CC BY
421
Общетехнические и социальные проблемы
потребленную электрическую энергию также осуществляется по приборам коммерческого учета, установленным не на границе балансовой принадлежности.
УДК 621.227.3 Е. В. Черток
ОБЪЁМНЫЕ ГИДРОМАШИНЫ. КОНСТРУКЦИЯ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ШАРОВОГО НАСОСА
Механизация и автоматизация производственного процесса в области транспорта заключается в первую очередь в механизации и автоматизации самой транспортной машины. Задача эта решается с помощью различных типов приводов. Привод должен отвечать ряду требований, которым в полной мере удовлетворяет гидрообъёмная передача. Рассмотрены объёмные гидромашины, их общие свойства, классификация роторных гидронасосов, а также конструкция и сферы применения исследуемого шарового насоса.
объёмная гидропередача, объёмный гидропривод, объёмная гидромашина, ротор гидромашины, статор гидромашины, объёмный гидродвигатель, объёмный насос.
Введение
Механизация и автоматизация производственного процесса в области транспорта заключается в первую очередь в механизации и автоматизации самой транспортной машины, то есть в использовании её двигателя для различных работ, например погрузочно-разгрузочных, земляных и т. д., а также в автоматизации управления машиной. Эта задача решается с помощью различных типов приводов (передач) от двигателя на рабочую машину, в том числе и на двигатель самой машины. Привод должен быть регулируемым и автоматическим, по крайней мере должен легко автоматизироваться.
Гидрообъёмная передача отвечает этим требованиям. Она является непрерывно регулируемой и хотя не автоматическая по принципу своего действия, но легко автоматизируется с помощью дополнительного автомата [1].
Объёмная гидропередача (ОГП) - гидравлическая передача, составленная из объёмного насоса, объёмного гидродвигателя и магистральной линии [2].
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
233
Термин объёмный гидропривод включает в себя понятие объёмной гидропередачи, как части объёмного гидропривода, состоящей из насоса, гидродвигателя (одного или нескольких) и связывающих их трубопроводов - гидролиний. Гидропередача - это силовая часть гидропривода, через которую протекает основной поток энергии [3].
Объёмный гидропривод - это гидропривод, основой которого является объёмная гидропередача. Принцип действия объёмного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на свойстве жидкости передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.
1 Основные понятия объёмных гидромашин
Объёмной называется гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении её из рабочей камеры.
Под рабочей камерой объёмной гидромашины понимается ограниченное пространство внутри машины, периодически изменяющее свой объём и попеременно сообщающееся с местами входа и выхода жидкости. Объёмная гидромашина может иметь одну или несколько рабочих камер.
Всякая объёмная машина состоит из следующих основных частей: ротора, статора, уплотнителей и распределителей.
Ротор является вращательным элементом машины, передающим механический поток.
Статор - неподвижный элемент машины, в котором установлен ротор с уплотнителями и распределителями и к которому присоединяются подводящий и отводящий рабочую жидкость трубопроводы. Статор замыкает пространство, заполненное рабочей жидкостью, вокруг ротора.
Это пространство уплотнителями разделено на замкнутые объёмы высокого и низкого давления. С помощью распределителей объёмы жидкости, находящейся под высоким давлением, соединяются с трубопроводом высокого давления (магистраль нагнетания), а объёмы жидкости, находящейся под низким давлением, - с трубопроводом низкого давления (магистраль отсасывания).
В соответствии с тем, создают гидромашины поток жидкости или используют его, их разделяют на объёмные насосы и гидродвигатели.
Объёмный гидродвигатель - это объёмная гидромашина, предназначенная для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена.
Объёмный насос - это насос, в котором перемещение жидкости осуществляется путём вытеснения её из рабочих камер вытеснителями.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
В дальнейшем будем рассматривать классификацию, основные свойства и характеристики объёмных насосов.
У объёмного насоса может быть одна или несколько рабочих камер величиной (объёмом) У. Общее число рабочих камер n определяет величину рабочего объёма насоса Ур. Под рабочим объёмом Ур понимают количество жидкости, которое насос может подать за один цикл работы.
Циклом работы для большинства объёмных насосов является один оборот его вала. У некоторых насосов каждая рабочая камера за один оборот вала может совершить две иди более подачи жидкости (в исследуемом шаровом насосе цикл совершается за пол-оборота вала двигателя). Это называется кратностью работы насоса к.
Рабочий объём Ур является важнейшим параметром насоса. Он во многом определяет его габариты и эксплуатационные показатели: подачу жидкости, полезную и потребляемую мощности.
Необходимо также отметить, что на практике применяются насосы с переменными рабочими объёмами. Такие насосы принято называть регулируемыми, а изменения рабочего объёма насоса в процессе его работы - регулированием насоса [4].
По характеру движения рабочего органа во всём многообразии объёмных насосов выделяют две большие группы: поршневые
(плунжерные) и роторные.
В поршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм). Возвратнопоступательные (поршневые) насосы имеют два характерных отличия. Первое - неподвижность рабочей камеры относительно корпуса насоса. При неподвижной рабочей камере её попеременное соединение с полостями всасывания и нагнетания обеспечивается за счет впускного и выпускного клапанов. Наличие клапанов - второе отличие поршневых насосов.
В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (шестерён, винтов, пластин, поршней). Роторные насосы в отличие от возвратно-поступательных имеют подвижные рабочие камеры, которые в процессе работы перемещаются относительно корпуса.
2 Общие свойства объёмных гидромашин
К общим свойствам объёмных насосов, которые обусловлены принципом их действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
235
• Цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и неравномерность подачи. Подача объёмного насоса осуществляется не равномерным потоком, а порциями, каждая из которых соответствует объёму одной рабочей камеры.
• Герметичность насоса, т. е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают, а являются проточными).
• Отделение всасывающей полости насоса от напорного трубопровода приводит к возможности создания в ней весьма значительного разрежения. Последнее позволяет перед началом нагнетания обеспечить подъём жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня насоса и заполнить этот трубопровод жидкостью. Данное свойство называют самовсасыванием. Высота всасывания жидкости при этом не может быть больше предельно допустимой, она ограничивается давлением насыщенных паров данной жидкости (лопастные насосы без специальных приспособлений не являются самовсасывающими).
• Жёсткость характеристики, т. е. крутизна её в системе координат р по Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления р. Увеличение давления насоса, вызванное сопротивлением в напорном трубопроводе, приводит к весьма небольшому уменьшению подачи насоса. Идеальная подача совсем не зависит от давления насоса (характеристики лопастных насосов обычно пологие).
• Независимость давления, создаваемого объёмным насосом, от скорости движения рабочего органа насоса и скорости жидкости. В принципе при работе на несжимаемой жидкости объёмный насос, обладающий идеальным уплотнением, способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для получения высоких давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения колеса и большие скорости жидкости.
Заметим, что объёмные машины могут перекачивать жидкости существенно большей вязкости, чем динамические насосы. Кроме указанных положительных свойств, отличающих объёмные насосы от динамических, необходимо отметить их наиболее существенный недостаток - неравномерность подачи. Рассматриваемые насосы
нагнетают жидкость отдельными порциями, величина которых определяется объёмом рабочей камеры. Количество таких порций на один оборот вала насоса зависит от его конструкции, т. е. от числа рабочих камер и кратности их работы. Но в любом случае подача объёмного насоса
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
ОЗЗщетехнические и социальные проблемы
всегда носит, в той или иной степени, пульсирующий (неравномерный) характер.
3 Общие свойства роторных насосов
К насосам, применяемым в гидроприводах, предъявляют высокие требования, основными из которых являются:
1) малая удельная масса и объём, приходящиеся на единицу мощности;
2) высокий КПД;
3) возможность регулирования и реверса подачи;
4) высокая быстроходность;
5) большая надёжность.
Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют роторные насосы. Особенностью рабочего процесса таких насосов является и то, что при вращении ротора рабочие камеры переносятся из полости всасывания в полость нагнетания и обратно. Перенос рабочих камер с жидкостью делает излишними всасывающие и нагнетательные клапаны.
Роторный насос обычно состоит из трёх основных частей:
статора (неподвижного корпуса);
ротора, жёстко связанного с валом насоса;
вытеснителя (одного или нескольких).
Рабочий процесс роторного насоса складывается из трёх этапов.
• Заполнение рабочих камер жидкостью.
• Замыкание (изоляция) рабочих камер и их перенос.
• Вытеснение жидкости из рабочих камер.
Основными свойствами роторных насосов, вытекающими из
специфики их рабочего процесса и отличающими их от поршневых насосов, являются следующие.
• Отсутствие клапанов обеспечивает роторным насосам существенное отличие от поршневых - обратимость, т. е. способность роторных насосов работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов). Это означает, что жидкость, подводимая к насосу под давлением, заставляет вращаться ротор и вал. Поршневые насосы этой способностью не обладают.
• Большая быстроходность. Скоростные показатели
возвратно-поступательных насосов в большей степени
ограничиваются инерционностью клапанов. Поэтому в отличие от них роторные насосы вследствие отсутствия клапанов обладают значительно большей быстроходностью. Количество рабочих циклов в единицу времени у этих насосов может быть в 10 и более раз выше аналогичного параметра поршневых насосов.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
237
• Возможность работать только на чистых (отфильтрованных и не содержащих абразивных и металлических частиц), неагрессивных и смазывающих жидкостях. Эти требования к жидкости обусловлены тем, что жидкость, которую перекачивает роторный насос, должна одновременно обеспечивать смазку его трущихся поверхностей. Вследствие этого роторные насосы используются в основном для перекачки различных масел.
Если первые два свойства роторных насосов являются их преимуществами, то третье свойство ограничивает их применение. Работа насосов на воде исключается, так как вода вызывает коррозию и ведет к быстрому изнашиванию рабочих органов.
Важной особенностью роторных насосов является то, что они всегда имеют несколько рабочих камер. Это обеспечивает им большую равномерность подачи по сравнению с поршневыми насосами. Однако следует иметь в виду, что их подача не может быть абсолютно равномерной и всегда имеет место её пульсация. Пульсация, как и у поршневых насосов, всегда меньше для насосов с нечётным числом рабочих камер.
Отсутствие клапанов в роторных насосах повлекло за собой также значительное уменьшение гидравлических потерь. Поэтому при оценке энергетических потерь в роторных насосах этими потерями пренебрегают, а гидравлический КПД принимают равным единице.
4 Классификация роторных насосов
Роторные насосы по конструкции очень разнообразны. На рисунке представлена классификация роторных насосов, соответствующая ГОСТ 17398-72 [4].
Как следует из анализа классификации, все роторные насосы делятся на две большие группы. В первую группу включены насосы, использующие только вращательное движение. Во вторую группу входят насосы, в кинематике которых, кроме вращательного движения, присутствует также возвратно-поступательное движение.
Из роторно-вращательных насосов наибольшее распространение получили шестерённые насосы, которые используются практически во всех отраслях машиностроения. Из роторно-поступательных насосов в машиностроении достаточно широко применяются пластинчатые и некоторые разновидности роторно-поршневых насосов.
Роторно-вращательные насосы разделяют на зубчатые и винтовые. В зубчатых насосах ротор и вытеснитель имеют форму зубчатых колёс, а
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Обцетехнические и социальные проблемы
жидкость перемещается в плоскости их вращения. В винтовых насосах ротор имеет форму винта, который одновременно выполняет функцию вытеснителя, а жидкость в насосе перемещается вдоль осей вращения винтов. Основной разновидностью зубчатых насосов являются шестерённые.
К роторно-поступательным относятся шиберные (в основном пластинчатые) и роторно-поршневые насосы. Различие между ними заключается не только в форме вытеснителей (пластин и поршней) и характере движения жидкости в насосе, но и в способе ограничения (образования) рабочих камер. Если в пластинчатом насосе рабочие камеры ограничиваются двумя соседними вытеснителями (пластинами) и поверхностями ротора и статора, то в роторно-поршневых насосах они образованы внутри ротора и замыкаются вытеснителями.
Роторно-поршневые насосы по расположению рабочих камер делятся на радиально- и аксиально-поршневые.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
239
Классификация роторных насосов
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
0б0цетехнические и социальные проблемы
5 Сферы применения шарового гидронасоса. Его конструкция
Изучаемый шаровой насос - бесклапанный, регулируемый, реверсивный и обратимый (насос-мотор).
Основные сферы его применения: судовые системы в морских судах, объёмные гидропередачи трансмиссий транспортных машин, насосные и компрессорные станции в трубопроводном транспорте (для транспортировки нефти, нефтепродуктов, воды, газа).
Наиболее рациональным является применение шарового насоса в системах, где необходимо реверсирование потока. Это судовые системы: водоотливная, балластная, пожарная. Водоотливная (спасательная) система необходима для откачки воды из отсеков корпуса судна, получивших пробоины. Здесь необходимы насосы большой производительности. Большая подача воды необходима и пожарной системе.
Реверс насосов необходим также на нефтеналивных судах, в нефтяных терминалах морских и речных портов. Во всех этих системах, как правило, используются центробежных насосы. Для обеспечения реверса насосные установки обустраиваются специальными клапанными устройствами. Применение шаровых насосов значительно упростит насосные установки судовых систем.
Трубопроводный транспорт как техническая система в настоящее время находится в стадии интенсивного развития, главным образом в сфере нефтяной и газовой промышленности. В довоенное время насосные станции нефтепроводов оборудовались поршневыми и плунжерными насосами. С ростом добычи нефти объёмные насосы, как исчерпавшие себя по производительности, заменяются центробежными насосами. Однако для перекачки вязких нефтей и нефтепродуктов необходимы объёмные насосы.
Здесь объёмной машине нет равных по производительности и простоте конструкции. По своим габаритам машина в 10-15 раз меньше насосов такой же производительности, к тому же намного проще в изготовлении. Агрегаты насосных и компрессорных станций целесообразно заменить новыми гидромашинами объёмного принципа действия.
При постройке первых транспортных машин сразу же возникла проблема создания рациональной передачи мощности. Было установлено, что в зависимости от условий движения наиболее рациональна бесступенчатая передача - с автоматическим изменением передаточного числа. Лучше других передач это требование выполняет объёмная гидравлическая передача (ОГП).
Первая ОГП была применена еще на заре автомобилестроения в США на грузовом автомобиле. В первую мировую войну ОГП устанавливались на английских танках, после войны - на грузовых автомобилях,
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
241
маневровых тепловозах. Позже начинают применять ОГП на легковых автомобилях, в судостроении - на буксирах, паромах и других машинах
[3].
ОГП обеспечивает бесступенчатое изменение скорости движения, плавное изменение выходного момента, практически исключается возможность пробуксовки колёс.
Для ОГП характерна малая инерционность, её управление легко автоматизировать, сделать программным, при этом в условиях городского движения обеспечивается экономия топлива до 15%. Уход за ОГП в эксплуатации достаточно прост и состоит в основном в проверке уровня рабочей жидкости, своевременной её замене, промывке (замене) фильтрующих элементов.
Для маневровых тепловозов и тепловозов промышленного транспорта, работающих на коротких расстояниях с частыми остановками, ОГП подходит лучше других передач мощности. По данным реферативного журнала «Железнодорожный транспорт» (1994, вып. 8, реферат 8В18), маневровый тепловоз с ОГП вдвое дешевле такого же тепловоза с электропередачей. Итальянская фирма «Бадони» строила маневровые тепловозы с ОГП мощностью 200-400 л. с.
На Людиновском тепловозостроительном заводе в течение нескольких лет (в 60-е годы XX столетия) велись работы по созданию тепловоза с гидрообъёмной трансмиссией (ГОТ). Был спроектирован и построен маневровый тепловоз ТГС1 с аксиально-поршневым гидростатическим приводом. Позже аксиально-поршневая передача была заменена роликолопастной объёмной гидропередачей. Невзирая на определённые успехи, работы, к сожалению, не были завершены, тепловоз (уже под индексом ТГМЗ0-001) был разукомплектован [5].
Однако узкий диапазон мощности гидроагрегатов (насосов и моторов), выпускаемых промышленностью, не способствует развитию ОГП для транспортных машин. Тем не менее некоторые фирмы (такие как «Хегглунг энд Сонер», «Секмафер» и др.) создают ОГП. Недостатком этих ОГП является большое давление в гидросистемах (до 60 МПа), не способствующее надёжности этих передач в эксплуатации.
Предлагаемый нами гидронасос может работать при приемлемых в эксплуатации давлениях. Этот насос может обеспечить создание нового поколения транспортных ОГП.
Наконец, шаровой насос можно применить в качестве насоса искусственного сердца (ИС). Конструкция его была одобрена ведущими кардиологами, в частности академиком В. И. Шумаковым.
В настоящее время в кардиологии применяются лопаточные насосы вентиляторного типа и шнековые насосы. Однако в сравнении с
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
Общетехнические и социальные проблемы
известными механическими протезами ИС предлагаемая конструкция наилучшим образом соответствует «устройству» естественного сердца.
Насос работает в ритме сердца, обеспечивая синхронное сокращение одноименных отделов (правого и левого предсердия, правого и левого желудочка). Практически это первое и единственное четырёхкамерное ИС, которое в перспективе может быть имплантировано в живой организм.
В изучаемой объёмной машине всего пять основных деталей: шар, внутри ротор из двух дисков и вал. На корпусе - окна, через которые происходит нагнетание и наполнение жидкости. Нет ни клапанов, ни сложных соединений. Данный насос очень прост в изготовлении, а значит - более надёжный. Объём перекачиваемой машиной жидкости пропорционален диаметру шара в третьей степени. Метровый шар, таким образом, может передать энергию в несколько десятков тысяч киловатт.
Принцип действия шарового насоса - объёмный, подача -пульсирующая. Смена направления потока жидкости происходит в машине без смены направления движения двигателя и осуществляется путём изменения наклона дисков. Производительность насоса изменяется также путём изменения угла наклона между дисками.
В настоящее время стоит задача определения характеристик насоса, изготовления опытного образца и его испытания.
Заключение
В заключение следует сказать, что объёмные гидромашины - это машины XXI века. К сожалению, конструкторы и локомотивостроители не особенно интересуются отечественными разработками в области гидростатического привода. Многие технические решения наших соотечественников быстро внедряются за границей и только потом появляются на нашем рынке в виде дорогой готовой продукции.
Область применения гидростатических механизмов поистине неограниченна. Кроме локомотивов, это - автомобили, приводы станков различного назначения, вся гамма машин сельского хозяйства, всевозможные краны, подъёмники, лифты, лебёдки, буровое и горное оборудование, шахтные машины, привод кондиционеров и вентиляторов, различное оборудование и стенды в оборонных отраслях
промышленности.
Гидростатический привод имеет большую и славную историю. За прошедшие 100 лет были падения и неожиданные взлеты. Восторг сменялся пессимизмом и наоборот.
Несомненно одно: при современном высоком уровне развития станочного и технологического обслуживания этот привод имеет право на существование.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
243
Общетехнические и социальные проблемы Библиографический список
1. Гидрообъёмные трансмиссии самоходных машин / В. А. Петров. - М. : Машиностроение, 1988. - 248 с. - ISBN 5-217-00282-4.
2. Гидропривод. Объёмный гидропривод. Ч. 2: Терминология / Б. Б. Некрасов. -М. : Наука, 1964. - 31 с.
3. Гидрообъёмные передачи транспортных и тяговых машин / А. С. Антонов, М. М. Запрягаев. - М.; Л. : Машиностроение, 1968. - 212 с.
4. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы : учебник для
машиностроительных вузов / Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. - М. : Машиностроение, 1982. - 423 с.
5. Гидростатическая передача тепловоза: история и перспективы / В. В. Домогацкий, В. Н. Балабин // Локомотив. - 1998. - № 7. - С. 41-45.
УДК 656.212.6.073.22 Н. Г. Янковская
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИЙ В РАСПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ КРЕПЛЕНИЯ В КРЫТОМ ВАГОНЕ НА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Рассмотрено крепление грузов в транспортных пакетах в крытом вагоне распорной конструкцией. Разработана математическая модель процессов в системе груз—крепление—вагон. На математической модели исследовано влияние различных факторов на величину усилия в распорных элементах крепления. Проведено сравнение данных исследований с результатами, полученными в натурных испытаниях.
грузы в транспортных пакетах, крытый вагон, распорный элемент крепления, факторы воздействия, математическая модель, исследования, усилия.
Введение
Размещение транспортных пакетов в крытых вагонах осуществляется в несколько ярусов по высоте (2...4), двумя группами по длине, причем верхние ярусы часто загружаются лишь частично ввиду ограниченности грузоподъемности вагона.
При использовании погрузчиков на погрузочно-разгрузочных работах междверное пространство вагона часто остается незаполненным. Таким образом, для обеспечения безопасности перевозки и сохранности груза возникает необходимость его крепления в вагоне. Крепление должно
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2008/1
