Дипломная (вкр): Разработка конструкции и технологии изготовления регулируемого поршневого насоса для привода металлорежущих станков

Разработка конструкции и технологии изготовления регулируемого поршневого насоса для привода металлорежущих станков

Введение

Из существующих видов силовых систем машин и механического оборудования наибольшее распространение получили электрические и объемные гидравлические системы, причем в силовых устройствах используют в основном гидравлические системы. Гидравлические приводы получили широкое применение в самых различных отраслях машиностроения: в металлорежущих станках, в станках для холодной прокатки труб, рольгангах, тяжелом горном оборудовании, в экскаваторах, на транспорте. Широкое применение гидравлических приводов обусловлено относительно малыми габаритами и весом, которые приходятся на единицу мощности. Гидравлические приводы просты в изготовлении, обладают высокой надежностью и долговечностью. Преимуществом является простота бесступенчатого регулирования скорости, плавность и устойчивость движения. Учитывая преимущества объемного гидропривода, в настоящее время ведутся разработки новых вариантов объемных гидроприводов.

Одним из направлений исследований является применение сверх выcоких (70 МПа и более) давлений. Преимущество гидравлического привода по сравнению с электрическими как раз заключается в возможности работы при высоких давлениях. Рабочие давления в современном гидроприводе достигают 20 - 100 МПа, а удельные силы электрических машин не превышают 2 МПа. В данном дипломном работе предлагается новая поршневая гидромашина работающая при давлениях 70 - 100 МПа, которая имеет клапанное раcпределение рабочей жидкости, в которой управление клапанами осуществляется кулачком, который расположен в полости рабочего давления на валике, синхронно вращающимся с валом машины. Темой работы является разработка конструкции и технологии изготовления регулируемого поршневого насоса для привода металлорежущих станков.

1.Литературный обзор способов регулирования скорости и конструкций насосов для гидроприводов главного движения металлорежущих станков

Объемные гидромашины обычно выполняются многокамерными и рассчитываются с целью снижения габаритов и массы гидросистемы, для работы под высокими давлениями (до 70 МПа и выше).

При выборе скорости вращения насоса учитывают ряд факторов. При малой скорости повышается надежность и срок службы насоса, однако при этом увеличиваются его габариты и уменьшается объемный к. п. д. При увеличении скорости уменьшаются габариты, однако при этом снижается его долговечность вследствие интенсивного износа деталей, а также повышаются гидравлические потери в каналах машины. Тенденция повышения частоты вращения гидравлических машин и давлений рабочей жидкости противоречит требованиям повышения надежности и ресурса этих машин.

В данной дипломной работе основной задачей является разработка конструкции и технологии изготовления регулируемого радикально - поршневого насоса, управляемого по давлению для привода главного движения металлорежущего станка.

Необходимость разработки конструкции данного вида насоса обусловлена применением сверхвысоких (70 МПа и более) давлений, что является одним из направлений в современной технике. Преимущество гидравлического привода по сравнению с электрическими машинами как раз и заключается в возможности работы при высоких давлениях. Рабочие давления в современном гидроприводе достигают 20 - 100 МПа, а удельные силы электрических машин не превышают 2 МПа. Как следствие, гидропривод обладает большой мощностью, имеет меньшие габариты, большее быстродействие.

Установлено, что применение сверхвысоких давлений в гидравлическом приводе главного движения станков расширяет диапазон регулирования скорости вращения при постоянной мощности, сократить габаритные размеры и массу.

Объемный насос гидравлического привода служит для преобразования механической энергии, прилагаемой к приводному валу (входному звену) в энергию жидкости потока. У насоса входным параметром является скорость вала и выходным - расход жидкости.

Для бесступенчатого регулирования скорости вращения вала гидромотора в объемном гидроприводе используется два способа: дроссельное регулирование; объемное регулирование.

Дроссельный способ регулирования скорости гидроприводов базирован на том, что часть жидкости, подаваемой насосом, отводится в сливную гидролиниию и не совершает в дальнейшем полезной работы. Скорость вращения гидромотора регулируется дроссельными устройствами, исключенными на входе или выходе рабочей жидкости из гидромотора, а так же в ответвление от нагнетательной линии. Дроссельное регулирование отличается простотой, но имеет ряд недостатков. Основным недостатком гидроприводов с нерегулируемым насосом и дроссельным регулированием скорости является низкий к. п. д., обусловленный самим принципом дроссельного регулирования [2]. Этот недостаток ограничивает область применения дроссельного регулирования приводами малой мощности.

В гидроприводах большой мощности, важную роль в которых играют энергетические показатели, применяют объемный способ регулирования скорости. К.П.Д. гидроприводов с объемным регулированием определен соотношением:

,

где    - к.п.д. насоса;

 - к.п.д. гидродвигателя;

 - к.п.д. гидролинии, который достигает 0,65…0,75, оказывается существенно выше, чем в гидроприводах с дроссельным регулированием. Нагрев рабочей жидкости в гидравлических приводах с объемным регулированием гораздо меньше, чем в гидроприводах при дроссельном регулировании, благодаря отсутствию дросселирования потока.

Обеспечивается более плавное реверсирование и торможение гидродвигателя при таком способе регулирования, чем при распределении потока с помощью гидрораспределителей. При объемном способе регулирования диапазон регулирования скорости значительно выше, чем при дроссельном регулировании.

Благодаря приведенным преимуществам гидравлические приводы с объемным регулированием применяются в качестве приводов средней и большей мощности. Привод главного движения станка относится к приводам средней мощности, следовательно, для него наиболее применим способ объемного регулировании скорости вращения вала гидромотора.

Объемное регулирование скорости осуществляется изменением рабочего объема насоса, гидродвигателя или насоса и гидродвигателя.

В зависимости от циркуляции рабочей жидкости гидравлические схемы подразделяются на разомкнутые и замкнутые. Достоинства гидропривода с замкнутым потоком:

·        Уменьшен объем рабочей жидкости, так как потребность в ней определяется рабочими объемами гидромоторов, а размеры бака определяются исходя из подачи насоса системы подпитки, которая компенсирует объемные потери насоса и гидромотора.

·        Избыточное давление на входе в наcоc обеспечивает его работу при наибольшей частоте вращения, что позволяет применять насос меньшего рабочего объема (т.е. меньших типоразмеров, массы и стоимости).

·        Отсутствие контакта рабочей жидкости с окружающей средой позволит исключить загрязнение гидросистемы, увеличить ресурс гидропривода и периодичность замены рабочей жидкости.

На рисунке 1.1 представлены три схемы объемного регулирования скорости.

На рисунке 1.1 а представлена принципиальная схема гидропривода вращательного движения с зaмкнутoй циркуляцией/ жидкoсти, в котором регулирование скорости вращения вала гидромотора 1 осуществляется за счет изменения подачи насоса 2.

Такое регулирование называется регулированием с постоянным крутящим моментом, т.к. имеется в виду, что давление в гидропередаче постоянно. Диапазон регулирования с постоянным крутящим моментом зависит от минимального устойчивого значения скорости вращения вала гидромотора.

На рисунке 1.1 б представлена принципиальная схема гидропривода, в котором регулирование скорости вращения вала гидромотора осуществляется за счет изменения рабочего объема самого гидромотора.

Такое регулирование условно называется регулированием с постоянной мощностью, т.к. уменьшение рабочего объема гидромотора увеличивает скорость входного звена гидромотора и соответственно уменьшает крутящий момент развиваемый на выходном звене. Принципиальная схема гидропривода с регулируемым насосом и гидромотором приведена на рисунке 1.1 в. Наиболее предпочтительной является схема на рисунке 1.1 а с регулированием скорости с помощью изменения рабочего объема насоса. Достоинством данного способа регулирования является удобство регулирования, т.к. местонахождение насоса не оказывает существенного влияния на компоновку станка; низкая стоимость, простота конструкции, малые габаритные размеры и масса нерегулируемого гидромотора, что особенно важно в приводах со встроенным гидродвигаелем.

Но данная схема не позволяет регулировать скорость вращения вала гидромотора при постоянной мощности, не обеспечивает необходимый силовой диапазон.

Рисунок 1.1. Принципиальные схемы гидропривода

В этом случае получение силового диапазона достигается за счет ограничения нагрузки гидропередачи, т.е. недогрузки гидропередачи.

В зависимости от вида распределения рабочей жидкости насосы подразделяются на насосы с бесклапанным распределением и клапанным распределением.

По расположению цилиндров такие машины подразделятся на роторные радиально-поршневые с радиальным, относительно оси вращения ротора, расположением цилиндров и на роторные аксиально-поршневые с аксиальным, относительно оси вращения цилиндрического блока, расположением цилиндров.

Роторной гидромашиной называют машину, у которой подвижные элементы, образующие рабочую камеру, совершают вращательное движение.

Роторные насосы с цапфовым распределение обычно применяют до давлений 25 МПа, при более высоких давлениях применяют нероторные радиально-поршневые насосы с распределением с помощью свободно-посаженных клапанов; насосы выпускаются для работы на давления до 100 МПА и выше. Клапанное распределение применяется преимущественно в поршневых насосах с кулачковым (эксцентриковым) приводным механизмом поршней [3]. Cхема элемента такого насоса представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Схема эксцентрикового насоса с клапанным распределителем

Насос заполняется жидкостью через всасывающий клапан 1, а процесс вытеснения из цилиндра (нагнетание) - через нагнетательный клапан 2. Привод поршня осуществляется эксцентриковым кулачком (диском) 4, поршень 3 к которому прижимается пружиной или иными средствами. Ось О₁ вокруг которой вращается кулачок, смещена относительно его геометрической оси О₂ на величину эксцентриситета е, в соответствии с чем геометрическая ось (центр) О₂ кулачка описывает при его вращении вокруг оси О₁ окружность радиусом, равным эксцентриситетом е. Поршень 3 при этом совершает в цилиндре возвратно - поступательные движения на величину пути 2е. При вращении эксцентричного кулачка 4 вокруг оси О₁ приводного вала, жестко с которым соединен кулачок, геометрическая ось (центр) О₂ кулачка будет описывать окружность радиусом r = e вокруг оси вала О₁. При этом поршень 3 насоса, прижимаемый к эксцентрику пружиной 6 (или иными средствами), будет перемещаться возвратно-поступательно в цилиндре, совершая за один оборот два хода, каждый их них равен h = 2e. При движении поршня 3 влево (соответствует для данного направления вращения верхней половине эксцентрика) объем цилиндровой камеры уменьшается и жидкость, которая заполняет ее, вытесняется через клапан 2 в нагнетательную полость. При обратном движении поршня (соответствует нижней половине окружности эксцентрика) объем цилиндровой камеры будет увеличиваться и жидкость, преодолев усилие пружины 5 и открыв всасывающий клапан 1, будет поступать в камеру насоса.

С целью устранения недостатков простого клапанного распределения, а именно невозможность работы в двигательном режиме, в мощных гидравлических машинах применяют клапанное распределение, приводимое в движение принудительно. Подробное распределение в гидромоторе, осуществляемое при помощи тарельчатых клапанов, приводимых в движении механически, представлено на рисунке 1.3. Рабочий поршень 3 и клапаны 2 и 4 приводятся в движении общим эксцентриковым валом 1 с соответственно смещенными кулачками. Схема представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 Эксцентриковый насос принудительным клапанным распределением жидкости

С целью снижения напряжения по месту контакта поршня и эксцентрика применяют, в частности при высоких давлениях (350 МПа и выше), гидромашины с полыми поршнями, называемыми часто гидромашинами с жидкостными поршнями.

Недостатком известных поршневых гидравлических машин является наличие дополнительных подвижных герметичных соединений, что снижает их гидравлические и механические характеристики. С целью повышения герметичности полости высокого давления на базе ВоГУ была создана новая поршневая машина с повышенной герметичностью полости высокого давления. За счет чего повышается механические и гидравлические характеристики поршневых машин, работающих в насосном и двигательном режимах. Схема представлена на рисунке 1.4. Работа насоса осуществляется следующим образом. При вращении эксцентрикового вала 4 обойма 1 совершает сканирующее движении, заставляя совершать качательные движения рычага вокруг точки контакта последних с роликами. Благодаря этому поршни 5 совершают возвратно-поступательное движение.

Рисунок 1.4 Сдвоенный радиально-плунжерный насос

При обратном движении поршней, осуществляемыми пружинами 2, происходит всасывание масла через всасывающие клапаны 6 из общей сливной полости.

Основной особенностью конструкции насоса является возможность регулирования геометрической подачи двух независимых друг от друга потоков в широком диапазоне. Применение подвижных опор рычагов в виде двух роликов позволит уменьшить мощность, затрачиваемую на регулирование за счет устранения трения скольжения.

Данный механизм позволяет повысить объемный к.п.д. машины, предельные значения давления и скорости, снизить вес, приходящийся на единицу мощности момента. Однако недостатком этого механизма является сложность в изготовлении и сборке.

С целью упрощения изготовления и сборки была разработана конструкция насоса, которая предусматривает расчленение его на отдельные конструктивно-технологические сборочные единицы. В предлагаемом насосе по сравнению с существующим упрощена конструкция механизма привода поршней. Это, а также выполнение основных узлов в виде отдельных конструктивно-технологических сборочных единиц позволяет упростить и снизить трудоемкость изготовления и сборки насоса.