Динамический анализ аксиально-поршневых гидромашин

17. Динамический анализ аксиально-поршневых гидромашин

17.1. Динамика поршня

Ввиду громоздкости точных аналитических зависимостей, описывающих кинематику и динамику аксиально-поршневых гидромашин, в инженерной практике пользуются приближенными зависимостями. Если пренебречь конечной длиной штока, относительные скорость  и ускорение а поршня гидромашины с наклонным блоком, определяются по офрмулам:

, .

Осевая сила инерции поршня массой m и центробежная сила:

, .

Для насоса с наклонным блоком здесь необходимо учитывать массу не только поршня и шатуна, приведенные к поршневой головке.

а)                                                                 б)

Рис. 4.16. – Схема действия на насос динамического момента (а) и силы действующие на поршень машины (б)

При работе машины возможны местные перегревы движущихся деталей, в результате которых уменьшается вязкость жидкости и становится тоньше масляная пленка на поверхностях трения гидромашины, что может вывести ее из строя. Этому способствуют значительные динамические нагрузки при высоких скоростях движения. Например, в насосах с наклонным блоком цилиндров, поршни разгружены в радиальном направлении от сил давления жидкости. Но при увеличении частоты вращении шатуны (или плунжеры) прижимаются по действием центробежносилы и боковой составляющей силы давления к наружным стенкам цилиндров, нарушается устойчивость блока цилиндров из-за возникновения опрокидывающего динамического момента (рис.4.16, а).

Динамический момент возникает от действия центробежных сил F_ц массы m поршней. При некоторой величине частоты вращения осевое усилие пружины цилиндров блока не будет обеспечивать надежное прижатие его к распределителю и может произойти опрокидывание блока. Для уменьшения центробежной силы поршни выполняют полыми, но при этом увеличивается вредное пространство насоса на величину пустот в поршнях.

17.2. Воздействие поршня на стенку цилиндра

Сила, передающаяся от поршня на цилиндр, зависит от давления жидкости и угла наклона шатуна к оси цилиндра. При работе насоса угол наклона шатуна к оси цилиндра периодически изменяется.

Следствием вращения пары поршень – цилиндр вокруг оси блока являются наличие центробежной силы и эффект центрифугирования жидкости в цилиндрах, приводящий к осаждению загрязняющих частиц на поверхности цилиндра, удаленной от оси вращения.

Осевое усилие давления жидкости на поршень развивает крутящий момент, передаваемый тем или иным способом на центральный вал машины.

Усилие , развиваемое давлением р на поршень площадью f, может быть разложено на составляющие:

— силу, перпендикулярную плоскости диска:

;

— тангенциальную (радиальную) силу          .

Тангенциальная сила определяет мгновенный момент одного поршня, определяемый по формуле:

, где     – плечо приложения силы, величина переменная, зависит от текущего угла поворота ротора по синусоидальному закону;

 – угол поворота вала от нейтрального положения.

Т.к. величина плеча приложения силы изменяется в зависимости от угла поворота вала , то и мгновенный крутящий момент одного поршня изменяется по синусоидальному закону:

.

Тангенциальная составляющая Т давления жидкости вызывает перекос поршня в цилиндре, в результате повышается трение и контактное напряжение, которые могут привести к смятию материала поршня и цилиндра.

Для разгрузки поршней от действия тангенциальной силы и улучшения условий работы опорной торцовой поверхности, цилиндровый блок часто выполняют из двух частей (рис. 4.17, а): левая часть 2 является втулкой, в которой помещаются толкатели 1, связывающие рабочие поршни 3 с наклонной шайбой; правая часть 4 - цилиндровый блок, в котором размещены рабочие поршни 3.

Рис. 4.17. – Схема разгрузки поршня гидромашины (а) и конструкции машин с разгруженными поршнями (б и в)

Благодаря сферическим поверхностям толкателей 1 (рис. 4.17, б) и надежному направлению их в отверстиях втулки 2, на цилиндры блока и поршни не действуют боковые силы.

Момент, создаваемый силой Т (рис. 4.17, а) передается через толкатель 1 на втулку 2 и далее на подшипники 6 вала. Связь втулки 2 и блока цилиндров 4 осуществляется с помощью штифта 5, через который блоку передается момент, достаточный для преодоления сил трения между его торцевой поверхностью и распределительным диском.