин.

Одни авторы [57] считают, что наибольшее влияние оказывают поршневые пары, другие [46] считают, что предельное состояние насоса определяется износами сферических торцовых поверхностей блока цилиндров и распределителей [13].

Мнения исследователей о влияние элементов управления углом наклона качающего узла (регулятора) противоречивы и недостаточно изучены. Влияние регулятора имеет более сложную регрессионную зависимость. Это связало со сложностью процессов, происходящих в процессе управления и регулирования.

По нашему мнению, наиболее достоверным способом определения влияния различных факторов на работоспособность агрегата является полнофакторный эксперимент, который позволит оценить коэффициенты значимости факторов, определяющих параметр оптимизации — КПД.

Математическое описание объемного КПД насоса в окрестностях точки, отвечающей основным значениям факторов, получается варьированием каждого из факторов на двух уровнях, отличающихся от основного (нулевого) уровня на величину шага варьирования.

Исходными математическими моделями, качественно описывающими влияние зазоров в соединениях на объемную утечку рабочей жидкости и объемный КПД, могут служить выражения 2.4 и 2.10.

Тогда, уравнение регрессии, например, для трехфакторного эксперимента будет иметь вид: з ЇЇт = M{??VH} К + V/ +Y,biJzizj + + bmzz2zi + є, /=і ij где rjVH — объемный КПД насоса (параметр оптимизации); z, — зазоры в сопряжениях (факторы), которые варьируются при постановке эксперимента; bo, b;, by и т.д. оценки коэффициентов значимости; є — погрешность оценки.

Предварительное определение предельных и допустимых значений зазоров в соединениях регулируемых аксиально-поршневых насосов серии 313.3, оказывающих влияние на работоспособность агрегата осуществлялось путём проведения однофакторного эксперимента. Методика эксперимента представлена в п. 3.2, результаты п. 4.3.

Однофакторный эксперимент показал, что влияние зазоров в соединениях шатун-вал, распределитель — крышка, поршень регулятора — палец, палец — золотник менее 5 %, следовательно, они не оказывают существенное влияние на объемный КПД агрегата. Поэтому эти факторы из дальнейших исследований исключены.

Наибольшее влияние на объемный КПД оказывают соединения «блок цилиндров — поршень», «блок цилиндров — распределитель», «поршень регулятора — крышка». Эти соединения приняты за факторы полного факторного эксперимента по плану 23.

Многофакторный эксперимент для регулируемого аксиально-поршневого насоса проведен с интервалами факторов представленных, в таблице 2.1, нижний уровень которых соответствует средним величинам технологических параметров. Верхний уровень определяли по результатам микро-метражных исследований и предварительного однофакторного эксперимента.

В качестве фактора соединения «блок цилиндров — распределитель» принято максимальная площадь износа в одном из сечений сферической поверхности. Значение площади износа в сечении, при котором объемный КПД агрегата не менее 0,95 принимали за нижний уровень варьирования фактора.

Методика многофакторного эксперимента представлена в п. 3.4. Задачи многофакторного эксперимента заключались в следующем: — установить зависимость объемного КПД насоса серии 313.3.

112 при номинальном давлении в линии нагнетания Р = 20 МПа от зазоров в ресурсо-лимитирующих соединениях «блок цилиндров — распределитель», «блок цилиндров — поршень», «поршень регулятора — крышка»; — установить предельные и допустимые износы деталей и зазоры в ре-сурсолимитирующих соединениях.

где X] — площадь износа в соединении «блок цилиндров — распределитель», Х2 — зазор в соединении «блок цилиндров — поршень», Хз — зазор в соединении «поршень регулятора — крышка». Проверку однородности дисперсии проводили по критерию Кохрена.

Табличное значение критерия GKp = 0,5157, при уровне значимости q = 5 %, степенях свободы Vib = 2 и Vjb = 8. Расчетное значение критерия Кохрена составило G = 0,51048 (по формуле 3.13). Расчетное значение критерия оказалось меньше табличного (G = 0,51048 GKp = 0,5157), следовательно, гипотеза об однородности дисперсий принималась.

Значимость расчетных коэффициентов регрессии проводили по t — критерию Стьюдента. При этом задавались уровнем значимости q = 5 % и степенью свободы V3H = 16. t — критерий для каждого расчетного коэффициента регрессия определяли по формуле 3.14.

Факторы, у которых расчетное значения t — критерия оказалось меньше критического tKp -признавались не значимыми. Abi = tKpS{bi}, Abj= 1,715 х 0,03835 = 0,0658. Результаты расчетов представлены в таблице 2.2. Таблица 2.

2 — Результаты расчета коэффициентов регрессии и критерия Стьюдента

Регулятор аксиально-поршневого насоса

В качестве варьируемых параметров выбираются конструктивные параметры регулятора: жесткость пружины гидроцилиндра, коэффициент полноты использования периметра втулки золотника в левом и правом окнах, диаметр дросселя, соединяющего торцевую полость золот-ника с линией нагнетания насоса, сила предварительного поджатия пружины гидроцилиндра, диаметр поршня гидроцилиндра, диаметр золотника, линейный размер, определяющий суммарное открытие левой и правой кромок золотника, жесткость пружины золотника. Значения границ изменения варьируемых пара-метров приняты по прочностным, технологическим и другим условиям. Каждая комбинация варьируемых параметров приводит к изменению стати-ческих и динамических характеристик регулятора по отношению к исходным, а также к изменению начальных условий для решения системы дифференциальных уравнений. Для каждой пробной точки должны быть дважды вычислены началь-ные условия, которым на статической характеристике насоса соот-ветствуют два равновесных состояния системы насос-регулятор: при отсутствии расхода жидкости потребителем Qs=0 и при максималь-ном потреблении Qs=Qsmax. Положение регулирующего органа насоса, при этих двух состо-яниях регулятора, определяется двумя значениями угла наклона шай-бы насоса, одно из которых приведет к появлению зоны не-чувствительности при управлении насоса регулятором, другое вызовет непроизводительные утечки в сис-теме, превышающие 10%, что недопустимо требованиями по энергетике насосной станции. Для избежания автоколебательного или неустойчивого процессов, а также процессов со слабым затуханием, введено ограни-чение по времени переходного процесса. Недопустимые по условиям прочности повышение или понижение давления в напорной магистрали при переходном процессе, вызванном изменением расхода жидкости потребителем, могут быть исключены с помощью соответствующего функционального ограничения. Показате-ли качества динамических характеристик регулятора оцениваются по максимальному отклонению наклонной шайбы и времени переходного процесса давления в напорной магистрали при возмущении, вызванном ступен-чатым изменением расхода потребителя. Из-за не симметрии действия сил на управляющий золотник и поршень гидроцилиндра приближенно эффективные значения некоторых параметров могут получаться различными по отношению к своим ограниче-ниям в зависимости от уменьшении или увеличении расхода жидкости Qs. В связи с этим, динамические характеристики оцениваются по двум переходным процессам: при увеличении расхо-да Qs от нуля до Qsmax/2 и при уменьшении его от Qsmax до Qsmax/2. Статическая точность регулятора оценивается крутизной характеристики насоса при автоматическом регулировании его подачи.

Результаты оптимизации. У большинства проектных вариантов регулятора, наблюдается улучшение динамических характеристик за счет уменьшения времени переходного процесса и динамической ошибки. Однако, это улучшение достигается за счет увеличения расхода Qупр жидкости, необходимого для управления насосом.

Каждый ЭГСП характеризуется параметрами: давлением настройки предохранительного клапана, коэффициентом подачи насоса, коэффициентом давления. Эти параметры приняты в качестве варьируемых.

Для оценки качества ЭГСП приняты критерии: энергетический показатель, определяемый количеством потребляемой приводом энергии в отсутствие командного сигнала; динамический показатель, характеризующий переходные процессы в приводе и точность, осуществляемого с помощью привода, управления объектом.

Необходимо рассмотреть схемы ЭГСП двух типов. ЭГСП второго типа имеет несколько меньшую потребляемую мощность. Схемы обоих типов ЭГСП имеют близкие значения показателей качества переходного процесса.

По потребляемой электрической мощности в отсутствие командного сигнала ЭГСП второго типа является более экономичным.

По качеству переходного процесса ЭГСП первого типа обладает несколько большим быстродействием.