Аксиально-поршневой насос

Аксиально -поршневой насос — это объемный насос, в котором ряд поршней расположен по кругу внутри блока цилиндров .

Его можно использовать как автономный насос, гидравлический двигатель или компрессор автомобильного кондиционера .

Аксиально-поршневой насос имеет ряд поршней (обычно нечетное число), расположенных по кругу внутри корпуса , который обычно называют блоком цилиндров , ротором или стволом . Этот блок цилиндров приводится во вращение вокруг своей оси симметрии встроенным валом, который более или менее выровнен с насосными поршнями (обычно параллельно , но не обязательно).

• Сопрягаемые поверхности . Один конец блока цилиндров выпуклый и трется о сопрягаемую поверхность на неподвижной клапанной пластине . Входная и выходная жидкость насоса проходят через различные части скользящего интерфейса между блоком цилиндров и клапанной пластиной. Клапанная пластина имеет два полукруглых отверстия, которые обеспечивают впуск рабочей жидкости и выпуск выходной жидкости соответственно.
• Выступающие поршни . Насосные поршни выступают из противоположного конца блока цилиндров. Существует множество конфигураций, используемых для открытых концов поршней, но во всех случаях они упираются в кулачок. В агрегатах с переменным рабочим объемом кулачок подвижен и обычно называется наклонной шайбой , хомутом или подвеской . Для концептуальных целей кулачок можно представить в виде плоскости, ориентация которой в сочетании с вращением вала обеспечивает действие кулачка, которое приводит к возвратно-поступательному движению поршня и, таким образом, к перекачке. Угол между вектором, нормальным к плоскости кулачка, и осью вращения блока цилиндров, называемый углом кулачка , является одной из переменных, которая определяет рабочий объем насоса или количество жидкости, перекачиваемой за один оборот вала. Агрегаты с переменным рабочим объемом имеют возможность изменять угол кулачка во время работы, тогда как агрегаты с постоянным рабочим объемом не имеют такой возможности.
• Возвратно-поступательные поршни . Когда блок цилиндров вращается, открытые концы поршней вынуждены следовать поверхности плоскости кулачка. Поскольку плоскость кулачка находится под углом к ​​оси вращения, поршни должны совершать возвратно-поступательные движения в осевом направлении, поскольку они прецессируют вокруг оси блока цилиндров. Осевое движение поршней является синусоидальным . Во время восходящей части цикла возвратно-поступательного движения поршня поршень движется к пластине клапана. Кроме того, в это время жидкость, захваченная между заглубленным концом поршня и пластиной клапана, выпускается в выпускное отверстие насоса через одно из полукруглых отверстий пластины клапана - выпускное отверстие. Когда поршень движется к пластине клапана, жидкость выталкивается или вытесняется через выпускное отверстие пластины клапана.
• Эффект прецессии . Когда поршень находится в верхней точке возвратно-поступательного цикла (обычно называемой верхней мертвой точкой или просто ВМТ), соединение между камерой захваченной жидкости и выпускным отверстием насоса закрывается. Вскоре после этого та же камера становится открытой для впускного отверстия насоса. Поскольку поршень продолжает прецессировать вокруг оси блока цилиндров, он отходит от пластины клапана, тем самым увеличивая объем захваченной камеры. Когда это происходит, жидкость поступает в камеру из впускного отверстия насоса, чтобы заполнить пустоту. Этот процесс продолжается до тех пор, пока поршень не достигнет дна возвратно -поступательного цилиндра — обычно называемого нижней мертвой точкой или НМТ. В НМТ соединение между насосной камерой и впускным отверстием закрывается. Вскоре после этого камера снова становится открытой для выпускного отверстия, и цикл накачки начинается заново.
• Переменный рабочий объем . В насосе переменного рабочего объема , если вектор, нормальный к плоскости кулачка (наклонной шайбе), установлен параллельно оси вращения, нет движения поршней в их цилиндрах. Таким образом, нет никакого выхода. Движение наклонной шайбы управляет выходом насоса от нуля до максимума. Существует два вида аксиально-поршневых насосов переменного рабочего объема:
  • Насос прямого вытеснения, разновидность аксиально-поршневого насоса с прямым вытеснительным управлением. Прямое вытеснительное управление использует механический рычаг, прикрепленный к наклонной пластине аксиально-поршневого насоса. Более высокие давления в системе требуют большего усилия для перемещения этого рычага, что делает прямое вытеснительное управление пригодным только для легких или средних насосов. Тяжелые насосы требуют сервоуправления. ^[1] Насос прямого вытеснения содержит тяги и пружины , а в некоторых случаях магниты, а не вал к двигателю , расположенному снаружи насоса (тем самым уменьшая количество движущихся частей ), сохраняя детали защищенными и смазанными и уменьшая сопротивление потоку жидкости.
  • насос с сервоуправлением.
• Давление . В типичном насосе с компенсацией давления угол наклонной шайбы регулируется с помощью клапана, который использует обратную связь по давлению, так что мгновенный выходной поток насоса точно достаточен для поддержания заданного давления. Если поток нагрузки увеличивается, давление на мгновение уменьшится, но клапан компенсации давления почувствует уменьшение и затем увеличит угол наклонной шайбы, чтобы увеличить выходной поток насоса, чтобы восстановить желаемое давление. В действительности большинство систем используют давление в качестве элемента управления для этого типа насоса. Рабочее давление достигает, скажем, 200 бар (20 МПа или 2900 фунтов на кв. дюйм), и наклонная шайба перемещается в сторону нулевого угла (ход поршня почти нулевой) и с присущими утечками в системе позволяет насосу стабилизироваться на объеме подачи, который поддерживает установленное давление. По мере увеличения спроса наклонная шайба перемещается на больший угол, ход поршня увеличивается, а объем жидкости увеличивается; если спрос ослабевает, давление будет расти, и перекачиваемый объем уменьшается по мере роста давления. При максимальном давлении в системе выход снова почти равен нулю. Если потребность в жидкости превышает возможности насоса, давление в системе упадет почти до нуля. Угол наклонной шайбы останется максимально допустимым, а поршни будут работать на полном ходу. Это продолжается до тех пор, пока потребность в потоке системы не ослабнет и производительность насоса не превысит потребность. По мере повышения давления угол наклонной шайбы модулируется, чтобы попытаться не превысить максимальное давление, удовлетворяя потребность в потоке. ^[2]

Конструкторам приходится преодолевать ряд проблем при проектировании аксиально-поршневых насосов. Одна из них — изготовить насос с точными допусками, необходимыми для эффективной работы. Сопрягаемые поверхности между роторным поршневым цилиндром и неподвижным корпусом насоса должны быть практически идеально герметичными, в то время как вращающаяся часть вращается со скоростью около 3000 об/мин . Диаметр поршней обычно составляет менее половины дюйма (13 мм) при одинаковой длине хода. Обеспечение герметичности уплотнения между стенкой и поршнем означает, что зазоры очень малы, а материалы должны быть точно подобраны для одинакового коэффициента расширения .

Поршни должны быть вытянуты наружу в их цилиндре каким-то образом. На небольших насосах это можно сделать с помощью пружины внутри цилиндра, которая заставляет поршень подниматься по цилиндру. Давление входящей жидкости также может быть организовано так, чтобы жидкость толкала поршни вверх по цилиндру. Часто лопастной насос располагается на том же приводном валу, чтобы обеспечить это давление, и это также позволяет насосному узлу вытягивать жидкость против некоторого напора всасывания из резервуара, что не является атрибутом несамостоятельного аксиально-поршневого насоса.

Другой метод втягивания поршней вверх по цилиндру заключается в прикреплении головок цилиндров к поверхности наклонной шайбы. Таким образом, ход поршня становится полностью механическим. Однако проблема конструктора по смазке поверхности наклонной шайбы (скользящий контакт) становится еще более сложной.

Внутренняя смазка насоса достигается за счет использования рабочей жидкости, обычно называемой гидравлической жидкостью . Большинство гидравлических систем имеют максимальную рабочую температуру , ограниченную жидкостью, около 120 °C (250 °F), так что использование этой жидкости в качестве смазки влечет за собой свои проблемы. В этом типе насоса утечка с поверхности между корпусом цилиндра и блоком корпуса используется для охлаждения и смазки внешней части вращающихся частей. Затем утечка снова отводится в резервуар или на впускную сторону насоса. Гидравлическая жидкость , которая была использована, всегда охлаждается и проходит через микрометровые фильтры перед рециркуляцией через насос.

Несмотря на указанные выше проблемы, этот тип насоса может содержать большую часть необходимых элементов управления контуром (управление углом наклонной шайбы) для регулирования расхода и давления, быть очень надежным и обеспечивать простоту и невысокую стоимость остальной части гидравлической системы.

Аксиально-поршневые насосы используются для питания гидравлических систем реактивных самолетов и приводятся в действие посредством зубчатой ​​передачи от главного вала газотурбинного двигателя. Система, используемая на F-14, использовала 9-поршневой насос, который создавал стандартное рабочее давление системы 3000 фунтов на квадратный дюйм и максимальный расход 84 галлона в минуту.

Автомобильные компрессоры кондиционирования воздуха для охлаждения салона в настоящее время в основном основаны на конструкции аксиально-поршневого насоса (другие основаны на спиральном компрессоре или роторно-пластинчатом насосе ), чтобы ограничить их вес и требования к пространству в моторном отсеке автомобиля и уменьшить вибрации. Они доступны в вариантах с фиксированным рабочим объемом и динамически регулируемым переменным рабочим объемом, и, в зависимости от конструкции компрессора, фактическая вращающаяся наклонная шайба либо напрямую приводит в действие набор поршней, сопряженных с ее краями через набор полусферических металлических башмаков, либо нутационную пластину, на которой набор поршней установлен с помощью штоков.

Они также используются в некоторых мойках высокого давления . Например, у Kärcher есть несколько моделей, работающих на аксиально-поршневых насосах с тремя поршнями. ^[3]

Аксиальные возвратно-поступательные двигатели также используются для питания многих машин . Они работают по тому же принципу, что описан выше, за исключением того, что циркулирующая жидкость подается под значительным давлением, а корпус поршня вращается и обеспечивает мощность вала для другой машины. Обычно аксиальный возвратно-поступательный двигатель используется для питания небольших землеройных установок, таких как погрузчики с бортовым поворотом . Другое применение — приведение в действие винтов торпед .

• Первый пример можно найти на странице 213 (или на странице 89 в соответствии с нумерацией страниц книги) в книге «Разнообразная и искусственная машина» Агостино Рамелли .

• www.rotarypower.com, Производитель аксиально-поршневых насосов
• Tecnapol, ремонт/восстановление аксиально-поршневых насосов