Файл: Краткие сведения из теории общие сведения о гидропередачах и гидромашинах.pdf

32 кулачковый механизм, в четвертых – сферический четырехзвенник, в пятых – принцип построения механизма качающейся шайбы принято относить к са- мостоятельному. Эти разночтения свидетельствуют о попытках различных авторов найти относительно простые и вместе с тем точные аналитические выражения для определения траекторий, скоростей и ускорений отдельных элементов кинематически сложного механизма качающейся шайбы. Не вда- ваясь в анализ различных подходов к решению задач кинематики этого меха- низма, следует заметить, что достаточно четкое представление о принципе устройства и действия насоса и гидромотора универсального регулятора ско- рости можно получить на базе рассмотрения простейшего кривошипно- шатунного механизма (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Простейший кривошипно-шатунный механизм
Как известно, при вращении кривошипа 4 вокруг оси О–О поршень 2 бу- дет перемещаться в цилиндре 1. При этом за время полного оборота криво- шипа поршень совершит два хода, один из которых при введении в схему со- ответствующего распределительного устройства можно использовать для всасывания жидкости в полость цилиндра, а другой – для ее вытеснения. Те- кущее перемещение х поршня за время поворота кривошипа длиной R на угол β при совпадении осей х–х и z–z формируется из двух величин, одна из которых (С
1
С
2
) равна перемещению проекции пальца С по линии «мертвых точек»: z–О–z, а другая (С
2
С
3
) – обусловлена переменным значением углаγ между шатуном 3 и осью х–х, т. е.
x=R(1–cosβ) + L(1–cosγ).
Принцип действия подобного механизма не изменится, если плоскость вращения кривошипа 4 будет повернута на какой-либо угол вокруг любой из осей принятой системы координат yОz. Последнее отразится лишь на вели- чине текущего перемещения х и рабочего хода h поршня. Например, если по- вернуть плоскость вращения кривошипа вокруг оси у–у на некоторый угол φ, то, очевидно,
x=[R(1–cos β) + L(1–cos γ)]
· cos φ.
(4.1)

33
Если же плоскость вращения кривошипа повернуть вокруг оси z–z, то по сравнению с исходной схемой каких-либо изменений в значении текущего перемещения поршня не будет.
Эта возможность поворота плоскости вращений кривошипа без наруше- ния принципа действия механизма, по существу, и была использована при построении конструктивной схемы универсального регулятора скорости.
Действительно, повернув плоскость вращения кривошипа вместе с осями
О-О и z–z вокруг оси у–у на 90°, заменив кривошип диском (шайбой) радиу- сом R
ш и предоставив ему возможность независимо поворачиваться вокруг оси у–у на угол ±α, а также, взяв несколько цилиндров с поршнями и разме- стив их по окружности в общем блоке, нетрудно прийти к схеме, изображен- ной на рис. 4.2 (для наглядности она дополнительно повернута на 90° вокруг оси О–О). Таким образом, применительно к преобразованной схеме φ=90±α
(cos φ =

sin α), а угол γмало отличается от нуля (cos γ ≈ 1).
Поскольку теперь простой кривошипно-шатунный механизм превратился в пространственный, то для получения возвратно-поступательного движения поршней блок цилиндров должен вращаться вместе с шайбой вокруг одной и той же оси О–О и с одной и той же средней угловой скоростью ω. При этом в соответствии с выражением (4.1) текущее перемещение поршня с достаточ- ной степенью точности будет определяться зависимостью:
x=R
ш sin α(1 – cos β),
(4.2) где R
ш
– радиус расположения головок штоков поршней в шайбе;
α – угол наклона качающейся шайбы относительно оси z–z (знак перед значением sin α указывает на направление потока жидкости и при исследо- вании кинематических параметров машины может не учитываться);
β – угол поворота шайбы вместе с блоком цилиндров от линии мерт- вых положений (z–z)в сторону вращения вала машины.
Рис. 4.2. Пространственный механизм

34
Кстати, справедливость этой зависимости для инженерных расчетов подтверждается выполненными на рис. 4.2 геометрическими построениями, согласно которым рабочий ход поршня h=2R
ш sin α. Точно такое же выраже- ние для рабочего хода поршня получается из формулы (4.2) при подстановке в нее β = 180°.
На рис. 4.3 представлена принципиальная схема универсального регуля- тора скоростинераздельного исполнения.
Рис. 4.3. Принципиальная схема УРС Кировского завода:
1 – вал насоса, 2 – направляющая чашка, 3 – качающаяся шайба, 4 – кардан, 5 – шток, 6 – поршень, 7 – ротор насоса, 8 – пружина, 9 – шпонка, 10 – окно, 11 – распределитель, 12 –
ротор гидромотора, 13 – кожух, 14 – вал гидромотора, 15 – канал для манометра, 16 – со- единительный канал, 17 – канал для выпуска воздуха, 18 – дугообразный канал, 19 – болт,
20 – предохранительный клапан, 21 – подпиточный клапан, 22 – канал клапана.
Вал 1 насоса, проводимый от какого-либо источника энергии, передает вращение через кардан 4 качающейся шайбе 3 и через овально- призматические шпонки 9 ротору 7. При этом штоки 5 с поршнями 6 совер- шают возвратно-поступательное движение в цилиндрах ротора. За один обо- рот вала каждый поршень совершает полный ход вперед и назад. Так как на- правление движения поршня меняется в момент нахождения его в самом верхнем или самом нижнем положении, то поршни, расположенные по одну сторону вертикальной плоскости z–z, нагнетают рабочую жидкость (масло), а поршни, расположенные по другую сторону, всасывают ее. Ротор имеет де- вять цилиндров, в дне каждого из них выполнено овальное окно 10,через ко- торое при работе поршня всасывается или нагнетается рабочая жидкость. Из

35 цилиндров насоса жидкость поступает под поршни гидромотора (и наоборот) через соответствующие окна и дугообразные каналы 18 распределителя 11.
Нагнетаемая насосом жидкость давит на поршни гидромотора и через штоки создает на шайбе последнего тангенциальные силы, которые заставляют вращаться выходной вал 14,а вместе с ним и ротор 12.
Скорость вращения вала 14 прямо пропорциональна количеству подава- емой в гидромотор жидкости. В свою очередь производительность насоса за- висит от длины рабочего хода его поршней и, следовательно, от угла наклона направляющей чашки 2.Перемена направления вращения вала 14 до- стигается путем изменения наклона чашки 2 вместе с размещенной в ней ка- чающейся шайбой 3 в ту или другую сторону от вертикальной оси z–z. Пово- рот чашки насоса в пределах ±20° осуществляется при помощи управляюще- го шпинделя (на рисунке не показан). Направляющая чашка гидромотора и его шайба имеют постоянный угол наклона, равный 20°.
Диаметр расположения головок штоков поршней в качающейся шайбе насоса несколько больше, чем диаметр расположения цилиндров в роторе.
Величина дезаксиала подобрана таким образом, что при углах наклона шай- бы до ±14° от среднего положения боковые составляющие, усилий от давле- ния жидкости на поршнии центробежные силыпоршней направлены в про- тивоположные стороны. Благодаря этому в пределах вышеуказанных значе- ний угла наклона шайбы величина усилий прижатия поршней к стенкам ци- линдров снижается, что способствует уменьшению износа поршневой груп- пы машины.
Шайбы насоса и гидромотора соединены с валами 1 и 14 при помощи одинарных шарниров. Одношарнирное соединение, как известно из теории карданных механизмов, вызывает неравномерность скорости вращения ве- домого звена, каковыми в данном случае являются: для насоса – качающаяся шайба 3;для гидромотора – выходной вал 14. То есть угловая скорость, например, качающейся шайбы насоса будет подчиняться зависимости:
1 2
1 2
1 1
ш cos sin
1
cos









, где ω
1
– угловая скорость вала насоса;
α
1
– угол наклона качающейся шайбы;
β
1
– угол поворота вала насоса от условно принятого начального поло- жения.
Таким образом, кроме присущих всем ротационно-поршневым машинам высокочастотных пульсаций подачи и давления, обусловленных неравномер- ной скоростью относительного движения поршней, колебания скорости вра- щения качающейся шайбы насоса вызывают дополнительные ускорения по- следних, вследствие чего возникают колебания подачи и давления с низкой частотой, равной частоте колебаний скорости вращения качающейся шайбы.
Низкочастотные колебания подачи вызывают соответствующие колебания скорости вращения шайбы и вала гидромотора, усиливая эффект не- равномерности их движения, обусловленный собственной одношарнирно-

36 стью соединения. Это обстоятельство, сопровождающееся периодически действующими инерционными силами, дополнительно нагружающими неко- торые узлы насоса, гидромотора и приводимого в действие механизма, огра- ничивает верхний предел частоты вращения валов УРС Кировского завода.
Для сглаживания низкочастотных колебаний подачи и давления рабочей жидкости, а следовательно, и скорости вращения выходного вала, цилиндры ротора насоса, их окна и гнезда качающейся шайбы расположены на разных расстояниях друг от друга; цилиндры, их окна и гнезда шайбы гидромотора расположены на неодинаковых радиусах и тоже с различным шагом; кроме того, центры окон обоих роторов имеют угловые смещения относитель- но друг друга.
Эти мероприятия дают желаемый эффект лишь при относительно невы- соких (до 15 кгс/см
2
) давлениях в рабочей полости. При форсированных же по нагрузке режимах работы возникают заметные колебания качающейся шайбы вокруг оси у–у, которые не сглаживаются принятыми мерами и вызы- вают существенные колебания скорости вращения выходного вала и давле- ния рабочей жидкости в магистралях с частотой f=ω
1
/π Гц.
Кроме дугообразных каналов 18 в распределителе 11 размещаются ка- налы 15 для присоединения манометров, каналы 17 для выпуска воздуха, предохранительные клапаны 20 и подпиточные (обратные) клапаны 21.По- лости всех клапанов при помощи специальных каналов, один из которых обозначен позицией 22,соединены с внутренней полостью корпуса, об- разованного кожухами 13.Стянутые болтами 19 кожухи объединяют все де- тали УРС и одновременно являются резервуарами для рабочей жидкости.
Полости кожухов дополнительно сообщаются между собой посредством ка- нала 16.
Насос и гидромотор универсального регулятора скорости раздельного исполнения снабжены индивидуальными распределителями, в которых канал
16 отсутствует. Кроме того, в распределителе гидромотора отсутствуют предохранительные клапаны и каналы для присоединения манометров. Со- общение между полостями корпусов насоса и гидромотора в этом случае осуществляется чаще всего через пополнительный бачок, к которому подво- дятся трубки от наливных отверстий обеих машин.
Вместе с тем следует заметить, что бачок можно соединять только с корпусом насоса. При такой компоновке бачка в корпусе гидромотора, вследствие накопления в нем утечек рабочей жидкости, будет иметь место избыточное давление. Это обстоятельство активизирует работу подпиточных клапанов, расположенных в распределителе гидромотора. Соединять бачок с корпусом гидромотора нельзя, ибо восполнение утечек жидкости из замкну- того объема между машинами осуществляется главным образом через под- питочные клапаны насоса, и, следовательно, его корпус при длительной ра- боте может оказаться осушенным.
Колебания объема залитой в машины жидкости, возникающие при по- вышении или понижении ее температуры, компенсируются соответствую- щим заполнением бачка. При этом жидкость из замкнутых объемов и корпу-

37 са гидромотора, если последний не сообщается трубкой с пополнительным бачком, может перетекать в бачок (из бачка) через подпиточные клапаны и зазоры в поршневых группах и распределительных узлах.
Экспериментальная установка
Испытания универсального регулятора скорости Кировского завода осуществляются на специальном стенде, принципиальная схема которого приведена на рис. 4.4.
Рис. 4.4. Принципиальная схема для испытания УРС Кировского завода:
1 – приводной асинхронный электродвигатель, 2 – весы, 3 – шпиндель, 4 – насос (ревер- сивный регулируемый), 5 – манометры, 6 – весы, 7 – термометр, 8 – гальванометр, 9 – термопара, 10 – гидромотор (реверсивный нерегулируемый), 11 – цифровой тахометр, 12 – потенциометр, 13 – нагрузочный генератор, 14 – демпферы, 15 – угломер, 16 – цифровой тахометр, 17 – реостат.
Вал насоса 4 приводится в движение от асинхронного электродвигателя
1 с вывешенным статором, на котором закреплен опирающийся на грузовую платформу весов 2 рычаг длиной l
1
. Значение угла наклона качающейся шай- бы устанавливается по угломеру 15 с помощью шпинделя 3.Угломер имеет две шкалы (принципиально аналогичные шкалам штангенциркуля), позволя- ющие определять величину угла наклона шайбы с точностью до одной мину- ты.
Вал гидромотора 10 при помощи муфты соединен с валом генератора 13,
статор которого, как и статор приводного электродвигателя, вывешен на спе- циальных опорах и своим рычагом длиной l
2
опирается на грузовую плат- форму весов 6.

38
Системы мотор-весы 1–2 и 13–6 предназначены для определения кру- тящих моментов на входном и выходном валах гидропривода. Особенность этих систем является то обстоятельство, что центры тяжести вывешенных статоров электрических машин ниже осей их качания. То есть достаточно точные значения крутящих моментов могут быть получены только в том слу- чае, если рычаги, а с ними и грузовые платформы соответствующих весов, во время замеров занимают исходное положение. Это достигается уравновеши- ванием действующих на грузовые платформы сил G
1
, и G
2
гирями, размеща- емыми на малых платформах весов.
Манометры 5 предназначены для замеров давления в рабочих полостях гидропривода, а регулируемые дроссели 14 – для демпфирования колебаний их стрелок. Система, состоящая из термометра 7,
гальванометра 8 и термопа- ры 9,служит для фиксации температуры рабочей жидкости.
Нагружение гидропривода осуществляется с помощью генератора 13,в цепь якоря которого включен нагрузочный реостат 17 (он включается в цепь с помощью выключателя, расположенного непосредственно на нем), а в цепь обмотки возбуждения – потенциометр 12.Фиксирование частот вращения входного и выходного валов гидропривода осуществляется с помощью циф- ровых тахометров 16 и 11.
Объем и содержание экспериментальной части работы
В процессе выполнения экспериментов необходимо определить механи- ческие характеристики гидропривода и электрогидропривода, скоростную характеристику электрогидропривода, объемный, гидромеханический и об- щий КПД в функции от нагрузки или параметра регулированияи мертвую зону гидропривода.
Все вышеперечисленные характеристики относятся к важнейшим. Они обычно снимаются во время заводских испытаний каждого вновь изготов- ленного агрегата и записываются в его паспорт.
Работа разбита на три серии опытов. Каждая серия подразделяется на группы, состоящие из нескольких опытов. В каждом из опытов замеряются определенные параметры, позволяющие после соответствующей обработки построить ту или иную характеристику. Графики характеристик строятся со- гласно индивидуальному заданию.

Последовательность выполнения работы
1. Распределить участников эксперимента по рабочим местам: а) кнопки пускателя, шпиндель управления и угломер (1, 2, 3 серии) б) манометры (1, 2, 3 серии); в) термометр и гальванометр (1, 2, 3 серии); г) ведение протоколов испытаний (1, 2, 3 серии); д) нагрузочный реостат и потенциометр (1, 2, 3 серии); е) тахометр на валу насоса (1, 2, 3 серии); ж) весы для определения момента на валу насоса (2 серия); з) весыдля определения момента на валу гидромотора (2 серия);

39 и) тахометр на валу гидромотора (1, 2, 3 серии);
2. Подготовить бланки протоколов испытаний по формам 4.1, 4.2, 4.3.
3. Совместно с преподавателем или лаборантом опробовать установку.
4. При необходимости (по указанию преподавателя) подогреть (осту- дить) рабочую жидкость до желаемой температуры. (Подогрев осуществля- ется в процессе работы машины под нагрузкой, охлаждение – паузой в ее ра- боте).
5. Провести эксперименты в соответствии с нижеизложеннымиуказани- ями.
Первая серия опытов
По числу направлений вращения вала гидромотора первая серия делится на две группы опытов. Каждая группа проводится при семи значениях давле- ния рабочей жидкости на стороне нагнетания, а именно: р
xx
(давление на хо- лостом ходу гидропривода), 6, 8, 10, 12, 14 и 16 кгс/см
2
При проведении первой серии опытов соблюдается следующая последо- вательность операций: а) посредством деревянных подкладок затормозить статоры приводного электродвигателя и генератора; б) установить в нейтральное (нулевое) положение качающуюся шайбу насоса, рукоятку нагрузочного реостата и ползунок потенциометра; в) для включения приводного двигателя с помощью рубильника на рас- пределительном щите подать напряжение 380 В, включить приводной элек- тродвигатель; г) установить максимальный (или близкий к нему) угол наклона качаю- щейся шайбы и зафиксировать шпиндель управляющего механизма; д) до включения нагрузки записать в протокол испытаний (форма 4.1) показания приборов стенда, используемых при проведении данной группы опытов; е) с помощью рубильника на распределительном щитке подать напря- жение 110 В в обмотку возбуждения генератора и, воздействуя на рукоятки нагрузочного реостата (предварительно его надо включить) и потенциометра, установить первую из нагрузок (6 кгс/см
2
) на стороне нагнетания. ж) подать команду для наблюдений за приборами и записать их показа- ния в протокол испытаний; з) в каждом следующем опыте установить новую (увеличенную) нагруз- ку и записать показания приборов; и) после окончания первой группы опытов вывести качающуюся шайбу насоса, рукоятку нагрузочного реостата и ползунок потенциометра в нейтральное положение, затем качающуюся шайбу повернуть в другую сто- рону на тот же угол; к) в той же последовательности (за исключением пл. «а» и «б») провести вторую группу опытов, устанавливая величину нагрузки по другому мано- метру.