Цель работы: Изучение основных теоретических положений по исследованию характеристик объемных насосов, ознакомление со стендом для испытания гидросистем и снятие на нём характеристик шестерённого насоса.
Краткие теоретические сведения.
В объемных насосах подача жидкости осуществляется вследствие ее вытеснения из рабочей камеры, объем которой изменяется. Рабочая камера попеременно соединяется с зонами всасывания и нагнетания.
Рисунок 1. 1.Устройство шестерённого насоса с внешним зацеплением зубьев.
Рабочая камера шестеренного насоса - впадина между двумя соседними зубьями. Количество рабочих камер равно общему количеству зубьев двух шестерен.
При вращении ведущей шестерни, закрепленной на валу насоса и зацепляющейся с ней ведомой шестерни, свободно вращающейся на оси в направлениях, показанных стрелками, впадины между зубьями (рабочие камеры) заполняются жидкостью в зоне, связанной со входом насоса. Далее рабочие камеры, по мере вращения шестерен, переносятся вдоль внутренней поверхности корпуса насоса в зону, связанную с выходом насоса. В эту зону жидкость вытесняется входящим во впадину зубом сопряженной шестерни.
При изготовлении насосов, эксплуатации, ремонте и т.п. необходимо снимать их технические характеристики. При этом определяют характеристики насосов, т.е. графическую зависимость производительности Q; полезной мощности Nп; мощности на валу Nвн; полного к.п.д. η; объемного к.п.д. η0 от давления в нагнетательной линии.
Рисунок 1.2. Примерный вид зависимостей производительности Q (расхода), мощности Nи кпд ηшестерённого насоса от давления Р.
Из рисунка 1.2 следует, что действительная подача ( производительность) насоса (т.е. объём, подаваемый в ед. времени в нагнетательную линию) и давление связаны на начальном участке линейной зависимостью. Уменьшение подачи приодит к увеличению давления .
.
Рисунок 1.3. Графическая зависимость подачи от давления насоса
Идеальная (теоретическая) подача насосаQид от давления не зависит и определяется из соотношения:
Qид = V0 • n(1-1).
Здесь V0-рабочий объём насоса (м3), n–число оборотов в ед. времени (за сек).
На графике Р- Qеё можно изобразить прямой линией 1.
Такая подача существует при нулевом давлении на выходе насоса (точяка А). Из рисунка 1-3 следует, что при отсутствии объёмных потерь давление, создаваемое насосом, не оказывает влияния на величину подачи Qид. Но в насосах существуют утечки жидкости и действительная подача меньше теоретической на величину утечек.
Q = Qид -Qу (1-2)
Величина утечекQу зависит от давления насоса (разность давлений на выходе и входе насоса).
Так как по определению объёмный кпд насоса η0 = Q/ Qид,то его значения можно найти , измеряя действительную подачу, число оборотов вала насоса и рассчитывая теоретическую подачу (ф-ла 1-1):
η0 = Q/ Qид =Qид/V0 • n (1-3)
При движение жидкости через рабочую камеры часть механической энергии привода насоса преобразуется в кинетическую энергию и потенциальную энергию давления (создаётся напор).
Напор насоса (удельная энергия, полученная жидкостью при прохождении через рабочую камеру) и давление связаны соотношением Р = ρgH. При нулевой подаче давление будет максимальным.
Если известно давление Рм , для которого найден объёмный кпд, можно найти точку на диаграмме, соответствующую этому давлению и подаче, и провести через неё линию АВ (линия 2).
При такой характеристике подача незначительно зависит от давления.
В реальных гидросистемах существуют потери напора, как местные, так и линейные, и на их преодоление затрачивается энергия, Чем больше потери, тем большее давление развивает насос на выходе. Создаваемое насосом давление может расти практически неограниченно, до разрушения насоса или трубопровода. Поэтому на практике в нагнетательную линию насоса ставят клапаны давления (напорные, редукционные и др.) Клапан настраивают на определённое давление, при достижении которого часть жидкости будет уходить в бак, снижая давление в системе.
Изменение подачи жидкости в гидролинию можно осуществить и с помощью специальных регуляторов расхода.
При срабатывании клапана давления часть жидкости уходит через него в бак и характеристика как бы «переламывается» в точке С. Линия CD в этом случае уже изображает зависимость подачи насосной установки от давления. Из неё следует, что подачу можно существенно изменить при небольшом изменении давления. При давлении Рм (полное открытие клапана) подача жидкости в нагнетательную линию полностью прекращается (Q = 0).
Регулятор расхода изменяет подачу, но в отличие от первого случая, вся жидкость поступает в систему. Этот способ изменения подачи более экономичен, но требует применения регулируемых насосов, которые более сложны в изготовлении, а следовательно и дороже.
В данной работе экспериментально определяются:
действительная подача нерегулируемого шестерённого насоса с помощью расходомера и электронного счётчика;
число оборотов вала насоса;
давление на входе и выходе насоса;
мощность, потребляемая из сети.
Это позволяет рассчитать идеальную подачу, действительную подачу (измерения проводятся для нескольких значений подачи) и построить зависимость подачи от давления графически (линия 1 и линия 2).
Полезная мощность (мощность, сообщаемая насосом жидкости) определяется соотношением: Nп= ∆Р•Q 10 -3 квт (1-4)
где ∆Р – разность давлений на входе и выходе насоса (Мпа). В случае использования вакуумметра на входе, разность давлений заменяется на сумму.
Q=V/τ(1-5) Производительность (подача) насоса находится с помощью расходомера (измеряет объём) и электронного счётчика (размерность м3/с или л/мин). Потребляемая мощность на валу насосаN находится по формуле:
N = M ω (1-6) Здесь М-крутящий момент на валу насоса, ω – угловая скорость вращения (ω = 2πn, где n–число оборотов за единицу времени).
К сожалению, действительный крутящий момент на валу насоса в данной работе найти нельзя.
Но идеальный крутящий момент насоса можно найти из соотношения:
Мид = Nт/ ω = Р •V0/2π
Здесь Nт =∆Р•Qид•n (1-7) – теоретическая потребляемая мощность на валу насоса.
Рабочий объём рассматриваемого насоса V0= 10 см3 и он остаётся постоянным у не регулируемых насосов.
Число оборотов, определяемое по тахометру в данной работе, надо делить на 2.
Следует учесть, что реальный крутящий момент М на валу насоса, учитывающий механические потери мощности в насосе, несколько больше идеального, поэтому по формуле (1-7) получаются меньшие значения полной мощности насоса.
Полный к.п.д. насоса, который учитывает все потери, определяется формулой:
η = Nп / N = η0 ηг ηм (1-8)
Объемный к.п.д.( учитывает потери мощности в насосе из-за утечек жидкости Qучерез зазоры) находится по зависимости (см. ф-лу 1-3):
η0 = Q/ Q ид = Q/ (Q + Qу )
Гидравлический кпд:
ηг = Н/(Н + h) (1-9)
где h– потери напора в насосе, учитывает потери мощности в насосе на преодоление линейных и местных потерь. У шестерённых насосов потери малы и ηг =1.
Механический кпд:
ηм = (N – Nм)/ N (1-10)
учитывает механические потери мощности в насосе (в подшипниках, уплотнениях, в механизме насоса и др.)
Характеристики насоса, используемого в работе (НШ10): рабочий объем V0 = 10 см , объемный КПД – 0,92, полный КПД – 0,8.
Полный кпд насосной установки, включающей все элементы (гидродвигатель, гидронасос, гидролинии и гидроаппаратуру-см. рис.1-4) будет значительно ниже, чем у насоса:
ηну = Nп / Nну (1-11) Здесь мощность насосной установки Nну определяется мощностью, потребляемой из сети электродвигателем, по ваттметру (цена деления -25 вт).
Порядок выполнение работы.
На рисунке 2-4 представлена гидравлическая схема экспериментальной установки. Шестерённый насос Н1 приводится в движение электродвигателем М1. Тахометр ТХ1 позволяет определить число оборотов на валу насоса. К входу насоса подключен вакуумметр МВ, к выходу манометр МН1.
Перепускной клапан КП1 предохраняет насос от перегрузок. При давлении, выше критического, клапан открывается , часть жидкости уходит в бак Б1, давление падает и клапан закрывается.
Жидкость (масло) поступает из бака в насос через вентиль В1 (он полностью открыт) и через фильтр (фильтр включает перепускной клапан) Ф подаётся в гидрораспределитель Р1(включено первое положение), проходит через гидрораспределитель Р3 (включено первое положение), затем через гидродроссель ДР1, расходомер РА и сливается в бак.
Гидродроссель должен быть открыт полностью.
Примечание: насосы не должны включаться в гидролинии при закрытых гидрораспределителях и гидродросселях! Они могут выйти из строя.
тахометра (nн1). Тумблер 1 в положении “ВКЛ1.”, тумблер 3 в положении
“ВКЛ.”, тумблер 2 в положении “ВЫКЛ.”, вентиль В1 (установлен снизу на
баке слева) полностью открыт. Внимание! Перед включением установки маховик управления регулируемым дросселем Д1 повернут до упора по часовой стрелке (максимальное проходное сечение дросселя).