Расчет конструктивных параметров угольниковой объемной гидромашины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

94

УДК 62183 А. А. ДЕГТЯРЁВ

С. Н. КАРБАИНОВА Г. В. РЕДРЕЕВ

Омский государственный аграрный университет

РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УГОЛЬНИКОВОЙ ОБЪЕМНОЙ ГИДРОМАШИНЫ______________________________________________

Рассмотрена оригинальная конструкция угольниковой объемной гидромашины. Выявлена взаимосвязь конструктивных параметров основных элементов гидромашины. Определена величина утечек через зазоры.

Ключевые слова: угольниковая гидромашина, параметры, расчет, производительность.

В отечественном машиностроении все чаще и чаще находят место силовые передачи, в которых для переноса энергии используется жидкая рабочая среда.

Наиболее сложный тип машин, с переменной производительностью, работающих в гидравлических передачах, — это аксиально- поршневые насосы с косой шайбой.

Основными недостатками существующих аксиально-поршневых насосов являются:

— сложность изготовления косой шайбы;

— сложное соединение косой шайбы с плунжерами (упорный подшипник качения или скольжения);

— косая шайба представляет собой (вместе с присоединяемыми деталями) динамически неуравновешенную систему (рис. 1), порождающую динамический инерционный момент, который реакции опор должны компенсировать [1].

Для ослабления недостатков существующих аксиально-плунжерных машин нами разработана угольниковая объемная гидромашина с двумя рабочими зонами, значительно отличающаяся от существующих, новизна конструкции которой подтверждена патентом [2]. Указанная угольниковая гидромашина относится к типу машин с малым расходом и низким рабочим давлением. Потенциально схема угольниковой гидромашины (рис. 2) допускает возможность регулирования производительности.

Достоинством угольниковой схемы в гидромашине является простота конструкции, все детали являются, по сути, телами вращения.

Однако наряду с достоинством угольниковой передачи следует отметить недостатки, из-за которых она не нашла своего применения как передача:

— повторяющиеся связи;

— значительное скольжение и трение в основном узле;

— жесткие ограничения по отклонениям угла изгиба плунжеров (в жестком корпусе) и др.

/77 £ I ГП

/ ^

Рис. 1. Схема динамической системы

Но при анализе работы угольниковой передачи обнаружены дополнительные ее свойства. Относительное движение промежуточных звеньев в отверстиях фланцев валов подобно движению плунжеров в цилиндрах. Этим мы и воспользовались при про-ектирова-ии гидромашины с применением уольни-ковой передачи.

Использование угольниковой передачи в объемной гидромашине с постоянным расходом жидкости представлено на рис. 2.

Угольниковая гидромашина работает следующим образом: вращение от ведущего блока цилиндров 2 промежуточными звеньями 4 передается ведомому блоку цилиндров 3. Плунжера перемещаются возвратно поступательно вдоль цилиндров, обеспечивая рабочий процесс.

Основными параметрами объемной гидромашины являются:

— производительность (теоретическая)

& = 2 р2 г • Б • tg а • п , (1)

йп — диаметр плунжера;

z — количество плунжеров;

Б — диаметр окружности расположения осей плунжеров;

а — угол изгиба плунжера;

п — частота вращения блоков цилиндров;

— давление

Р = Р2 - Р1 , (2)

р1—давление на выходе;

р2 — давление на входе;

— затраченная мощность привода гидромашины

N = Р • Яг -V , (3)

^ — механический КПД гидромашины.

Как правило, От входит в ТЗ на проектирование гидромашины. Из уравнения (1) мы видим, что ОТ зависит от конструктивных параметров машины: ^, z, Б, а, п, изменяя которые мы можем получить необходимую производительность разрабатываемого механизма.

Однако производительность реальная Ор отличается от производительности теоретической От на величину утечек Оу

Рис. 2. Угольниковая объемная гидромашина 1-корпус с крышками; 2-ведущий блок цилиндров с валом; 3-ведомый блок цилиндров; 4-промежуточные звенья (плунжера); 5-золотник; 6-опора; 7-уплотнения

а)концентрическое б)эксцентрическое Рис. 3. Расположение плунжера относительно цилиндра. е-эксцентриситет, 5-кольцевой зазор

= Яг - Яу •

(4)

Рассматривая работу угольниковой объемной гидромашины, принимаем во внимание то, что при работе насоса жидкость, находящаяся в рабочей камере, в фазе нагнетания противодействует сжатию ее плунжером и оказывает на плунжер давление, выражаемое силой Р (рис. 4).

Перенесем силы Р вдоль линии действия в точку пересечения этих линий. Находим результирующую силу Р1.

Р, = 2Р • ап —

1 2 •

(5)

Определение утечек жидкости через зазоры, образованные сопрягаемыми деталями, является важной задачей в теории гидропередач. Во многих случаях возможность устранения или уменьшения утечек предопределяет пригодность того или иного гидравлического механизма.

Как показано в [3], утечки жидкости зависят от величины зазора, от вязкости жидкости, от перепада давления и от скорости относительного перемещения деталей.

В основном утечки зависят от величины зазора. При уменьшении зазора утечки жидкости снижаются. Однако при очень малых зазорах, вследствие температурных деформаций, возможны заклинивания сопрягаемых деталей и нарушение нормальной работы гидропередачи. Определение минимально допустимого зазора — сложная задача, так как сопрягаемые детали работают в различных температурных режимах, установить которые расчетным путем во многих случаях не представляется возможным. Поэтому при выборе зазора необходимо руководствоваться главным образом опытными данными, при которых величина зазора принимается с некоторым запасом, гарантирующим нормальную работу гидропривода.

Принято рассматривать два случая взаимного расположения цилиндра и перемещающегося внутри него поршня (рис. 3).

Концентрическое расположение плунжера относительно цилиндра возможно лишь как допущение при работе идеального механизма.

Рассмотрим плунжер, как жесткое недефор-мированное тело (рис. 4). Результирующая сила Р1 будет сдвигать плунжер параллельно на величину зазора и прижимать его к стенке цилиндра, вызывая тем самым эксцентрическое положение плунжера относительно плунжерного отверстия в цилиндре.

Величина утечек жидкости через зазор при эксцентрически расположенном плунжере по отношению к цилиндру определяется [3]:

(Рі - Р2 )

12 • т 1раб

2.58

з + и„ ■8

(6)

где р1, р2 — давления в разных полостях цилиндра, оп — скорость перемещения плунжера в цилиндре, 8—величина зазора между плунжером и цилиндром, д—коэффициент динамической вязкости жидкости,

7раб—рабочая длина образующей плунжера (длина зазора),

йп — диаметр плунжера (номинальный диаметр соединения) [3].

Заметим, что при оп = 0 величина утечек ОУ будет определяться перепадом давления (р1 — р2), а также зависеть от конструктивных параметров насоса: величины зазора 8, вязкости жидкости, длины образующей 1раб, а также диаметра плунжера ^. Особенно существенно величина утечек зависит от зазора 8, так как он входит в уравнение в третьей степени.

Задаваясь допустимым значением утечек ОУА выразим 8 из уравнения (6):

8 = 3

4.8• ЯУ • т-1 Ар •р • В

(7)

Я

2

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Рис. 4. Схема нагружения угольниковой объемной гидромашины. к =ЕМ-расстояние от точки пересечения осей цилиндров до внутреннего торца цилиндра; г =БМ=МК-радиус окружности расположения центров плунжеров в цилиндре;

5 -зазор; а-угол изгиба плунжера; 7-длина плунжера; 1 ,

-максимальная длина рабочей части плунжера;

-минимальная длина рабочей части плунжера; Р-сила давления

Для определения 7раб — рабочей длины образующей плунжера при различных углах изгиба плунжера, выведем зависимость между длиной и углом изгиба плунжера.

Рассмотрим подобные треугольники ДЕМС, ЛОСК, АЛСБ (рис. 4).

Из подобия этих треугольников мы определим максимальное и минимальное значения длины рабочей части плунжера, в зависимости от угла изгиба плунжера.

1т г.

-1 - к - г ■ іе — -.

(8)

(9)

8 =

4.8-

Ар ■ж ■ О

(10)

логию изготовления основных узлов и изделия в целом.

Библиографический список

1. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод / Т.В. Артемьева и [др.] -2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 336 с.

2. Пат. Ии № 81268 и1, МПК Б04Б 1/10/Балакин П.Д., Дегтярёв А.А., Карбаинова С.Н., Шмидт А.В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ОмГАУ. — № 2008140488 /22, заявл. 13.10.2008; опубл. 10.03.2009; Бюл. № 3.

3. Гурьев, В.П. Гидравлические объемные передачи / В.П. Гурьев, В.И. Погорелов. — М.: Машгиз, 1964. — 344 с.

Исходя из уравнений 7, 8, 9, выведем зависимость между основными конструктивными параметрами угольниковой объемной гидромашины, при известной величине утечек она будет такой:

На основании полученного уравнения (10) мы можем обоснованно задавать требования к точности изготовления и обработки основных деталей предлагаемой гидромашины, тем самым определить техно-

ДЕГТЯРЁВ Анатолий Антонович, кандидат технических наук, доцент(Россия), доцент кафедры деталей машин и инженерной графики.

КАРБАИНОВА Светлана Николаевна, аспирантка кафедры деталей машин и инженерной графики. РЕДРЕЕВ Григорий Васильевич, кандидат технических наук, заведуюший кафедрой деталей машин и инженерной графики.

Адрес для переписки: 644008, г. Омск, ул. Физкультурная, 1.

Статья поступила в редакцию 05.04.2010 г.

© А. А. Дегтярёв, С. Н. Карбаинова, Г. В. Редреев