Распределительное устройство аксиально-поршневого насоса

 

11Ц 5lbl803

ОПИСАНИЕ

ИЗОЬЕЕт ЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Соав Советских

Социалистических

Ресл т блик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 15.07.75 (21) 2156480/06 с присоединением заявки № (51) М. Кл."- F 04В 1/12

F 04С 15/02

Совета Министров СССР

Опубликовано 15.06.77. бюллетень № 22 (53) УДК 621.651(088.8) ло делам изобретений и открытий

Дата опуоликования описания 18.07.77 (72) Автор изобретения

В, Ю. Энгель

Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Кирова (71) Заявитель (54) РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

АКС ИАЛ Ь НО-ПОР Ш Н ЕВО ГО НАСОСА

Государственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относится к распределительным устройствам аксиально-поршневых насосов.

Известны распределительные устройства аксиально-поршневых насосов, содержащие распределительный диск с рабочей поверхностью, взаимодействующей с блоком цилиндров и,рабочими всасывающим и нагнетаTeJIbHbIM окнами, HB перемычках между,кото рыми расположены дросселирующие карманы переменного сечения, сообщенные с рабочими окнами (11.

Дроссельные карманы в зоне перемычек между всасывающим и,нагнетательным окнами распределительного диска выполняются для предотвращения ударного действия обратного потока жидкости, наблюдаемого в момент сообщения рабочих цилиндров с полостью нагнетания, то есть для обеспечения безударного перехода рабочего цилиндра из полости всасывания в полость нагнетания, что, в свою очередь, ведет к уменьшению шума насоса.

Указанные дросселирующие карманы на рабочей,поверхности распределительного диска могут быть выполнены различными по конфигурации: прямоугольными, треугольными, трапециевидными; при этом, переменное сечение этих карманов определяется в зависимости от величины мертвого объема рабочей,камеры, давления,,развиваемого насосом, и 03 скорости вращения блока цилиндров (2).

Известные распределительные устройства недостаточно эффективны. Это обусловлено тем, что известная методика определения конфигурации карманов и величины их переменного сечения не учитывает ряда важных факторов, влияющих на протекание рабочих процессов, в частности, не учитываются наличие

10 газовой фазы в жидкости, влияние площади открывающейся дросселирующей щели на повышение давления в,рабочем цилиндре, влияние кинематических связей в насосе на изменение объема рабочего цилиндра, что в конеч15 ном итоге не обеспечивает пропорциональности между углом поворота блока цилиндров и уровнем давления в рабочем цилиндре и приводит .к,резкому нарастанию или падению давления на небольшом, в угловом отношении, участке перемычки, что, в свою очередь, способствует возникновению шума и вибраций деталей насоса.

Для достижения прямой пропорциональной зависимости между давлением в цилиндре и углом поворота блока цилиндров, уменьшения уровней шума и вибраций насоса в,предлагаемом устройстве конфигурация кармана на рабочей поверхности распределительного диска выполнена в виде двух равнобоких трапеций с общим малым основанием и примыкаю561803

Л,р— — Р„1 где щего к большему из оснований одной пз трапеций прямоугольника, противоположная сторона которого пересекается с контуром,рабочего окна, причем соответстнукпцие стороны

S;« — площадь проходного сечения дросселирующей прорези-кармана; р„,„— коэффициент расхода дросссл и р ую«щей прорези;

«0- — угловая скорость блока цилиндров;

«p2 — значение угла поворота блока цилиндров в момент сообщения цилиндра с распределительным окном;

cp — значение угла поворота блока цилиндров в любой момент времени;

v0, P0, go — значения объема цилиндра, давления жидкости в нем и плотности рабочей жидкости в момент времени, соответствующий разобщению цилиндра от распределительного окна;

Р„ — уровень давления в окне нагнетания;

m — относительное содержание газовой фазы в жидкости; — коэффициент объемного сжатия жидкой фазы;

Q, — постоянная для данного насоса величина, зависящая от его ,конструктивных параметров;

r — расстояние от оси распределительного диска до дросселирующей,прорези-кармана.

На фиг. 1 и 2 изображено описываемое устройство; на фиг. 3 — график изменения давления в цилиндре в зависимости от угла поворота блока цилиндров; на фиг. 4 — конфигурация дросселирующей прорези-кармана в увеличенном масштабе; на фиг. 5 — разрез по

 — В на фиг. 4; на фиг, б — разрез по à — Г на фиг. 4.

Распределительное устройство аксиальнопоршневого насоса содержит распределительный диск 1, рабочая поверхность которого взаимодействует с торцом блока цилиндра 2, где выполнены рабочие цилиндры 3 и 4, число которых обычно колеблется от пяти до девяти, в которых размещены поршни 5. В торце каждого рабочего цилиндра 3, 4 выполнено окно б. Распределительный диск 1 содержит рабочие всасывающие 7 и нагнетательные 8 окна. На перемычках между окнами 7 и 8;расположены дросселирующие прорезикарманы 9 переменного сечения, сообщенные трапеций и прямоугольника сопряжены между собой посредством дуг окружностей, и переменное сечение карманов указанной конфигурации определяется из выражения: с рабочими окнами 7 и 8. Передняя zðîìêà

10 кармана 9 в определенные моменты времени совладает с кромкой 11 окна 6.

1 а бота насоса с указанным распрсделиТ«. льным устройством происходит следующим о «) p 130 м.

11ри врагцепип блока цилиндров 2 в направлении, указанном стрелкой, окно 6 цилиндра 3;разобщится от окна 7, кромка 11 этого окна совпадет с кромкой 10. Начиная с этого момента, необходимо такое изменение давления в цилиндре,3, при котором были бы обеспечены равенство давлений в цилиндре 3 и окне нагнетания 8 в момент их сообщения и прямая пропорциональная зависимость между нарастанием давления и углом поворота ротора до момента выравнивания давлений в цилиндре и окне нагнетания.

На графике изменения давления Р2 в цилиндре 3 в функции угла поворота «р2 блока цилиндров 2 точка 12 соответствует давлению в цилиндре 3 в момент его разобщения от окна всасывания (Р« — — PBc — — Po) при «р=q»=

=«ро, а точка 13 †давлен в цилиндре в момент его сообщения с окном нагнетания 8

Зо (Р2=Р„) при « =«р2. При нарушении одного из указанных выше условий график изменения давления может иметь, например, вид линии 14, точка 15 которой соответствует моменту сообщения цилиндра с окном нагнетаЗ5 ния,,при этом давление в цилиндре достигло лишь половины величины давления в этом окне. Давление 200 атм является обычным для современных аксиальных насосов. Следовательно, разница между давлениями в цилиндре

4О и окне нагнетания составляет 100 атм. Практически мгновенное соединение двух объемов с такой разностью давлений:равносильно мощному гидравлическому удару. Подобный удар неизбежно повлечет за собой динамические

45 нагрузки большой силы на все детали насоса, сообщающиеся с цилиндром (поршень 5, диск 1, блок цилиндров 2), а также связанных с последними кинематически (шток, лриводной наклонный диск, подшипники, приводной вал и др,). Столь резкие динамические нагрузки вредны сами по себе, так как снижают долговечность насоса, но помимо этого, они вызывают вибрации перечисленных деталей, что приводит к возникновению воздушного шума, который, как показывают многие исследования последних лет, значительно превышает другие источники шума в насосах рассмагриваемого типа.

561803

В случае нарушения другого указанного выше условия процесс нарастания давления в цилиндре от давления в точке 12 до давления в точке 13 может пойти по кривой 16, кривой 17 или любой другой кривой, дающей нелинейную зависимость между давлением в цилиндре и углом поворота ротора.

Рассмотрим кривую 16. До точки 18 давление нарастает медленно. Точка 18 соответствует 0,75 и давлению 0,25Р . Следовательно, за время прохождения оставшейся части всего пути от точки 12 до точки 13 давление в цилиндре повышается в 4 раза. Такое резкое нарастание давления близко гидравлическому удару и вызывает, последствия, сходные с описанными выше. Протекание рабочего процесса в цилиндре в соответствии с кривой

17 аналогично только что рассмотренному.

Только выполнение второго указанного условия, т. е. нарастание давления по линии 19, обеспечивает оптимальный с точки зрения нагрузок на детали насоса и уровня шума .рабочий процесс насоса.

Чтобы обеспечить нарастание давления в цилиндре в сооответствии с линией 19, необходимо выбрать закон изменения площади сечения дросселирующей прорези-кармана 9, отвечающий прямой пропорциональности между давлением в цилиндре и углом поворота ротора между точками 12 и 13.

Для того, чтобы найти этот закон, запишем уравнение масс жидкости в цилиндре:

М = М. — М, + М.,г (1)

Здесь и далее введены следующие обозначения:

Р; М; v; о — давление, масса, объем и плостность жидкости в цилиндре в любой момент времени;

Pn, Мо; vn,оо — то же в начальный момент времени (в момент разобщения цилиндра от окна всасывания);

Му, v> — масса и объем жидкости, покинувшей камеру через зазоры (утечки);

co=at — угловая скорость ротора; г т= — — относительное содержание гаV зов в жидкости, заполняющей цилиндр; х —,путь поршня;

А — радиус точки заделки шатуна (штока) в плоскости наклонного или приводного диска; у †уг наклона блока цилиндров или наклонного диска;

d — диаметр поршня насоса;

S p — переменная площадь сечения дросселирующей прорези; р„р — коэффициент расхода через дросселиру1ощу1о прорезь;

r — расстояние от центра распределительного диска до дросселирующей прорези;

P — коэффициент объемного сжа5 тия жидкой фазы.

Принимая во внимание, что M=qv; М,-=

=оо,-; М р=ov p Mn=onvn=const, продифференцируем выражение (1) по времени. При этом следует иметь в виду, что цилиндр за10 полняет не чистая жидкость, а механическая смесь жидкой фазы с газовой, обладающая повышенной сжижаемостью по сравнению с чистой жидкостью. Плотность этой смеси лри дифференцировании необходимо принять ве15 личиной переменной. После дифференцирования и некоторых преобразований получим (1Р Ppvo dv (ХОг do p

dt po dt dt dt

20 Поскольку

do dp dP d: dP

dt dP dt dP dq окончательно имеем

n>n 1 "г лр 0 (2)

tP У "- Ц У dt

Связь между плотностью жидкости и давлением с учетом газовой фазы известна из

30 технической литературы (3) и имеет следующий вид:

-; и

1 tn (1 Р lP) i (1 rn) (P Po) (3) 1 — Л (P) где

Ь (P) = m(1 — Р, Р) — ) (1 — m) (P — Р,). (4) 40 Подставив минимальные и максимальные значения в правую часть выражения (4), видим, что величина Л (Р) всегда значительно меньше единицы. Из математики известно, что для этого случая

=1+А(Р)

1 — Л (P) Таким образом, ; = I o (1+ (1 — PolP) + Р (1 — ) (— Po) (5)

Продифференцировав выражение (5) по давлению, получим

: n, + (1 — ш). (6) 55

dP

Член в уравнении (2) представляет

Ыу собой скорость нарастания давления в цилиндре. Поскольку ранее мы пришли к выводу, 60 что из всех возможных кривых наиболее рациональной является линия 19 (фиг. 3), необходимо записать линейную зависимость между давлением в цилиндре и углом поворота блока цилиндров, Эта зависимость имеет сде65 дующий вид;

561803

Р=р.+Є— Р.) . (7) > 2

Второй член в уравнении (2) представляет собой изменение объема цилиндра, задавае- 10 мое кинематикой насоса. Он может быть представлен для аксиальных насосов с силовым и несиловы}м карданом известной формулой:

dv dv dx d2 . 15 — — о} = Q,â з1п о>, {9)

dy 4 2 где Q, = R sin; = сопз1(для данного на4 соса). 20

Третий член в уравнении (2) примем равным нулю, полагая, что поскольку цилиндр проходит участок перемычки, занимаемый о> тРо (и Ро) vo } 2

+ р (1 — m) — Q„. sing

Р.> — ) SÄp =

Ро >2

Учитывая, что Р„))Ро предыдущее выражение можно упростить и записать в виде: о> <}} Ро — Ро ° vp, } (1 — m) + Q sin y (PÄ PÄ â€” )

S,ð— г.»> +,.>.д p — Ро 1 —— дуг окружности радиусов R2, Rs и Ri,. Кроме

25 того, соединение боковых сторон трапеции

abih с основанием ah осуществляется с помощью дуг окружности, имеющих радиус R}.

Сечения дросселирующей прорези могут быть приняты прямоугольной, треугольной, з0 полукруглой или любой другой формы, геометрически правильной относительно оси у — у (фиг. 4 и 5), перпендикулярной плоскости фиг. 4 и пересекающейся с осью х — х под прямым углом.

35 Таким образом, в случае, например, сечения прямоугольной формы, как это изображено на фиг. 5 и 6, дросселирующая прорезь представляет собой тело, состоящее из усе-" ченных четырехгранных пирамид abih и bcji

40 (у которых основание b; является общим) и параллелепипеда dcfg.

Формула изобретения

Распределительное устройство аксиально45 поршневого насоса, содержащее распределительный диск с рабочей поверхностью, взаимодействующей с блоком цилиндров и рабочими всасывающим и нагнетательным окнами, на,перемычках между которыми располо50 жены дросселирующие карманы переменного

Дифференцируя выра>кение (7) по углу позорота блока цилиндров, получим йРЄ— Ро (8)

Ы7 92

Дросселирующая прорезь, переменное сечение которой выполнено в соответствии с формулой (11), обеспечивает изменение давления в каждом цилиндре насоса по линии 19 (фиг..3), т. е. прямую пропорциональность между давлением и углом поворота блока цилиндров, что, в свою очередь, обеспечит отсутствие ударных нагрузок на детали насоса, увеличение его долговечности, снижение вибраций и уровня шума.

Дросселирующая прорезь в соответствии с формулой (11) может быть выполнена двумя способами: а) с постоянным размером по глубине распределительного диска и с переменным в плоскости зеркала диска, б) с переменным размером по глубине диска и с постоянным в плоскости зеркала диска.

Дросселирующая прорезь, выполненная по первому способу, изображена на фиг. 4, 5, 6.

Дросселирующая прорезь представляет собой геометрическую фигуру, симметричную относительно оси х — х (фиг. 4) и состоящую в плоскости фиг. 4 из сочетания равнобоких трапеций abih u bcji с прямоугольником defg.

Причем в местах перехода одной трапеции в другую, а также трапеции в прямоугольник, соедиисиис линий происходит посредством дросселирующей прорезью за микросекунды, расход утечек из цилиндра ничтожен.

Последний член в уравнении (2) состоит из двух слагаемых.

Первое представляет собой изменение объема цилиндра, .происходящее посредством поступления в него жидкости из окна нагнетания через сечение дросселирующей прорези, например, сечение  — В (фиг. 5). Второе слагаемое — это изменение объема цилиндра, происходящее за счет включения в этот объем полости самой дросселирующей прорези.

Эти слагаемые запишутся в виде;

dv2 d 2> .Ц> 2P

dt dy

=s, („, .)> }р p}+ra 1 }}о}

Подставляя теперь выражения (6), (8), (9) и (10) в уравнение (2) и.решая последнее относительно переменной площади дросселирующей прорези, получим

561803

»О mP, н »0 „11+»n) + (;)„ sin „.

P»» + Є—

Я,р—

Г»»» + I»äð — Р,» 1

10 где с сечения, сообщенные с рабочими окнами, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью достижения прямой пропорциональной зависимости между давлением в цилиндре и углом поворота блока цилиндров, уменьшения уровней шума и вибраций насоса, конфигурация кармана на рабочей поверхности распределительного диска выполнена в виде двух равнобоких трапеций с общим малым основанием и

S» — площадь проходного сечения дросселирующей прорези-кармана; р. р — коэффициент расхода дроссели рующей прорези; ю — угловая скорость блока цилинд.ров;

cp> — значение угла поворота блока цилиндров в момент сообщения цилиндра с распределительным окном; р — значение угла поворота блока цилиндров в любой момент времени;

v, Рр, o»> — значения объема цилиндра, давления жидкости в нем и плотности рабочей жидкости в момент времени, соответствующий разобщению цилиндра от распределительного окна; примыкающего к большему из оснований одной пз трапеций прямоугольника, противоположная сторона которого пересекается с контуром рабочего окна, причем соответствующие стороны трапеций и прямоугольника сопряжены между собой, посредством дуг окружностей, и переменное сечение карманов, указанной конфигурации определяется из выражения:

Р„ — уровень давления в окне нагнетания; пг — относительное содержание газовой фазы в жидкости;

P — коэффициент объемного сжа15 тия жидкой фазы;

Q, — постоянная для данного насоса величина, зависящая от его конструктивных параметров;

r — расстояние от оси распредели20 тельного диска до дросселирующей .прорези. кармана, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Т. М. Башта. «Объемные насосы и гид25 равличсские детали гидросистем», изд. «Машиностроение», Москва, 1974, Рис. 71, с. 220, 222, и 475.

2. Патент Франции № 1.590.641, кл. Г 04В, 1970, 561803 ф г.б

Составитель В. Чашкин

Техред 3, Тарасова

Корректор Н. Аук

Редактор И. Шейкин

Типография, пр. Сапунова, 3

Заказ 1532/8 Изд. _#_o 511 Тираж 881 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5