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

2.Конструкторская часть

2.1 Разработка конструкции насоса

С целью упрощения изготовления и сборки насоса и снижения ее трудоемкости конструкция насоса предусматривает расчленение его на отдельные конструктивно-технологические сборочные единицы.

Насос состоит из корпуса и следующих сборочных единиц: поршень 1 (10 шт.), клапан всасывающий 2 (10шт.), клапан нагнетательный 3 (10шт.), сепаратор 4 (2 шт.), вал 5 и плунжер управляющий 6 (2 шт.).

Корпус насоса соответственно состоит из двух блоков цилиндров 7, двух внутренних 8 и двух наружных 9 и 21 крышек и оберчайки 10.

В блоках цилиндров имеется десять радиальных отверстий, в которых установлены гильзы 11. Внутри гильз установлены поршни 1,которые через установленные в них на осях подшипники качения и бандажи контактируют с рычагами сепаратора.

На вторых концах рычагов установлены оси, а на них - подшипники качения, которые контактируют с бандажом, установленном на эксцентрично расположенной шейке вала насоса.

Оси вращения рычагов установлены в отверстиях сепаратора с помощью подшипников качения. Прижим поршней с рычагами и рычагов к бандажу осуществляется пружинами 12. Полости всех цилиндров соединяются через нагнетательные клапаны 3 с полостями давления соответствующей секции через всасывающие каналы 2 - с общей линией всасывания.

Клапаны открываются и закрываются с помощью гидравлического управления при соответствующем изменении давления в полостях цилиндров. Вместе с тем, наряду с гидравлическим управлением они имеют и механическое управление от кулачков 13, 14, 15, 16, которые обеспечивают необходимый закон движения клапанов в открытом состоянии. Это позволяет работать машине как в насосном, так и в двигательном режиме, а также устранить стук клапанов.

Кулачки установлены на шейках вала насоса. Работа насоса осуществляется следующим образом: при вращении эксцентрикового вала 5 рычаги совершают качательное движение относительно своих осей, благодаря чему поршни 1 совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах.

При движении поршней вовнутрь цилиндров масло вытесняется через нагнетательные клапаны 3 в одну из двух нагнетательных полостей. При обратном движении поршней осуществляемом пружинами 12, происходит всасывание масла через всасывающие клапаны 2 и общей линией всасывания.

В насосе предусмотрены два сепаратора с пятью рычагами каждый, которые приводят в движение поршни соответствующей секции. Сепараторы могут совершать качательное движение относительно оси вращения вала машины с помощью управляющих плунжеров 6, установленных в расточках наружных крышек 9 и 21, через винты 18, входящие в пазы сепараторов. Сепараторы базируются на внутренней поверхности обечайки 10 с помощью подшипников качения.

Величина хода поршней, и следовательно, производительность насоса зависит от соотношения плеч рычагов, которые регулируются с помощью поворота сепараторов. Угловое положение сепараторов определяется усилием пружин плунжеров и величиной давления в напорных давлениях. Таким образом, осуществляется автоматическое управление насосом по давлению.

Конструкция насоса позволяет устранить трение в приводе поршней и за счет этого повысить КПД насоса. Кроме того, обеспечивается регулирование производительности двух независимых друг от друга потоков жидкости в широком диапазоне. Так как сепараторы контактируют с внутренней цилиндрической поверхностью обечайки 10 через подшипники качения, в процессе регулирования производительности также устраняется сухое трение, что позволяет уменьшить инерционность и повысить быстродействие механизма регулирования.

Применение клапанного распределения, отличающегося герметичностью, позволяет создать высокие давления в напорных линиях. Кроме того оно, а так же автоматическое управление производительностью насоса по давлению позволяет повысить объемный КПД привода.

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.

2.2 Гидравлические расчеты насоса

2.2.1 Расчет геометрических параметров

Исходные данные:

Производительность насоса Q = 1330 см³ / c;

Диаметр поршня d = 30 мм;

Рабочее давление Р = 100 МПа.

, см³/c; (2.1)

см³; (2.2)

где     Q - производительность насоса, см³/c;

d - диаметр поршня, мм;

z - число поршней, z = 10;

h - длина поршня, h = 2е;

примем скорость вращения вала n = 1500 об/мин (25с^-1).

, см³;

, см³.

Из формулы 2.2 следует

 см;

.

2.2.2 Гидравлический расчет клапанов

Должно выполняться условие:

 см/с; (2.2)

где     - максимальная скорость истечения жидкости, см/с;

 - площадь проходного сечении клапана, см²;

 - максимальный расход жидкости через клапан, см³/c;

 - максимально допустимая скорость истечения жидкости, см/с.

По данным работ [3, 4] скорость движения масла в клапанах управления не должно превышать следующих значений:

для нагнетательного клапана

-для всасывающего клапана

Здесь и в дальнейших расчетах параметры с индексом «н» относятся к нагнетательному клапану, а с индексом «вс» - к всасывающему клапану.

Максимальный расход жидкости:

 см³/с, (2.3)

где     - максимальная скорость поршня, см/с;

 - площадь поршня, см²;

где     ω - угловая скорость вращения приводного вала, рад/с;

е - величина эксцентриситета шейки вала, см; е = 0,375 см;

следовательно,

Минимальная площадь проходных сечений клапанов:

Минимальная высота подъема клапанов:

 (2.4)

где     - диаметр клапана, см;

Исходя из конструктивных соображений, принимаем:

следовательно,

Окончательно принимаем h^н = 1,75 мм; h^вс = 2,5 мм.

2.3 Прочностные расчеты насоса

2.3.1 Расчет усилий пружин клапанов

Расход через клапан определяется выражением [5]:

 см³/с; (2.5)

где     - расход, см³/с;

 - коэффициент расхода щели;

 - площадь проходного сечения щели, см²;

 - площадь седла клапана, см²;

 - плотность жидкости, кг/см³;

 - вес клапана, Н;

 - сила начального поджатия пружины, Н.

Тогда

 (2.6)

Для всасывающего клапана:

;

.

(из конструктивных соображений)

Для нагнетательного клапана:

;

;

.

Принимаем

2.3.2 Расчет усилия пружины возврата поршня

При работе поршня в режиме всасывания пружина должна преодолевать силу разрежения жидкости в рабочей клетке и инерционные силы:

 Н; (2.7)

где     - усилие пружины возврата поршня, Н;

 - сила разрежения жидкости в рабочей клетке, Н;

 - сила инерции подвижных частей, Н.

Сила разрежения жидкости в рабочей клетке определяется как

 Н; (2.8)

где     - величина разрежения в рабочей клетке цилиндра, МПа;

 - площадь рабочей поверхности поршня, см².

Учитывая, что давление жидкости в линии всасывания равно атмосферному, величина разрежения жидкости в цилиндре будет численно равна перепаду давления в клапане, которое определяется по формулам [5].

, МПа (2.9)

Подставляя численные значения, находим

;

следовательно,

Площадь рабочей поверхности поршня

Тогда,

Силы инерции подвижных частей:

где     - масса подвижных частей, приведенная к поршню, кг;

 - максимальное ускорение поршня, м/с².

кг; (2.10)

где     - масса поршня, кг;

 - момент инерции рычага относительно оси поворота,

 - угловая скорость рычага, рад/с;

 - скорость поршня, м/с;

 - масса ролика, кг;

 - скорость движения ролика , м/с.

Учитывая, что  где  - длина плеча рычага, контактирующего с поршнем, в м, а также то, что , где  - длина плеча рычага, контактирующего с роликом, в м, получаем:

кг. (2.11)

Момент инерции рычага относительно оси повтора определяется зависимостью:

 (2.12)

где     - масса рычага, кг;;

 - расстояние от центра масс рычага до центра вращения рычага;

 - момент инерции рычага относительно оси CZ, проходящей через центр массы системы и перпендикулярной к плоскости OXY, кг/м²;

 - масса башмака.

При максимальной производительности насоса d = 0, и, следовательно:

Учитывая, что при этом  окончательно находим:

Ускорение поршня определяется зависимостью:

 (2.13)

где     - соотношение плеч рычага.

Ускорение поршня принимает свое максимальное значение при  и :

Тогда

2.4 Разработка гидропривода главного движения токарного станка

В качестве базового принимаем токарно-револьверный станок 1Е340, который предназначен для токарной обработки деталей, из прутка штучных заготовок в условиях мелкосерийного и серийного производства. Класс точности станка - Н.