Национальный исследовательский

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, ТПУ Россия

Tomsk Polytechnic University 30, Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждаю

Проректор - директор ИК

_________ Сонькин М.А.

«___» __________ 2011г.

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАСОСНОЙ СТАНЦИИ

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Гидравлические машины и гидропневмопривод» для студентов направления 150700 «Машиностроение».

Томск 2011

УДК

Изучение характеристик насосной станции.

Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Гидравлические машины и гидропневмопривод» для студентов направления 150700 «Машиностроение». Томск, изд. ТПУ, 2011. -14с.

Составители: Смайлов С.А., Кувшинов К.А.

Рецензент: Крауиньш П.Я.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы методическим семинаром кафедры «Автоматизации и роботизации в машиностроении» 2011г.

Зав. кафедрой С.Е. Буханченко

Цель работы:

- получение навыков практической работы и эксплуатации источников гидравлической энергии промышленного оборудования, а также способов их регулирования;

- получение навыков исследования по определению рабочих характеристик источников гидравлической энергии.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основным источником энергии в гидравлических системах промышленных роботов, металлообрабатывающего оборудования и других различных устройств является насосная станция.

Насосная станция преобразует подводимую электрическую или другую энергию в энергию движущегося потока жидкости.

Обычно, в промышленных роботах и в большинстве оборудования, насосная станция выполняется в виде отдельного агрегата, но бывают насосные станции, встроенные в промышленное оборудование. Независимо от вида выполнения и конструктивного оформления насосных станций, общим для всех является наличие основных элементов, принцип и режим работы.

Типичная схема насосных станций показана на рис. 1.

Механическую энергию вала электродвигателя 1, насос 2 преобразует в гидравлическую энергию потока жидкости. В насосных станциях, обычно, используют в качестве электродвигателя, трехфазные асинхронные электродвигатели, которые имеют жесткую механическую характеристику, просты конструктивно и дешевы.

Давление жидкости на выходе насоса зависит от сопротивления внешней цепи, в которую поступает поток от насоса. В гидравлических приводах основную часть сопротивления внешней цепи составляет нагрузка от гидродвигателя, которым являются гидромотор или гидроцилиндр, и сопротивление управляющих дросселей, золотников и арматуры.

Для измерения давления служит манометр 6. Максимальное необходимое давление настраивается клапаном 7, который предохраняет всю систему от перегрузки. Фильтр 3 очищает рабочую жидкость от различных включений и способствует повышению долговечности, как насосной станции, так и всего гидравлического привода оборудования. Обратный клапан 4 препятствует сливу жидкости из напорных магистралей в бак при остановке насосной станции. тем самым уменьшает время выхода привода на рабочий режим.

Основной задачей аккумулятора 5, в данной схеме является сглаживание пульсации давления в напорной магистрали насосной станции. Гидравлический бак 9 служит для хранения жидкости. Его объем выбирается исходя из необходимого объема жидкости для обслуживания привода и таким образом, чтобы при работе температура жидкости поддерживалась в заданных пределах. Для соединения элементов между собой используют трубопроводы 8, которые выполняются с жесткими стенками (металлические трубки) и гибкими стенками (гидравлические рукава).

Приведенная на рис. 1 принципиальная схема насосной станции не является строгой и может не содержать, в ряде случаев, тех или иных вспомогательных элементов, а также содержать другие, например, систему охлаждения рабочей жидкости, что определяется свойствами двух основных элементов насосной станции, насоса 2 и клапана 7.

Проанализируем раздельно характеристики насоса и клапана.

В качестве генератора энергии потока рабочей жидкости в насосных станциях роботов и другого технологического оборудования используются объемные насосы. Промышленностью выпускается широкая номенклатура и различные типоразмеры насосов.

Одними из основных характеристик насосов являются энергетические характеристики, которые определяют степень использования подводимой мощности.

Если насос подает в напорную магистраль расход жидкости Q_g при давлении р, то полезная мощность N_g будет равна:

. (1)

Отношение полезной мощности и подводимой N_bx определяет полный коэффициент полезного действия (КПД) насоса h.

. (2)

На рис. 2 представлен график зависимости мощности насосной станции, при определенном расходе Q, от давления р на выходе. Как показано на графике, потери мощности разделены на три области. Каждая область определяет потери мощности в зависимости от различных свойств, связанных с изготовлением и эксплуатацией насоса.

Область 1 определяет механические потери мощности, которые связаны с затратой энергии на трение движущихся частей (в подшипниках, подвижных сопряжениях, а также на трение движущихся частей о жидкость).

Механические потери удобно выражать через момент трения М_Т приведенный к валу насоса.

, (3)

где - теоретический момент на валу;

М_g – действительный момент на валу;

q – рабочий объем насоса.

Механический КПД h_М для насоса определяется следующей зависимостью

. (4)

Механические потери практически не зависят от давления в напорной магистрали и определяются конструктивными и технологическими параметрами, заложенными в насос при его конструировании и изготовлении.

Среднее значение h_М находится в пределах 0,75…0,96.

Область Ш на рис. 2 определяется гидравлическими потерями энергии, связанными с трением жидкости о стенки каналов и между слоями, а также местными сопротивлениями. Гидравлические потери не зависят от давления, а определяются скоростью движения потока жидкости. Они приводят к увеличению потерь момента на валу насоса и поэтому приближенно могут учитываться в h_М. Так как длина магистралей в насосных станциях невелика, и скорость движения потока жидкости в магистралях ограничена (6…7) м/сек в технологическом оборудовании, то КПД от гидравлических потерь h_r из-за малости принимается равным 1.

Область П рис. 2 определяется объемными гидравлическими потерями, которые связаны с утечками расхода жидкости чрез подвижные сопряжения в насосе.

Расчетное значение расхода Q_T объемного насоса может быть записано в виде выражения:

. (5)

где n – число оборотов вала насоса.

Различие в расходах насоса теоретического Q_T и действительного Q_Д при каком-то значении давления р определяет объемный КПД h_О, который можно выразить следующим соотношением:

. (6)

где DQ – утечки расхода жидкости через сопряжения.

Утечки расхода жидкости DQ и определяют потери мощности в насосе, которые возрастают с увеличением давления р.

На рис. 3 представлен график зависимости объемного КПД h₀ расхода Q и давления р. Объемный КПД h_О при постоянном расходе на выходе насоса с увеличением давления уменьшается - h_О=f(р). Это обстоятельство отмечалось выше.

С увеличением расхода Q КПД h₀ при постоянном давлении возрастает (зависимость h₀=f(Q)) так как утечки мало зависят от выдаваемого расхода.

Из выше изложенного следует, что общий КПД насоса h состоит из трех составляющих: гидравлического h_Г, механического h_М и объемного h_О и определяется их произведением.

. (7)

Общий КПД h для объемных насосов, используемых в промышленности, лежит в пределах 0,7 … 0,9.

Важной для объемных насосов является статическая характеристика, которая строится в координатах Q – р и представлена на рис. 4.

Пунктирная горизонтальная линия – есть расчетное значение расхода по зависимости (5). Сплошная наклонная – действительное значение расхода Q_д в зависимости от давления р. Наклон действительной характеристики зависит от многих факторов. Прежде всего от конструкции насоса. степени износа элементов, вязкости используемого масла и некоторых других факторов.

Разность между расчетным и действительным значением при каком-то давлении на характеристике насоса и определяет объемные потери.

В общем случае давление, создаваемое объемным насосом. определяемое сопротивлением в нагнетаемой магистрали, может достигнуть большой величины. Для защиты насоса и элементов гидросистемы от разрушения в нагнетательной магистрали устанавливают предохранительный или переливной клапан.

Клапан – это устройство, предназначенное для управления потоком жидкости, причем, размеры рабочего окна изменяются под воздействием проходящего через него потока.

Насосные станции имеют в своем составе предохранительные или переливные клапаны, которые в простейшем случае могут выполняться по одной и той же схеме. Схемы предохранительного клапана представлены на рис. 5 и рис.6.

Предохранительный клапан прямого действия (рис. 5) действует следующим образом. При повышении давления в нагнетательной магистрали выше настроенного р_Н, жидкость непосредственно воздействует на шарик диаметром d _Ш и преодолевая сопротивление пружин жесткостью С _К, проходит на слив. Это происходит до тех пор, пока давление в магистрали не станет ниже р_Н. Предварительное настроечное давление р_Н устанавливается предварительным сжатием пружины.

Необходимо отметить, что при резком повышении давления в магистрали, а следовательно, пропускании большого расхода жидкости под шариком в сливную магистраль нужно дополнительное давление Dр для увеличения зазора d через который проходит расход жидкости Q_сл на слив. Что является недостатком клапанов прямого действия, несмотря на их простое конструктивное исполнение.

Предохранительные клапаны непрямого действия рис. 6 значительно уменьшают указанный выше недостаток клапанов прямого действия. Если давление в магистрали меньше давления настройки р_Н, то поршень прижимается к седлу пружиной малой жесткости С _К. При этом подпоршневая и надпоршневая полости соединены между собой каналом малого диаметра d _пл. А надпоршневая полость разделяется клапаном прямого действия со сливом. При превышении в магистрали давления настроенного р_Н жидкость в надпоршневой полости преодолевая сопротивление пружины С _Ш, проходит на слив. Причем расход через шариковый клапан на слив значительно больше расхода через канал d _пл соединяющий надпоршневую и подпоршневую полости клапана. Так как давление в надпоршневой полости резко уменьшается, то поршень поднимается и пропускает излишки расхода Q_сл на слив чрез зазор d, образованный между поршнем и седлом клапана.

Давление настройки устанавливается предварительным поджатием шарика пружиной жесткостью С _Ш.

Статическая характеристика клапанов, иначе зависимость расхода от давления выражается следующим соотношением:

, (8)

где r - плотность жидкости;

F₀ – площадь рабочего окна, образованного зазором d;

x - коэффициент гидравлических потерь.

Графически характеристика клапана показана на рис. 7. Пунктирная линия соответствует идеальной характеристике клапана, штрихпунктирная линия – клапану непрямого действия, а сплошная – клапану прямого действия. На примере характеристики клапана прямого действия показана интенсивность изменения настроечного давления р_Н0 при изменении расхода через клапан на слив до Q₀. Эта интенсивность изменения давления оценивается «статизмом» клапана Т и определяется следующей зависимостью

. (9)

На рис. 7 видно, что «статизм» клапана непрямого действия значительно меньше «статизма» клапана прямого действия.

Совестная работа насоса и клапана определяет статическую характеристику насосной станции (источника питания) рис. 8.

Идеальная характеристика представляет собой прямоугольник, ограниченный осями Q – р и пунктирной линией. Реальная характеристика показана сплошной линией.

Характеристика насосной станции определяет два режима работы насосной станции, условный режим постоянного расхода (ПР) с точкой М₁ и постоянного давления (ПД) с точкой М₂.

Гидроприводы промышленных роботов и технологического оборудования обычно работают в режиме ПД. Тогда точка М₂ характеристики ПД делит весь расход насосов на три части: DQ – утечки в насосе, Q₂ – расход, сбрасываемый на слив через клапан (не совершает полезной работы) и Q₁ – расход, поступающий в гидравлическую схему объекта и определяющий его скорость, а также потребляемую мощность N_m.

Потребляемая мощность в режиме ПД определяется площадью прямоугольника ОQ_iM₂P_m и выражается зависимостью

(10)

или при работе в режиме ПР

(11)

Полная мощность N_Н потока жидкости от насосной станции равна

Техническая характеристика, габаритные и присоединительные размеры насосных установок приводятся в каталогах-справочниках по гидравлическому оборудованию.

2. ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с методикой определения статической характеристики насосной станции.

2. Получить экспериментально статическую характеристику насосной станции, при нескольких, заданных преподавателем значениях настройки давления на клапане Р.

3. Определить объемны потери h₀, «статизм» Т исследуемого клапана и необходимую мощность приведенного электродвигателя при различных давлениях настройки.

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка, схема которой приведена на рис. 9, состоит из основных частей: насоса 1, гидромотора 2, дросселей 3,4,5,9, манометров 6,7,8, обратного клапана 10, фильтра 11 и предохранительного клапана 12.

На представленной выше лабораторной установке выполняется ряд лабораторных работ по изучению характеристик гидравлического привода. Питание стенда осуществляется насосной станцией Г48-22Н, имеющей одинарный пластинчатый насос. Гидравлической жидкостью является масло И-30.

При выполнении настоящей лабораторной установки необходимо включить насосную установку, а остальные оставить невключенными. При этом параллельно изучаемому клапану К и последовательно к насосу подключается дроссель, который служит для регулирования давления перед клапаном К и проходящего расхода жидкости.

Рис. 9 Схема лабораторной установки.

4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Перед включением насосной станции осмотреть и максимально ослабить затяжку пружины клапана 12, при этом дросселя 4 и 5 должны быть закрыты.

2. Клапаном 12 установить давление по манометру М₆ (2,0 …2,5) МПа – (20 …25) кг/см².

3. Медленно приоткрывая дроссель 5 фиксировать давление по манометру М₈ и манометрам М₆ и М₇.

Расход жидкости Q через дроссель 5 определяется дроссельным расходомером, который представляет сбой нерегулируемый дроссель 9 с манометрами М₆ и М₇. По перепаду давлений на манометрах (М₃ – М₂) установленных на входе и выходе дросселя 9 определяется расход жидкости. Для удобства пользования расходомером приведен график зависимости Q от ΔP рис. 10.

Из рассмотренных выше положений следует, что первоначальное давление снижается (показания манометра М₈) скачкообразно. В данном случае, характеристика клапана. Поэтому изменение давления по манометру М₈ должно быть малым. Далее снимается характеристика насоса и диапазон изменения давления гораздо шире.

4.Посе снятия характеристик при давлении р, дроссель 5 закрывается, и клапаном 12 устанавливается давление по манометру на 2 МПа больше, и снова снимается характеристика насосной станции (повторяются пункты 2 и 3) и так до давления на манометре М₈ до 3 МПа.

Для удобства результаты экспериментов и расчета заносятся в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	РКЛ(М1), мПа	М6, мПа	М7, мПа	Q, м^3/с	Примечание
1.	РКЛ1				h01 Т1 N1
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
1.	РКЛ2				h02 Т2 N2
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.

По результатам эксперимента построить график Q(P), подобный показанному на рис. 8.

5. ПРИНАДЛЕЖНОСТИ К РАБОТЕ

1. Лабораторный стенд.

2. Ключ для установки давления.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. В чём заключается отличие реальной характеристики насоса от идеальной?

2. Какие параметры влияют на КПД насосной станции?

3. Что такое «статизм» клапана?

4. Какие режимы работы насосной станции Вы знаете?

5. С какой целью устанавливаются клапаны в насосной станции?

7. ЛИТЕРАТУРА

1. Гидравлическое оборудование (Гидроаппаратура). Раздел 6. Каталог – ВНИИМАШ. М., 1983.

2. Абрамов Е. И., Колесниченко К. А., Маслов В. Г. Элементы гидропривода. Киев: Техника. 1969. – 320 с.

3. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро-и пневмосистем. М.: Машиностроение, 1976. – 424 с.

4. Свешников В. К., Усов А.А. Станочные гидроприводы. М.: Машиностроение, 1982. – 474 с.

Дата добавления: 2015-07-20