Проектирование прямозубого роторного насоса

Принимая во внимание сделанные выше допущения при расчете процесса нагнетания, значение давления в рабочей полости насоса определится как

(и1 и21 Л = Р2 + Р"\ 2" - 2" 1 +

I2" 2-0

+ Р- (АЛ , + Щ ).

Значение величин АЛ, АЛх и АЛин определяется по ранее изложенной методике.

С целью апробации предложенной методики проведем расчет рабочих процессов поршневого насоса, имеющего следующие основные параметры: йп = 0,155м, ЯЬ = 0,09 м, рвс = 0,1 МПа; рн= 1 МПа, рк = 0,1 МПа, 7Л=0,15 м;, поб= З00 об/мин; Ьшах н = Ьшах Вс=0,01;

ьшах вс =0,01 м; йн=0,2; йкл вс=йкл н =0,1 м; Ь=0,0001 м.

Для проведения расчета была разработана программа, реализующая расчет цикла поршневого насоса и определение основных его характеристик (объемного к.п.д., индикаторной мощности и работы, коэффициента неравномерности подачи и т.д.).

Рассчитанная индикаторная диаграмма представлена на рис. 5. Сопоставление представленной индикаторной диаграммы с индикаторными диаграммами, полученными экспериментальным путем другими исследователями, позволило выявить их качественное совпадение.

Библиографический список

1. Орлов, Ю.М. Объемные гидравлические машины. Конструкция, проектирование, расчет / Ю.М. Орлов. — М.: Машиностроение, 2006. — 222 с.

2. Щерба, В.Е. Рабочие процессы компрессоров объемного действия. / В.Е. Щерба. — М.: Наука, 2009. — 319 с.

3. Альтшуль, А.Д. Гидравлика и аэродинамика/А.Д. Альтшуль, Л.Г. Киселев. — М.: Стройиздат, 1975. — 327 с.

4. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник для машиностроительных вузов/Т.М. Башта [и др.] — 2-е изд., пере-раб. — М.: Машиностроение, 1982. —424 с.

ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины». ГРИГОРЬЕВ Александр Валерьевич, ассистент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины». ВИНИЧЕНКО Василий Сергеевич, ассистент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины». УЛЬЯНОВ Дмитрий Александрович, студент гр. ГП - 516, специальность 150802 «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 25.06.2010 г.

© В. Е. Щерба, А. В. Григорьев, В. С. Виниченко, Д. А. Ульянов

УДК 62165 А. В. ГРИГОРЬЕВ

В. Е. ЩЕРБА А. П. БОЛШТЯНСКИЙ

Омский государственный технический университет

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЯМОЗУБОГО РОТОРНОГО НАСОСА

Рассматривается новая конструкция прямозубого насоса объемного действия, состоящего из ротора с прямым зубом, цилиндра и замыкающего диска, вращающегося синхронно с ротором. Приводится методика определения профиля отверстия в замыкающем диске данного насоса. Устанавливается зависимость площади отверстия от угла поворота ротора.

Ключевые слова: гидравлическая машина, машина объемного действия, жидкостный насос.

В настоящее время в технике применяется большое разнообразие насосов объемного действия. Насосы данного типа используются в системах питания ракетных двигателей, смазки ДВС и компрессоров, в металлорежущих станках и т.д. [1]. Эти насосы по виду движения рабочего органа классифицируют на возвратно-поступательные, роторно-поступательные и роторно-вращательные [2]. Конструктивной особенностью последних является наличие лишь вращательного движения деталей рабочего органа. Ввиду этого в насосах данного типа полностью устранено ограничительное влияние на работу инерционных сил узлов насоса (исключая ограничительное влияние инерционных сил жидкости).

Существует несколько основных видов роторновращательных насосов: зубчатые, винтовые, кулачковые, а также насосы с эксцентричным вытеснителем.

Наиболее простыми, надёжными и дешёвыми в изготовлении являются зубчатые насосы, в связи с чем они находят наиболее широкое распространение [3]. Рассматриваемый в данной работе роторный насос с прямым зубом по отношению к другим зубчатым насосам обладает следующими преимуществами: он более прост в изготовлении; обладает большим ресурсом, благодаря тому, что не имеет трущихся поверхностей в рабочей камере; а также при одинаковых с другими типами зубчатых насосов массогабаритных параметрах имеет более высокую производительность [4]. Принципиальная схема данного насоса представлена на рис. 1, 2.

Насос состоит из пластины 1 с цилиндром 2, в котором концентрично размещен основной ротор 3 с выступом 4. Наружная поверхность выступа 4 имеет радиус, равный радиусу цилиндра 2. Основной ротор 3

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

А -А

Рис. 2. Сечение по оси основного ротора

установлен неподвижно на приводном валу 5, например, с помощью шпоночного соединения. Цилиндрическая поверхность основного ротора 3 образует с торцевой поверхностью вспомогательного ротора 6 герметичный бесконтактный стык. Основной и вспомогательный роторы 3 и 6 размещены таким образом, что их оси скрещиваются, и плоскость вращения вспомогательного ротора 6 находится под углом 90о к плоскости вращения основного ротора 3. Торцевая поверхность ротора 6 обращена в сторону цилиндра

2 и расположена относительно оси вращения ротора

3 на расстоянии, равном его радиусу. Ротор 6 имеет впадину 7 для размещения в ней выступа 4 ротора 3 и жестко связан с валом 8. С фронтальной стороны цилиндр 2 снабжен крышкой 9, в которой расположено всасывающее окно 10 и нагнетательный клапан 11. Зубчатое зацепление 13—14 служит для синхронизации вращения приводного вала 5 ротора 3 и вала 8 ротора 7. Все элементы насоса крепятся к корпусу 12.

Насос работает следующим образом. При вращении ротора 3 по часовой стрелке (рис. 1) перед выступом 4 образуется область сжатия-нагнетания, а позади выступа 4 — область расширения-всасывания. В то же время нижняя торцевая поверхность ротора 6 образует герметичный стык с цилиндрической поверхностью основного ротора 3 и отсекает полость расширения-всасывания от полости сжатия-нагнетания. Объем полости сжатия-нагнетания при вращении ротора 3 уменьшается, находящаяся в этой полости жидкость сжимается и вытесняется через нагнетательный клапан 11 потребителю, а позади выступа 4, по мере вращения ротора 3, происходит увеличение полости расширения-всасывания.

Рис. 3а. Профилирование отверстия во вспомогательном роторе ф = 0°: а)вид спереди; б)вид сверху

Рис. 3б. Профилирование отверстия во вспомогательном роторе ф = 20°

Рис. 3в. Профилирование отверстия во вспомогательном роторе ф = 40°

При дальнейшем вращении ротора 3 выступ 4 перекрывает окно нагнетательного клапана 11, и он закрывается в связи с тем, что поступление к нему жидкости под давлением прекращается. Затем выступ 4 входит во впадину 7 вспомогательного ротора 6.

л

Рис. 5. Модель роторного насоса

£

140 ................. і її ..............

11"-1 МП I I II III I 11 I 1111 I II

И 45 90 135 1ЯН 225 270 315 360

Угол поворота ротора /р, град

Рис. 6. Зависимость площади отверстия окруж. зуб от угла поворота: диаметр основного ротора 134 мм, ширина ротора 16 мм, высота зуба 17 мм, расстояние от оси вспомогательного ротора до основного ротора 67 мм

После прохождения выступом 4 впадины 7 этот выступ перекрывает всасывающее окно 10, процесс всасывания при этом на время прекращается, а жидкость перед выступом 4 начинает сжиматься. Далее цикл работы повторяется.

Проблемой создания такого насоса является определение оптимальной формы отверстия во вспомогательном роторе. Площадь этого отверстия (впадины) должна быть минимальной, чтобы при прохождении через него зуба ротора 3 зазоры между зубом 4 и впадиной 7 также были минимальны. Это необходимо для увеличения объемного КПД насоса, благодаря уменьшению перетечек рабочей жидкости между полостями цилиндра.

Для профилирования впадины 7 применяется следующая методика построений (рис. 3а, б, в). На заданных расстояниях друг от друга в двух плоскостях (вид «а» и вид «б») строятся основной и вспомогательный роторы. За начальное положение берется момент времени, когда зуб основного ротора находится в крайнем верхнем положении. На виде «а» определяется минимальное отверстие под выступ основного ротора. Это отверстие проецируется на вид «б». После этого осуществляется поворот основного ротора на

1 градус в сторону вращения основного ротора (по часовой стрелке). Далее так же в направлении движения основного ротора вращается и вспомогательный ротор, причем отверстие, образованное предыдущим положением зуба, поворачивается вместе со вспомогательным ротором на 1 градус. В данном положении строится отверстие под зуб на виде «а» спереди таким же образом, как и в первом положении, и проецируется на вид «б». Далее осуществляются аналогичные построения при вращении роторов с шагом в один градус, пока зуб не выйдет из вспомогательного ротора. На (рис. 3а, б, в) проекции зуба на вид «б» строились через каждые 5 градусов поворота роторов.

Далее оба ротора со всеми построениями возвращают в начальное положение и, пользуясь вышеприведенной методикой, производят построения в направлении против часовой стрелки. В итоге получается необходимый профиль отверстия (рис. 4).

В целях проверки правильности построений был сконструирован макет насоса. Во вспомогательном роторе было выполнено отверстие с профилем, полученным в результате построений и с теми же размерами, которые были использованы при построении. Для

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

того чтобы наблюдать за правильностью определения профиля отверстия, во вспомогательном роторе было выполнено сквозное отверстие, в действительном насосе отверстие будет глухим. Модель макета представлена на рис. 5.

Макет состоит из корпуса 1, цилиндра 2, прикрепленного к корпусу ведущего вала З, на который с помощью шпоночного соединения устанавливается вспомогательный ротор 4, ведомого вала (на рисунке не показан) на который устанавливается основной ротор с прямым зубом. Вращение с ведущего на ведомый вал передается посредством конической зубчатой передачи (на рисунке не показана) с передаточным отношением 1:1. Во вспомогательном роторе 4 было выполнено отверстие необходимой формы, полученной при вышеприведенных построениях. В результате макетирования было установлено, что полученное отверстие оптимально, и при прохождении через него зуба основного ротора минимальны размеры отверстия окружающего зуб.

Ввиду того, что в данном насосе в момент вхождения зуба основного ротора во впадину вспомогательного ротора и на протяжении всего пути зуба в этой впадине имеют место полости, окружающие в данный момент времени зуб, необходимо было получить зависимость изменения площади проходного сечения окружающего зуб, от угла поворота основного ротора S = f(j ).

Зависимость определялась следующим образом: на виде «а» (рис. За) были построены два ротора, таким же образом, как и при профилировании отверстия. На виде «б» был построен вспомогательный ротор с полученным ранее отверстием. Далее по ходу движения ротора были определены проекции зуба основного ротора на виде «б» в зависимости от угла поворота ротора; после чего были посчитаны площади

отверстий вокруг проекции зуба на виде «б» в зависимости от угла поворота ротора и установлена зависимость, график которой представлен на рис. 6.

На графике показано, как меняется площадь сечения, окружающего зуб, в зависимости от угла поворота ротора от 0 до 360°. За начальную точку ф =0, принят момент, в котором зуб основного ротора находится в крайнем верхнем положении.

Библиографический список

1. Орлов, Ю.М. Объемные гидравлические машины. Конструкция, проектирование, расчет / Ю.М. Орлов. — М.: Машиностроение, 2006. — 223 с.

2. Гидравлика, гидромашины, гидропневмопривод: учеб. пособие / Т.В. Артемьева [и др.]. — М.: Академия. — 2008. — 336 с.

3. Башта, Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем: учебник для вузов / Т. М. Башта. — М.: Машиностроение, 1974. — 606 с.

4. Пат. 43925 Российская Федерация. Машина объемного действия. / Щерба В.Е., Болштянский А.П., Суховей М.В. ; заявитель и патентообладатель Омский гос. технич. ун-т. — № 2003105772/ 22 ; заявл. 28.02.2003 ; опубл. 10.02.2005, Бюл. № 4.

ГРИГОРЬЕВ Александр Валерьевич, ассистент кафедры «Г идромеханика и транспортные машины». ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины». БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 20.04.2010 г.

© А. В. Григорьев, В. Е. Щерба, А. П. Болштянский

Книжная полка

621.91/С77

Старков, В. К. Физика и оптимизация резания материалов [Текст] / В. К. Старков.-М.: Машиностроение, 2009.-639 с.: рис., табл.-Библиогр.: с. 630-639.-18В1Ч 978-5-94275-4600.

По результатам дислокационного анализа на субструктурном уровне предложена новая физическая трактовка процесса резания материалов как их управляемого разрушения с предшествующей пластической деформацией. С единых физических позиций рассмотрены основные вопросы теории резания: реакция обрабатываемого и инструментального материалов, формирование свойств поверхностного слоя детали, обрабатываемость резанием, методы интенсификации, а также детерминированной и стохастической оптимизации. Содержится много примеров практической реализации теоретических положений и разработанных методик оптимизации обработки резанием деталей из труднообрабатываемых материалов.

621/Т35

Термореактивные полимерные композиты в машиностроении [Текст]: монография / А. Н. Бобрышев [и др.]; под ред. А. Н. Бобрышева. — Старый Оскол: ТНТ, 2008.— 149 с.: рис., табл. — (Тонкие наукоемкие технологии). — Библиогр.: с. 145-149. - 1ЯВЫ 978-5-94178-170-6 .

В монографии рассматривается комплекс исследований полимерных и металлических композитов, включающий различные методы анализа состава и структуры, методы испытаний технологических свойств и контроля процессов переработки композитов в изделия. Анализируются демпфирующие физико-механические свойства полимерных композитов с позиции новой научной дисциплины — синергетики.

Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся изучением и разработкой композитных материалов, аспирантов и студентов вузов машиностроительных и строительных специальностей.