Аксиально-поршневой насос с наклонным диском

 

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Омский государственный  технический университет»

Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины»

 

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная  записка к курсовому проекту

на тему:

“Аксиально-поршневой  насос с наклонным диском”

по дисциплине: «Объемные гидравлические машины»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. ГП-419

         Купеева А.А.

                                       Проверил: д.т.н., профессор    

      Щерба  В. Е.

 

 

 

 

 

 

Омск-2013

Содержание

 

1. Введение……………………………………………………………………………...3

2. Описание конструкции и принципа действия роторной аксиально-поршневой гидромашины…………………………………………………………………………...5

3. Основные технические характеристики роторной аксиально-поршневой гидромашины и область применения………………………………………………....7

4. Преимущества и недостатки роторных аксиально-поршневых гидромашин…...9

5. Предварительный конструкторский расчет…………………………………..…..10

6. Кинематический расчет роторной аксиально-поршневой гидромашины……...13

6.1. Перемещение поршня……………………………………………………..13

6.2. Скорость поршня…………………………………………………………..14

6.3. Ускорение поршня…………………………………………………………16

7. Определение подачи насоса……………………………………………………….19

7.1. Подача одного поршня……………………………………………….........19

7.2. Суммарная подача поршней……………………………………………....21

7.3. Неравномерность подачи насоса…………………………………….........22

7.4. Способы устранения неравномерности  подачи………………………….22

8. Динамический расчет роторной аксиально-поршневой гидромашины………...23

8.1. Силы инерции поршня……………………………………………….........23

8.2. Момент центробежной силы……………………………………………...25

8.3. Крутящий момент на валу машины………………………………………27

8.4. Неравномерность крутящего момента…………………………………...30

9. Прочностной расчет………………………………………………………………..31

9.1. Расчет на прочность поршня……………………………………………...31

9.2. Расчет на прочность приводного вала……………………………………32

10. Заключение………………………………………………………………………...34

11. Список использованной литературы……………………………………….........35

 

1. Введение

 

Насос - гидравлическая машина, преобразующая приложенную к  ее валу механическую энергию приводного двигателя в гидравлическую энергию  потока жидкости.

В объемном насосе жидкая среда перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса.

Одними из наиболее распространенных объемных машин являются аксиально-поршневые  насосы и в частности насосы с  неподвижным наклонным диском.

Регулируемые аксиально-поршневые  насосы предназначены для гидростатических приводов с бесступенчатым регулированием потока.

Эти насосы получили широкое  применение в XIX веке на флоте многих стран, использовались они для выполнения наиболее ответственных функций, управление кораблем и его вооружением.

В настоящее время регулируемые аксиально-поршневые насосы широко используются в строительных, дорожных и горных машинах, в авиа и ракетостроении.

 Целью курсового проекта является проектирование роторного аксиально-поршневого гидронасоса.

При заданных параметрах подачи, давлении нагнетания и числе оборотов необходимо разработать конструкцию насоса.

Курсовой проект включает в себя графический материал, представленного на 4 листах формата А1, и расчетно – пояснительной записки.

Графическая часть включает в себя следующее:

I лист – общий вид гидромашины;

II лист – поперечный разрез гидромашины;

III лист – общие виды и разрезы основных узлов и деталей гидромашины;

IV лист – основные результаты расчетов (подачи, кинематики и динамики гидромашины).

Расчетная часть включает в себя следующие основные разделы:

• Описание конструкции и принципа действия гидромашины.
• Основные технические характеристики (производительность, потребляемая мощность, давление нагнетания и т.д.) и область применения.
• Предварительный конструкторский расчет (определение основных конструкторских размеров гидромашины).
• Кинематический расчет (расчет перемещения, скорости ускорения поршней в зависимости от угла поворота ведущего вала).
• Определение подачи. Построение зависимости подачи насоса в зависимости от угла поворота ведущего вала. Определение неравномерности подачи насоса.
• Динамический расчет (определение действующих сил и моментов в узлах и агрегатах гидромашины).
• Прочностной расчет основных узлов и агрегатов насоса (поршень, приводной вал).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание конструкции  и принципа действия 

роторной аксиально-поршневой  гидромашины

 

Роторная аксиально-поршневая  гидромашина – машина, у которой  рабочие камеры вращаются относительно оси ротора, а оси поршней или  плунжеров параллельны оси вращения или составляют с ней угол меньше 45⁰.

Вращающий момент в насосе передается через приводной вал 1 на цилиндровый блок (барабан) 2, в  цилиндрах которого свободно посажены поршни 3, опирающиеся своими сферическими головками на  гидростатически  уравновешенные опоры (башмаки) 4. Поршни 3 поджимаются  через сферическую опору и упорное кольцо 5 к наклонному диску 6, угол наклона которого изменяется с помощью  регулирующего устройства. Подпоршневое пространство соединяется с помощью канала 7 с каналами всасывания и нагнетания  распределительного золотника 8, служащими для подвода и отвода жидкости. Окна всасывания и нагнетания разделены перевальными (разделительными) перемычками, разделяющими линию всасывания от линии нагнетания. Ширина перемычек несколько превышает ширину канала 7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Конструктивная схема аксиально-поршневой гидромашины

При вращении цилиндрового блока происходит возвратно-поступательное перемещение поршней 3. При повороте  цилиндрового блока от 0 до π происходит увеличение подпоршневого пространства и жидкость из линии всасывания (канал a) через канал 7 (шириной t) поступает в подпоршневое пространство, то есть происходит процесс всасывания. При подходе к нижнему мертвому положению цилиндра (угол π) канал 7 перекрывается разделительной перемычкой (шириной s), процесс всасывания завершается. При повороте цилиндрового блока от π до 2π канал 7 проходит перемычку, сообщает подпоршневое пространство с линией нагнетания (канал b). Вследствие уменьшения подпоршневого пространства жидкость поступает в линию нагнетания, происходит процесс нагнетания. При подходе к верхнему мертвому положению цилиндра канал 7 перекрывается перемычкой, процесс нагнетания завершается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Схема торцового распределительного диска

 

 

 

 

 

 

3. Основные технические  характеристики роторной аксиально-поршневой  гидромашины и область применения

 

Наиболее распространенное число цилиндров в аксиально-поршневых  машинах равно 7 – 9, диаметры цилиндров гидромашин обычно находятся в пределах от 10 до 50 мм, а рабочие объемы машин — в пределах от 5 до 1000 см³. Максимальный угол между осями цилиндрового блока и наклонной шайбы обычно равен 20°.

Частота вращения насосов  общемашиностроительного применения средней мощности равна 1000 – 2000 об/мин. Частота вращения подобных насосов в авиационных гидросистемах обычно равна 3000 – 4000 об/мин, однако в отдельных случаях применяют насосы со значительно большей частотой вращения. По данным иностранной печати изготовляются насосы с максимальной частотой вращения 20 000 и  30 000 об/мин и минимальной 5 – 10 об/мин.

Для специальных целей  созданы малогабаритные насосы на рабочий  объем q = 0,7 ¸ 1 см³/об (диаметр поршня d = 5 ¸ 6 мм, ход h = 4 мм, диаметр блока D = 20 мм); подача такого миниатюрного насоса достигает (за счет  большой  n)  20 л/мин при р  = 20 МПа (200 кгс/см²).

Насосы с аксиальным расположением цилиндров применяются при давлениях 21 – 35 МПа (210 – 350 кгс/см²) и реже при – более высоких давлениях [насосы подачей до 400 л/мин часто выпускаются на рабочие давления до 55 МПа (550 кгс/см²)]. Мощность уникальных насосов, выпускаемых для некоторых отраслей промышленности (для прокатных станов и пр.), достигает 4000 – 4500 л. с. (подача до 8700 л/мин) и более.

Насосы и гидромоторы этих типов имеют высокий объемный к. п. д., который для большинства моделей достигает при оптимальных режимах работы значений 0,97 – 0,98. Многие зарубежные фирмы гарантируют для насосов с подачей 130 – 150 л/мин объемный к. п. д. при давлении 35 МПа (350 кгс/см²) не менее 0,99. Общий к. п. д. этих насосов составляет примерно 0,95.

    Насосы с  аксиальным расположением цилиндров  являются наиболее распространенными  в гидравлических системах. Эти  насосы получили широкое применение  еще в конце прошлого столетия на флоте многих стран (Россия, Англия, США, Япония), причем использовались они для выполнения наиболее ответственных функций, как, например, управление кораблем и его вооружением. Применяются  также на строительно-дорожных машинах. Благодаря своим огромным преимуществам насосы стали применять не только в машиностроении и гидроавтоматике, но и во многих отраслях военной техники (в системе управления за перемещением дула танка) и в авиации (благодаря своим малым габаритам и массе, в то же время имеющим большую производительность).

В данное время аксиально-поршневые насосы применяются в: автокранах, экскаваторах, испытательных стендах топливной аппаратуры, буровых установках, сейсмотехнике, трубоукладчиках, грейферах, прокатных станах, угольных комбайнах, лебедках, погрузочных машинах, тепловозах, теплоходах, дизельных поездах, зерноуборочных, виноградоуборочных комбайнах, кормоуборочных машинах, металлорежущих станках, КПО, листогибочных машинах, прессовом оборудовании для формовки кирпича, термопластавтоматах для переработки пластических масс методом литья под давлением, в литьевых машинах для литья под давлением цветных металлов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Преимущество и недостатки

Преимущество

• имеют более высокий полный КПД (0,95), по сравнению с КПД шестеренных (0,85-0,90) и пластинчатых насосов (0,6-0,8).
• большой ресурс работы (20000 часов), по сравнению с шестеренными гидромашинами (5000 часов)
• способность работать при высоких давлениях  

(20-25 МПа, наибольшее давление 55 МПа);

• бо́льшая частота вращения (2500-4000 мин^-1) в сравнении с радиально-плунжерными гидромашинами (500-1000 мин^-1).

Недостатки

• сложность конструкции;
• высокая стоимость данного типа гидромашин;
• большие пульсации подачи (для насосов) и расхода (для гидромотора), и как следствие, большие пульсации давления в гидросистеме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Предварительный конструкторский расчет

 

5.1. Расчетная подача насоса:

,

где    – эффективная подача насоса,  ;

– объемный КПД насоса,  ;

.

5.2. Рабочий объем насоса:

,

где    – частота вращения,  ;

.

5.3. Рабочий объем одного цилиндра:

,

где    – число цилиндров,  ;

5.4. Диаметр поршня:

,

где    – практический коэффициент, величина которого находится в  

пределах 1 ¸ 2;  выбираем .

В соответствии с ГОСТ  6636 – 69, принимаем диаметр поршня .

 

5.5. Выбираем, из соображений  прочности, толщину стенки между  цилиндрами блока

.

5.6. Находим диаметр окружности  цилиндрового блока, на  которой  расположены оси цилиндров:

.

Для дальнейшего расчета  выбираем диаметр цилиндрового блока, равный .

5.7. Из выражения для вычисления рабочего объема насоса

                    

находим угол γ наклона диска, при котором будет обеспечен при данных параметрах требуемый рабочий объем насоса: