гидравлические и вневматические системы

Форма промежуточного контроля
1. Общие сведения о гидромашинах. Понятие гидропередачи.
В настоящее время с/х производство оснащается машинами более высокого технического уровня, которые призваны значительно повысить производительность и условия труда, обеспечить высокое качество и экономичность выполняемых работ. Практически любое мобильное энергетическое средство, используемое в с/х производстве, содержит гидравлический привод. Особенно широкое применение он находит в тракторах и уборочных машинах. Использование гидропривода позволяет осуществлять автоматическое регулирование режимов работы машин и параметров технологических процессов в целом.
Гидроприводы используются в ходовой части (трансмиссии) и рулевом управлении самоходных машин для:
• управления навесными, полунавесными и прицепными машинами,
• погрузочными и разгрузочными механизмами прицепов, погрузчиков и транспортеров,
• сообщения вращательного движения активным рабочим органам,
• включения и выключения различных механизмов,
• облегчения управления и изменения скорости движения машины и других целей.
Они имеют существенные преимущества перед механическими приводами:
• возможность передачи энергии в любую точку машины при небольших усилиях управления;
• свобода расположения гидроагрегатов и простота конструкции при разветвлении потоков мощности;
• простота преобразования одного вида движения в другое;
• легкость реверсирования движения, бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах и т.д.
Бесступенчатое изменение скорости движения самоходной машины обеспечивает оптимальный режим ее технологического процесса при полном использовании мощности двигателя. Оперативное управление скоростью машин с гидромеханической трансмиссией, включая динамическое торможение, осуществляется одной рукояткой или педалью, что значительно облегчает условия работы механизатора.

2. Классификация гидронасосов и области их применения.
Гидравлическими насосами называются машины для создания потока жидкой среды. По принципу действия насосы могут быть разделены на две основные группы:
• объемные,
• динамические.
Классификация гидравлических насосов

Объемные насосы работают по принципу вытеснения жидкости. Эти насосы в свою очередь делятся на
• возвратно-поступательные,
• роторные.
К возвратно-поступательным насосам относятся поршневые и плунжерные.
Роторные включают в себя целую группу насосов: шестеренные, винтовые, шиберные, пластинчатые и т.д.
Возвратно-поступательные насосы состоят из цилиндра, в который набирается жидкость в процессе всасывания; поршня, который, двигаясь в цилиндре, осуществляет всасывание и нагнетание; клапанов, управляющих ходом работы насоса; всасывающего и нагнетательного патрубков. Эти насосы изготавливаются одиночными и спаренными. Трехпоршневые насосы обеспечивают практически равномерную подачу жидкости, тогда как в одно- и двухпоршневых насосах подача крайне неравномерна (пульсирующая).
В шиберных пластинчатых насосах роль поршня выполняет подвижная пластинка переменной площади поперечного сечения, а роль цилиндра выполняет пространство между эксцентрично посаженными цилиндрами и торцевыми стенками.
Шестеренные (шестеренчатые) насосы (см. рисунок ниже) предназначены преимущественно для перекачивания вязких жидкостей. Две шестерни, одна из которых ведущая, а другая ведомая, вращаясь в хорошо подогнанном корпусе, перемещают масло, заполняющее впадины между зубьями по части окружности из полости всасывания в полость нагнетания.

Рис. 2.1. Шестеренные (шестеренчатые) насосы
Рабочими органами винтового насоса (см. рисунок ниже) являются три винта: центральный ведущий и замыкающие ведомые, помещенные в корпусе. Расточка выполнена так, что зазор между корпусом и внешней поверхностью винта как можно меньше мал. Винты имеют специальную форму резьбы, при которой обеспечивается непрерывное касание между сопрягающими поверхностями, благодаря этому между гребнями винтов и корпусов создаются три группы замкнутых полостей, перемежающихся при вращении винтов по стрелке слева направо. Жидкость из входного патрубка через отверстия в корпусе попадает к винтам, заполняет полости, выносится в первую часть и далее подается к напорному патрубку.

3. Основные параметры лопастных насосов.
Лопастные насосы делятся на центробежные насосы и осевые. Изготавливаются они как с постоянным положением лопастей, так и с поворотными лопастями. По конструктивным данным и эксплуатационным особенностям насосы различают по частоте вращения рабочего колеса, подаче, по ступеням давления, по условиям подвода жидкости к рабочему колесу, по расположению вала и т.д.

Рис. 3.1.
Центробежные насосы (см. рисунок ниже) имеют различные частоты вращения вала. В основном, закономерность такова, что чем больше размеры насоса, тем меньше частота вращения. Сравнительно малые насосы работают с частотой вращения 1450-2950 об/мин. С увеличением частоты вращения как подача, так и напор центробежного насоса возрастают. При определенной частоте вращения центробежный насос развивает определенный напор. Иногда требуется получить напор в несколько раз больший, чем это дает определенный типоразмер насоса, без увеличения частоты вращения. В этом случае изготавливается многоступенчатый насос, в котором жидкость из выходного отверстия одного колеса переходит во всасывающее отверстие второго и т.д. до тех пор, пока не получит нужного напора. Все колеса насажены на один общий вал и вращаются синхронно. По количеству ступеней насосы разделяются на одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые.
Основными параметрами насосов (показателями их работы) являются подача, создаваемый напор (давление), потребляемая насосом мощность, коэффициент полезного действия (КПД) и вакуумметрическая высота всасывания.
Различают подачу объемную и массовую.
– объемная подача - объем жидкости, подаваемый насосом в единицу времени [м3 / с; м3 / ч; м3 / с];
– массовая - равна массе жидкости, перекачиваемой в единицу времени [кг / с; т /год];
Связь между объемной и массовой подачей выражается формулой
,
– теоретической (или идеальной) подачей считается подача, которую мог бы обеспечивать насос при отсутствии каких либо потерь.
Давление насоса определяется из зависимости, получаемой по уравнению Бернулли при наличии источника энергии (рисунок 1):
,
Где и - давления на выходе из насоса и входе в него,
и - скорость жидкости на выходе из насоса и входе в него,
- ускорение свободного падения,
- плотность среды,
и – отметки центров сечений выхода из насоса и входе в него.










Рис. 3.2
Учитывая малость значений и , получаем, что давление насоса - это разность давлений на выходе из насоса и входе в него:
.
Действительный напор насоса это разность удельных энергий жидкости на входе в насос и выходе из него. Напор насоса выражается в метрах столба перекачиваемой жидкости.
Сумма действительного напора и гидравлических потерь в насосе составит теоретический напор .
Потребляемая мощность насоса состоит из полезной мощности и мощности, затрачиваемой на преодоление гидравлических сопротивлений в насосе , на утечки жидкой среды через неплотности в насосе и на механическое трение деталей насоса .
Таким образом, .
Полезная мощность, сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости, равна .
Сравнение полезной мощности с мощностью, учитывающей различные потери, позволяет найти коэффициенты полезного действия (КПД) насоса по видам потерь:
гидравлический , объемный ;
механический и общий КПД насоса
или .
Вакуумметрическая высота всасывания определяет всасывающую способность насоса и характеризует допустимый вакуум на входе, при котором обеспечивается нормальная работа машины.

4. Баланс энергии в лопастном насосе.
На рис. 2 изображен баланс энергии в лопастном насосе. К насосу подводится мощность N. Часть этой мощности теряется (превращается в тепло). Потери мощности в насосе делят на механические, объемные и гидравлические.

Рис. 4.1. Баланс энергии в лопастном насосе
Механические потери. Механическими являются потери на трение в подшипниках, в уплотнениях вала и на трение наружной поверхности рабочих колес о жидкость (дисковое трение).
Мощность, остающаяся за вычетом механических потерь, передается рабочим колесом жидкости. Ее принято называть гидравлической. Энергия, переданная рабочим колесом единице веса проходящей через него жидкости, называется теоретическим напором Нт. Он больше напора Н насоса на величину гидравлических потерь hп при течении жидкости в рабочих органах насоса:
Hт= Н + hп.
Через рабочее колесо протекает в секунду жидкость объемом Qк или весом QкρgHт. Следовательно, гидравлическая мощность насоса, т. е. мощность, сообщаемая жидкости в колесе,
NГ=QкρgHт
Величина механических потерь оценивается механическим КПД, который равен отношению оставшейся после преодоления механи-ческих сопротивлений гидравлической мощности NГ к мощности N, потребляемой насосом
ŋ мех = NГ/N
Объемные потери. Рассмотрим объемные потери в одноступенча-том насосе. Жидкость, выходящая из рабочего колеса в количестве QК, в основном поступает в отвод (Q) и, следовательно, в напорный патрубок насоса, и частично возвращается в подвод через зазор в уплотнении 1 между рабочим колесом и корпусом насоса (утечка qк, рис. 3). Энергия жидкости, возвращающейся в подвод, теряется. Эти потери называются объемными. Утечки обусловлены тем, что давление на выходе из рабочего колеса больше, чем в подводе.
Утечки тем значительнее, чем больше зазор в уплотнении 1 между рабочим колесом и корпусом насоса. Для того чтобы уменьшить утечки, следует уменьшить этот зазор до минимума, допускаемого технологией изготовления и деформацией вала и корпуса насоса при их нагрузке во время работы.


Рис. 4.2. Утечки в уплотнении рабочего колеса
Кроме рассмотренных утечек жидкости имеют место утечки через уплотнения вала. Они обычно малы и при рассмотрении баланса мощности ими можно пренебречь.
Объемные потери оценивают объемным КПД, равным отношению мощности N' , оставшейся за вычетом мощности, затрачиваемой на объемные потери, к гидравлической мощности NГ(см. рис. 2):
ŋ 0 = N'/NГ = (NГ – NО)/NГ,
где NО — мощность, затрачиваемая на объемные потери.
Каждая единица веса жидкости, протекающей через уплотнение рабочего колеса, уносит энергию НT. Следовательно, мощность, затрачиваемая на объемные потери
NO = qkgHт.
Так как расход через колесо Qк = Q + qк (см. рис. 3),
N' = NГ – NО = QкρqHТ - qkρgHт
Подставив выражения в уравнение, получим
ŋ O = Q/Qk = Q/(Q + qk)
В многоступенчатых насосах секционного типа также имеются утечки жидкости через зазоры между валом и перегородками — диафрагмами, разделяющими ступени, и через гидравлическую пяту 3. Потери энергии, обусловленные утечками через уплотнения диафрагм, относятся к гидравлическим и механическим потерям, а через гидравлическую пяту — к объемным. Для многоступенчатых секционных насосов объемный КПД определяется также по уравнению, однако при этом под qk следует понимать не утечку через уплотнение рабочего колеса одной ступени, а сумму этой утечки и утечки qп в гидравлической пяте.
Гидравлические потери. Третьим видом потерь энергии в насосе являются потери на преодоление гидравлического сопротивления подвода, рабочего колеса и отвода, или гидравлические потери. Они оцениваются гидравлическим КПД ŋ г, который равен отношению полезной мощ¬ности насоса Nп к мощности N' (см. рис. 2). Согласно уравнениям
ŋг = NП/N' = H/Hт = H/(H+hп)
КПД насоса
ŋ = NП/ N
Умножив и разделив правую часть уравнения на NГ N', получим
ŋ = NП/N' ∙ N'/NГ ∙NГ/N = ŋ Г ŋ О ŋ мех,
т.е. КПД насоса равен произведению гидравлического, объемного и механического КПД.

5. Устройство и рабочий процесс центробежного насоса.
Особенности конструкции и принцип действия
Если рассмотреть устройство центробежного насоса в разрезе, то в конструкции такого оборудования можно выделить следующие элементы.
• Электродвигатель в устройстве центробежного насоса играет роль приводного элемента. Та часть внутренней конструкции центробежного насоса, где располагается его приводной электродвигатель, тщательно герметизируется, что необходимо для защиты силового агрегата от контакта с перекачиваемой жидкой средой.
• Вал насоса передает вращение от электродвигателя рабочему колесу.
• Конструкция центробежного насоса обязательно включает в себя рабочее колесо, на внешней цилиндрической поверхности которого расположены лопатки, перемещающие перекачиваемую жидкую среду по внутренней камере устройства.
• Подшипниковые узлы обеспечивают легкое вращение вала с зафиксированным на нем рабочим колесом.
• Уплотнительные элементы защищают узлы внутренней конструкции гидромашины от контакта с перекачиваемой жидкой средой.
• Корпус насоса, как правило, выполнен в форме улитки и оснащен двумя патрубками – всасывающим и напорным.

Рис. 5.1. Основные части центробежного насоса
Конструктивная схема центробежного насоса, кроме вышеперечисленных деталей, может включать в себя ряд дополнительных элементов:
1. шланг, по которому перекачиваемая жидкая среда поступает в напорную магистраль;
2. шланг, по которому жидкость поступает во внутреннюю камеру устройства;
3. обратный клапан, препятствующий перемещению уже перекачанной жидкой среды в обратном направлении;
4. фильтр грубой очистки, не дающий твердым включениям, содержащимся в составе жидкой среды, попадать во внутреннюю часть помпы;
5. вакуумметр, при помощи которого осуществляется контроль за степенью разреженности воздуха в рабочей камере;
6. манометр, посредством которого можно контролировать давление потока жидкой среды, создаваемого насосным оборудованием;
7. элементы запорной арматуры, позволяющей регулировать параметры потока жидкой среды, поступающей в насос и выходящей из него.

Рис.5.2. Устройство насосной части оборудования центробежного типа
Устройство и принцип действия любых центробежных насосов отличаются простотой. Так, принцип действия центробежного насоса заключается в следующем.
• Жидкая среда, попадающая во внутреннюю рабочую камеру, захватывается лопатками рабочего колеса и начинает перемещаться вместе с ними.
• Под воздействием центробежной силы жидкая среда отбрасывается к стенкам рабочей камеры, где создается избыточное давление.
• Находясь под избыточным давлением, жидкая среда выталкивается через напорный патрубок.
• В тот момент, когда жидкая среда из центральной части рабочей камеры отбрасывается к стенкам, создается разрежение воздуха, что и обеспечивает всасывание новой порции жидкости через входной патрубок.

Рис. 5.3. Принцип действия центробежного насоса
Принцип работы центробежного насоса, описанный выше, относится к моделям как поверхностного, так и погружного типа. Основную функцию центробежного насосного оборудования выполняет рабочее колесо с лопатками. В соответствии с описанным выше принципом действия центробежных насосов такие устройства обеспечивают всасывание перекачиваемой жидкой среды и ее выталкивание в напорную магистраль в постоянном режиме, что гарантирует стабильность параметров создаваемого потока.

6. Устройство и рабочий процесс осевого насоса.

Рис. 6.1. На рисунке изображен осевой насос типа ОП и обозначено: 1 – лопасти; 2 – камера рабочего колеса; 3 – лопасти направляющего аппарата; 4 – подвод воды для смазки нижнего подшипника; 5, 10 – нижняя и верхняя опоры вала; 6 – диффузор; 7 – опора верхнего подшипника; 8 – уплотнение вала; 9 – шток; 11 – привод механизма; 12 – отвод; 13 – корпус камеры рабочего колеса; 14 – закладное кольцо.
Осевое колесо насоса состоит из втулки с закрепленными на ней профилированными лопастями (число лопастей принимается от 3 до 6). Внутри втулки размещается механизм разворота лопастей, состоящий из рычагов и крестовины, осевое перемещение которой приводит к повороту рычагов и лопастей.
Лопастное колесо размещается с сферической камере, установленной на закладном фундаментном кольце. Вода к рабочему колесу подводится по плавно изогнутому подводу или по камере, которая значительно проще в исполнении.
У малогабаритных насосов с камерным подводом КПД снижается на 2-3%. К камере на фланцах присоединен корпус насоса, выполненный в виде цилиндрической трубы, изогнутой под углом. Такая форма проточной части обусловливает максимальную конструктивную простоту осевого насоса по сравнению с другими типами лопастных насосов и обеспечивает минимальные габариты насосной установки при больших подачах.
Корпус насоса состоит из диффузора и отвода, направленного у насосов основного исполнения под углом 600, а у малогабаритных насосов под углом 90 °.
На корпусе отвода установлены опора верхнего подшипника и торцевое уплотнение вала. Вал полый, внутри его проходит шток, связывающий привод механизма разворота лопастей с самим механизмом