76.1 Объемный гидропривод. Основные понятия и определения.

Объемным
гидроприводом называется совокупность
объемных гидромашин, гидроаппаратуры,
гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных
устройств, предназначенная для передачи
энергии и преобразования движения
посредством жидкости. К числу гидромашин
относятся насосы и гидродвигатели,
которых может быть несколько.
Гидроаппаратура — это устройства
управления гидроприводом, при помощи
которых он регулируется, а также средства
защиты его от чрезмерно высоких п низких
давлений жидкости. К гидроаппаратуре
относятся дроссели, клапаны разного
назначения и гидрораспределители —
устройства для изменения направления
потока жидкости. Вспомогательными
устройствами служат так называемые
кондиционеры рабочей жидкости,
обеспечивающие её качество и состояние.
Это различные отделители твердых частиц,
в том числе фильтры, теплообменники
(нагреватели и охладители жидкости),
гидробаки, а также гидроаккумуляторы.
Перечисленные элементы связаны между
собой гидролиниями, по которым движется
рабочая жидкость. Принцип действия
объемного гидропривода основан на малой
сжимаемости капельных жидкостей и
передаче давления в них по закону
Паскаля. Рассмотрим простейший гидропривод
(рис.). Два цилиндра 1
и
2
заполнены жидкостью и
соединены
между собой трубопроводом. Поршень
цилиндра 1
под действием силы
пере­мещается
вниз, вытесняя жидкость в цилиндр2.
Поршень цилиндра 2
при
этом перемещается вверх и преодолевает
нагрузку (силу)
Если пренебрегать потерями давлении в
системе, то по закону Паскаля давление
в цилиндрах1
и 2
будет одинаковым и равным
где—
площади поршней цилиндров1
и 2.
Считая
жидкость практически несжимаемой, можно
записать:
Мощность,
затрачиваемая па перемещение поршня в
цилиндре1,
выражается соотношением
Так как величина
является
расходом жидкости
,
то условие передачи энергии можно (при
отсутствии сил трения) предста­вить
в виде
где

—
мощность потока жидкости;
_й
— мощность, развиваемая поршнем цилиндра
2,
т. е. работа выходного зве­на системы,
отнесенная к единице вре­мени. Каждый
объемный гидропривод со­держит
источник энергии, т. е. жид­кости под
давлением. По виду источника энергии
гидроприводы разделяют на три типа.

1.
Насосный
гидропривод
— гидропривод, в котором рабочая жидкость
подается в гидродвигатель объемным
насосом, входящим в состав этого

гидропривода.
Он применяется наиболее широко. По
характеру циркуляции рабочей жидкости
насосные гидропри­воды разделяют на
гидроприводы с замкнутой циркуляцией
жид­кости (жидкость от гидродвигателя
поступает во всасывающую гидролинию
насоса) и гидроприводы с разомкнутой
циркуляцией жидкости (жидкость от
гидродвигателя поступает в гидробак).

2.
Аккумуляторный
гидропривод,
в котором рабочая жидкость подается в
гидродвигатель от предварительно
заряженного гидроаккумулятора. Такие
гидроприводы используют в системах с
крат­ковременным рабочим циклом или
с ограниченным числом циклов.

3.
Магистральный
гидропривод,
в котором рабочая жидкость поступает
в гидродвигатель из гидромагистрали.
Напор рабочей жидкости в гидромагистрали
создается насосной станцией, состо­ящей
из одного или нескольких насосов и
питающей несколько гидроприводов
(централизованная система питания).

По
характеру движения выходного звена
различают объемные гидроприводы:
поступательного
движения
— с возвратно-поступа­тельным движением
выходного звена и с гидродвигателями
в виде гидроцилиндров; поворотного
движения —
с возвратно-поворотным движением
выходного звена на угол менее 360° и с
поворотными гидродвигателями;
вращательного
движения
— с вращательным дви­жением выходною
звена и с гидродвигателями в виде
гидромоторов. Если в объемном гидроприводе
отсутствует устройство для изме­нения
скорости выходного звена, то такой
гидропривод является нерегулируемым.
Гидропривод, в котором скорость выходного
звена можно изменять по заданному закону
является регулируемым. Применяются
следующие два способа регулирования
скорости выходного звена объемных
гидроприводов: дроссельное
регулирование,
т. е. регулирование скорости дросселированием
потока рабочей жидкости и отводом части
потока через дроссель или клапан, минуя
гидродвигатель; объемное
регулирование,
т. е. регулирование скорости изме­нением
рабочего объема насоса или гидродвигателя
или того и дру­гого. Регулирование
гидропривода может быть ручным,
автоматиче­ским и программным. Если
в гидроприводе скорость выходного звена
поддерживается постоянной при изменении
внешних воздействий, то такой гидро­привод
называют стабилизированным.
Следящим
гидроприводом называют такой регулируемый
гидро­привод, в котором выходное звено
повторяет движения звена управ­ления.

Гидропривод и средства гидроавтоматики

Гидропривод и средства гидроавтоматики

Объемный гидропривод сегодня широко применяется в машиностроении и стал неотъемлемой составной частью современных мобильных машин и промышленного оборудования. В технически развитых странах машину без гидропривода встретить почти невозможно. В России ситуация иная – здесь редкость отечественное оборудование с современным гидроприводом.

За что же так ценят в современном мире гидропривод? Прежде всего это наиболее простое преобразование крутящего момента первичного источника механической энергии (двигателя внутреннего сгорания – ДВС или электродвигателя) и передача гидравлической мощности гидродвигателям. Гидродвигатели преобразуют энергию потока рабочей жидкости (РЖ) в энергию выходного звена и передают ее исполнительным механизмам. Исполнительными механизмами в передаче энергии являются гидроцилиндры и гидромоторы. Первые служат для создания силы при возвратно-поступательном движении штоков, вторые – для создания крутящего момента на валу при вращательном движении. 

Гидропривод дает возможность бесступенчато регулировать скорость движения и частоту вращения приводного ДВС, максимально использовать его мощность, повышать коэффициент использования, улучшать эксплуатационные качества машины. Небольшая инерционность обеспечивает хорошие динамические свойства привода, позволяет сократить время рабочего цикла и повысить производительность машины. В гидроприводе с высокомоментными гидромоторами передаточное число достигает 1000 и более, т. е. имеется возможность реализации больших передаточных чисел. 

Легкость и удобство управления рабочими органами, которые характеризуются небольшими усилиями на рукоятках управления, создают комфортные условия труда машиниста. Применение направляющих распределителей с пропорциональным электрогидравлическим управлением исполнительными механизмами и регулирующих гидроаппаратов, управляющих давлением и расходом с пропорциональными электромагнитами, позволяет автоматизировать технологические процессы, выполняемые машинами. При установке микропроцессоров и подключении их к компонентам с пропорциональными электромагнитами можно автоматизировать рабочий цикл или весь технологический процесс, выполняемый машиной. Перед переходом на автоматическое управление оператор нажимает кнопку «памяти» и выполняет необходимую технологическую операцию вручную. Затем он включает кнопку «автоматический режим», и процессор по заданному алгоритму будет повторять этот режим работы. Машина в таких случаях работает с максимальной производительностью, а роль оператора ограничивается наблюдением. 

Независимое расположение сборочных единиц гидропривода позволяет оптимально разместить их в машине. Надежно предохраняют от перегрузок приводного двигателя, гидросистемы, металлоконструкций и рабочих органов клапаны предохранительные, переливные, разгрузочные, разности давлений, тормозные и др., а также блоки клапанов. Пожалуй, это наиболее важное свойство объемного гидропривода. Компоненты гидропривода компактны, у них небольшая масса благодаря отсутствию в машине с гидроприводом таких традиционно применяемых деталей и механических узлов, как шестеренные и цепные редукторы, муфты, тормоза, барабаны лебедок, полиспастные блоки, канаты и другие быстро изнашивающиеся детали, требующие регулярного техобслуживания. У объемного гидропривода есть и недостатки, например его работоспособность и безотказность зависят от температуры окружающей среды, точнее – от вязкости и других свойств рабочей жидкости.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы вращательного, поступательного и поворотного движения, приводимые гидромотором, гидроцилиндром или поворотным гидродвигателем. По возможности регулирования различают гидроприводы регулируемые и нерегулируемые, по способу регулирования – с ручным и автоматическим управлением. В регулируемом гидроприводе скорость выходного вала может меняться.

Принцип действия гидропривода основан на законе Паскаля, согласно которому внешнее давление Р, возникающее в результате воздействия на свободную поверхность жидкости, находящейся в замкнутом объеме, передается равномерно во все стороны. Значение давления зависит от величины силы F, направленной перпендикулярно поверхности поршня S, на которую действует сила:

P = F/S. (1)

Если к сосуду с замкнутым объемом жидкости присоединить второй сосуд посредством трубы, то в соответствии с этим законом давление Р будет передаваться во второй сосуд и создавать усилие F на его стенки. Таким образом, в гидроприводе происходит передача усилия по трубопроводу на расстояние. В качестве примера на рис. 1 изображены два сосуда, закрытых поршнями 1 и 2 и соединенных трубопроводом 3. Сила  

F1, действующая на поршень 1 площадью S1, создает в системе давление 

Р = F1/S1. (2)

Чтобы уравновесить это давление, во втором сосуде к поршню 2 надо приложить усилие F2 = PS2. Приравняв значения давления в уравнениях (1) и (2), получаем:

F1/F2 = S1/S2. (3)

Из уравнения (3) следует, что усилия на поршнях прямо пропорциональны их площадям, а перемещения l1 и l2 обоих поршней обратно пропорциональны их площадям, т. е. соблюдается «закон рычага» – выигрывая в силе, в таком же отношении проигрываем в расстоянии, но можно получить значительный выигрыш в силе. Это поясняет одно из важнейших преимуществ гидропривода – способность передавать большую мощность при небольших размерах привода. Однако, перемещая поршень 1 на расстояние l1, вытесняем из него объем жидкости

V=S1l1. (4)

Этот же объем жидкости (если считать, что рабочая жидкость практически несжимаема) поступает во второй сосуд и перемещает поршень 2 на расстояние

l2 = V/S2. (5)

Из уравнений (4) и (5) получаем:

l1/l2 = S2/S1.

Подставив это отношение в уравнение (3), получаем:

F1l1 = F2l2. (6)

Уравнение (6) аналогично уравнению рычага 1-го рода. Это наглядно показано на схеме рис. 1, б. C помощью гидравлического рычага можно получить передаточные отношения больше в 10…50 и более раз, чем при помощи механического рычага.

Примером простейшей гидравлической системы является гидродомкрат. Для того чтобы поднять груз F2, в системе нужно создать давление Р = F2/S2 при усилии F1 на поршне 2 в соответствии с уравнением (3). Поскольку поршни круглого сечения, то

F1 = F2(d2l/d2·2),

где d1 и d2 – диаметры соответствующих поршней.

В современном гидроприводе источником энергии, создающим движение РЖ, являются насосы, приводимые от ДВС (преимущественно в мобильных машинах) или от электродвигателя (в стационарных промышленных установках). В зависимости от циркуляции РЖ гидравлические схемы подразделяются на разомкнутые и замкнутые. На рис. 2 приведены примеры наиболее часто применяемых принципиальных гидравлических схем с разомкнутым (рис. 2, а) и замкнутым (рис. 2, б) потоками. В разомкнутой (открытой) схеме гидропривода в рабочей позиции трехпозиционного распределителя 4 насос 2 всасывает РЖ из бака 1 гидросистемы и под давлением нагнетает ее в регулируемый гидромотор 5. Совершив полезную работу, РЖ возвращается в бак.

При перемещении золотника распределителя в обратную рабочую позицию меняется направление потока РЖ и соответственно направление движения штока цилиндра или направление вращения выходного вала гидромотора. В средней (нейтральной позиции) распределитель 4 с ручным управлением соединяет насос с баком гидросистемы, обеспечивая разгрузку насоса от давления. В нерегулируемых гидромашинах скорость перемещения штока гидроцилиндра или частота вращения вала гидромотора регулируется дросселированием потока РЖ в распределителе или с помощью регуляторов потока.

В замкнутой (закрытой) схеме гидропривода РЖ нагнетается насосом в гидродвигатель, а оттуда возвращается непосредственно во всасывающую полость насоса, минуя бак. В гидроприводе с регулируемыми насосом и гидромотором направление и скорость вращения исполнительного механизма регулируются изменением рабочих объемов насоса или гидромотора или одновременно того и другого. В связи с объемными потерями в насосе и в гидромоторе во всасывающую гидролинию насоса РЖ поступает меньше на величину утечек, отводимых в бак по дренажной гидролинии. Для компенсации утечек РЖ в гидропередаче с замкнутым потоком устанавливают насос подпитки 7, который под давлением 0,7…1,5 МПа нагнетает РЖ в гидролинию низкого давления. Давление в гидролинии подпитки определяется настройкой переливного клапана 10.

Под действием разности давлений в рабочих гидролиниях насоса 2 распределительный золотник 9 с гидравлическим управлением перемещается в положение, при котором гидролиния низкого давления соединяется с переливным клапаном. Таким образом, осуществляется постоянный обмен РЖ в замкнутом контуре и ее охлаждение. Предохранительные клапаны 3 позволяют перепускать рабочую жидкость из гидролинии высокого давления в гидролинию низкого давления и снижать динамические нагрузки при разгоне и торможении рабочего органа или ходового механизма машины. РЖ от насоса подпитки 7 поступает через фильтр 6 и один из обратных клапанов 8 в гидролинию низкого давления насоса 2, а ее избыток поступает на слив через распределительный золотник 9 и переливной клапан 10 в бак.

Преимущества гидропривода с замкнутым потоком

• Значительно меньше объем РЖ, так как потребность в ней определяется рабочими объемами гидромоторов, а размеры бака выбирают исходя из подачи насоса системы подпитки, компенсирующей объемные потери насоса и гидромотора.

• Избыточное давление на входе в насос обеспечивает его работу при максимальной частоте вращения, что позволяет применить насос меньшего рабочего объема (т. е. меньших типоразмера, массы и стоимости) и использовать объемный гидропривод в условиях холодного климата на масле МГ-15В. Кроме того, избыточное давление на входе в основной насос позволяет запускать в работу машину при температуре масла МГ-15В ниже –40 °С без разогрева РЖ.

• Отсутствует контакт РЖ с окружающей средой, что исключает загрязнение гидросистемы, увеличивает ресурс гидропривода и периодичность замены РЖ.

• Регулируемые реверсивные аксиально-поршневые насосы гидроприводов с замкнутым потоком позволяют менять направление вращения вала гидромотора без золотниковых распределителей, обычно используемых для этой цели в гидроприводах с разомкнутым потоком, и за счет этого повысить КПД гидропривода.

Гидроприводы с замкнутым потоком все больше применяют для исполнительных механизмов вращательного движения, например смесительного барабана автобетоносмесителя, привода лебедок автокранов, в буровых и колтюбинговых установках для кислотной промывки нефтяных скважин, в агрегатах для ремонта и освоения скважин, в трубоукладчиках, для привода подъемников, в самоходных катках и др. Особенно эффективно применение гидроприводов с замкнутым потоком в пневмоколесных машинах, в том числе с шарнирно-сочлененной рамой, для привода ходовых механизмов с двумя или четырьмя активными колесами в условиях бездорожья.

Современные гидроприводы пневмоколесных машин оснащают электронной системой синхронизации, включающей функцию «гидравлического дифференциала». Максимальный крутящий момент, передаваемый от насоса на ведущие колеса, определяется степенью сцепления колес с грунтом. В случае слабого сцепления происходит потеря управляемости, а значит, преждевременно изнашиваются шины, расходуется лишнее топливо, повреждается верхний слой почвы. Электронная система синхронизации гидропривода отслеживает сцепление колеса с грунтом и перераспределяет крутящий момент между ведущими колесами. Синхронизацию гидропривода осуществляют бортовой компьютер 1, сдвоенный регулирующий клапан 2, датчик 3 положения руля (установлен в корпусе колонки рулевого управления) и датчики 4 частоты вращения приводных колес. Частота вращения каждого приводного колеса непрерывно измеряется цифровыми датчиками, установленными в задних крышках гидромоторов.

Бортовой компьютер сравнивает полученные значения и ограничивает при необходимости через регулирующий клапан подачу РЖ в «проскользнувшее» колесо, которое начинает вращаться с большей скоростью. При стандартной электронной системе синхронизации на два приводных колеса в подводящем трубопроводе устанавливают один сдвоенный регулирующий клапан, который уменьшает расход РЖ и одновременно повышает давление насоса и в гидромоторе. Это обеспечивает устойчивое передвижение машины и предотвращает пробуксовку колеса. Как только частота вращения всех колес станет одинаковой, двойной регулирующий клапан снова полностью откроется, но он вновь закроется, если возникнет разность в частоте вращения колес. Этот процесс происходит непрерывно, чтобы обеспечить параметры, предусмотренные конструкцией машины.

Применение гидропривода с замкнутым потоком в мобильной машине исключает необходимость в традиционных узлах и агрегатах – муфтах сцепления, коробках передач, карданных валах, тормозах (кроме стояночных), так как гидропривод выполняет функции тормозов и «гидравлического дифференциала».

Чтобы обеспечить надежную эксплуатацию оборудования с гидроприводом в климатических условиях России, для объемных гидроприводов созданы специальные гидравлические масла, основными производителями которых являются Ново-Уфимский и Волгоградский нефтеперерабатывающие заводы, а также ПО «Омскнефтеоргсинтез». Согласно ГОСТу в гидроприводах используют два типа масел: МГ-15В и МГЕ-46В. МГ-15В (аналог ВМГЗ) для северных регионов страны рекомендуется как всесезонное, а для средней полосы России – как зимнее. Оно вырабатывается на загущенной основе с композицией присадок, обеспечивающих необходимые вязкостные, низкотемпературные и антипенные свойства. Это масло позволяет работать с гидроприводами без предварительного разогрева и круглогодично эксплуатировать гидроприводные машины без сезонной смены масла в интервале температур –53…+53 °С. Гидравлическое масло МГЕ-46В (аналог МГ-30) предназначено в качестве летнего для эксплуатации гидроприводов мобильных машин и промышленного оборудования на открытом воздухе в районах с умеренным климатом и как всесезонное для районов с теплым климатом. Его используют в интервале температур –20…+75 °С, а вырабатывают из нефти селективной очисткой с добавлением антиокислительной, антипенной присадок и депрессатора, понижающего температуру застывания. МГЕ-46В отличается хорошей смазывающей способностью, стойкостью против окисления и отложения смолистых осадков, а также против вспенивания.

Недостатки гидропривода с замкнутым потоком

• Ограниченность применения (в основном в механизмах вращательного движения и в редких случаях в механизмах возвратно-поступательного движения с гидроцилиндрами с двусторонним штоком). У гидроприводов с разомкнутым потоком таких ограничений нет.

• Необходимость применения воздушно-масляных теплообменников (при подтверждении тепловым расчетом) в связи с ограниченным теплоотводом между гидропередачей и окружающей средой.

Периодичность замены основных сортов гидравлических масел – 3500…4000 ч, но не реже 1 раза в 2 года. При отсутствии основных сортов гидравлических масел допускается их сезонная замена: зимой МГ-22А, летом И-30А.

Надежная и длительная эксплуатация насосов, гидромоторов и других компонентов гидропривода возможна только при условии обеспечения эффективной фильтрации рабочей жидкости от механических примесей и влаги. Очистка РЖ должна соответствовать 19/15 классу по нормам ISO 4406 или эквивалентна 13…15-му классу чистоты по ГОСТ 17216–2001. При этом абсолютная тонкость фильтрации 25 мкм. Для гидроприводов с повышенными требованиями к надежности и долговечности необходима фильтрация РЖ до 16/13 класса по нормам ISO 4406 или эквивалентная 11-му классу чистоты по ГОСТ 17216–2001. Абсолютная тонкость фильтрации 10 мкм.

Сегодня на российский рынок из-за рубежа поставляется широкая номенклатура современных компонентов гидропривода. Отдельные детали или агрегаты можно использовать не только для восстановления изношенных узлов и агрегатов, но и самостоятельно собирать гидравлические устройства достаточно хорошего качества. Небольшой сборочный цех из нескольких человек позволяет решить немало внутрихозяйственных проблем.

Эффективность гидравлического двигателя

Ваша главная передача включает в себя гидравлический двигатель, и этот двигатель имеет определенный уровень эффективности, связанный с ним. Со временем эта эффективность может снизиться, поэтому узнайте, как измеряется эффективность, каковы источники потерь и как их минимизировать.

Вот несколько других сообщений в блоге Shop Talk, которые могут оказаться полезными…

• Руководство по обслуживанию бортового привода
• 6 способов саботировать вашу последнюю передачу
• Планетарные передачи и двигатели главной передачи

Ни одна система, как бы хорошо она ни была спроектирована, не может быть эффективной на 100 %. Высококачественные, хорошо обслуживаемые радиально-поршневые двигатели имеют КПД около 95 %, тогда как аксиально-поршневые двигатели имеют КПД около 90 %. Вероятно, именно поэтому вы видите, что эти два типа гидравлических двигателей используются в подавляющем большинстве двигателей главной передачи.

Что такое КПД гидравлического двигателя?

Определение эффективности зависит от того, о каком типе системы вы говорите, и даже в этом случае могут быть некоторые вариации. Для гидравлического двигателя существует три способа измерения или оценки КПД: объемный, механический/гидравлический и общий КПД.

Объемная эффективность

Объемная эффективность учитывает теоретический расход и фактический расход и предоставляет информацию об утечках и износе. Теоретический расход довольно легко рассчитать: теоретический расход = (производительность насоса за один оборот) x (скорость вращения).

Это работает намного лучше и в единицах СИ. Если рабочий объем указан в см3/об, а скорость – в об/мин, результаты будут в литрах/минуту. Фактический расход затем измеряется с помощью расходомера. Затем эффективность равна фактическому расходу / теоретическому расходу, умноженному на 100, чтобы получить эффективность в процентах.

Механический КПД

Механический КПД основан на фактической выполненной работе и теоретической выполненной работе за один оборот. Это основано на теоретическом крутящем моменте и фактическом крутящем моменте, и в большинстве гидравлических двигателей оно составляет около 0,9 (или 90%). Фактический крутящий момент можно измерить динамометром, но это делается редко. Потери, связанные с механическим КПД, напрямую связаны с механическим трением между сопрягаемыми деталями.

Общий КПД

Общий КПД сочетает объемный и механический КПД. Это просто произведение этих двух значений: общий КПД = механический КПД х объемный КПД, и дает вам общее представление о том, насколько эффективен ваш гидравлический двигатель.

Откуда берутся убытки?

В гидравлическом двигателе есть два источника потерь:

• Объемные потери, возникающие из-за внутренней утечки жидкости в двигателе
• Механические потери из-за трения

Некоторая степень внутренней утечки является нормальной и даже полезной, но после определенного момента она становится проблемой. Избыточная внутренняя утечка чаще всего возникает в результате износа. Например, размер шпоночных зазоров в гидравлическом двигателе со временем может увеличиться из-за абразивного износа и привести к внутренней утечке. Этот тип износа обычно возникает из-за загрязненной гидравлической жидкости, но также может быть результатом нормального износа.

Трение — еще один важный источник потерь. Шероховатые поверхности там, где они должны быть гладкими, вызывают проблемы с трением гидравлической жидкости, уменьшая передаваемую мощность. Однако есть и другие способы введения трения. Например, изнашиваемые подшипники качения или подшипники скольжения будут источником трения.

Предотвращение потерь

Один из ключей к предотвращению потерь гидравлического двигателя связан с правильными методами обслуживания, такими как поддержание чистоты гидравлической жидкости, замена гидравлических фильтров и игнорирование гидравлических утечек. Также важно обращать внимание на симптомы потенциальных проблем с подшипниками, такие как новые шумы, чрезмерная вибрация и перегрев.

Расчет КПД гидравлического насоса и двигателя эффективности, в зависимости от того, что произойдет раньше.

Несмотря на недавние достижения в области технологий профилактического обслуживания, специалисты по техническому обслуживанию не могут с высокой степенью точности определить оставшийся срок службы подшипников насоса или двигателя.

С другой стороны, снижение эффективности легко обнаружить. Потому что это обычно проявляется через увеличение времени цикла. Другими словами, машина тормозит. Когда это происходит, количественная оценка потери эффективности не всегда необходима. Причина в том, что если машина замедляется до такой степени, что время ее цикла становится неприемлемо медленным, насос или двигатель заменяются. Конец истории.

Однако в некоторых ситуациях может быть полезно, и даже необходимо, количественно определить фактический КПД насоса или двигателя и сравнить его с собственным КПД компонента. И для этого необходимо понимание рейтингов эффективности гидравлического насоса и двигателя.

Существуют три категории эффективности, используемые для описания гидравлических насосов (и двигателей). Объемный КПД, механический/гидравлический КПД и общий КПД.

Объемный КПД определяется путем деления фактического расхода, подаваемого насосом при заданном давлении, на его теоретический расход. Теоретический расход рассчитывается путем умножения рабочего объема насоса за один оборот на его приводную скорость. Таким образом, если насос имеет рабочий объем 100 см3/об и работает со скоростью 1000 об/мин, его теоретический расход составляет 100 литров в минуту.

Фактический расход должен быть измерен с помощью расходомера. Если при испытании вышеуказанный насос имел фактический расход 90 литров в минуту при 207 бар (3000 фунтов на квадратный дюйм), мы можем сказать, что объемный КПД насоса составляет 90% при 207 бар (90/100 x 100 = 90%).

Объемный КПД мы чаще всего используем в полевых условиях для определения состояния гидравлического насоса на основе увеличения его внутренней утечки из-за износа или повреждения. Но без ссылки на теоретический расход фактический расход, измеренный расходомером, был бы бессмысленным.

Механический/гидравлический КПД насоса определяется путем деления теоретического крутящего момента, необходимого для его привода, на фактический крутящий момент, необходимый для его привода. Механический/гидравлический КПД, равный 100 %, означает, что если насос подает поток при нулевом давлении, то для его приведения в действие не требуется силы или крутящего момента. Интуитивно мы знаем, что это невозможно — из-за механического и жидкостного трения.

Как и теоретический расход, можно рассчитать теоретический крутящий момент привода. Для вышеуказанного насоса в единицах СИ: 100 см3/об x 207 бар / 20 x pi = 329Ньютон метров. Но, как и фактический расход, необходимо измерять фактический крутящий момент привода. А для этого требуется использование динамометра. Это не то, что мы можем или должны делать в полевых условиях. Однако для целей этого примера предположим, что фактический крутящий момент составляет 360 Нм. Механический/гидравлический КПД составит 91 % (329/360 x 100 = 91 %).

Общий КПД – это просто произведение объемного и механического/гидравлического КПД. Итак, продолжая приведенный выше пример, общий КПД насоса составляет 0,9.х 0,91 х 100 = 82%. Общий КПД используется для расчета мощности привода, необходимой насосу при заданном расходе и давлении. Например, рассчитаем в единицах СИ требуемую мощность привода для шестеренчатого насоса с внешним зацеплением с общим КПД 85 %. И поршневой насос с изогнутой осью с общим КПД 92%. Предположим, что выходной поток и давление для обоих насосов составляют 90 литров в минуту при 207 бар:

Насос с внешним зацеплением: 90 x 207 / 600 x 0,85 = 36,5 кВт

Поршневой насос с изогнутой осью: 90 x 207 / 600 x 0,92 = 33,75 кВт

Как и следовало ожидать, более эффективный насос требует меньшей мощности привода при том же расходе и давлении на выходе. Немного подумав, мы можем быстро рассчитать тепловую нагрузку каждого насоса:

Мощность привода для (несуществующего) насоса со 100% КПД будет: 90 x 207 / 600 x 1 = 31,05 кВт

Итак, при этом расхода и давления, тепловая нагрузка или мощность, теряемая на тепло для каждого насоса, составляет:

Шестеренчатый насос с внешним зацеплением: 36,5 — 31,05 = 5,5 кВт

Поршневой насос с изогнутой осью: 33,75 — 31,05 = 2,7 кВт

Неудивительно, что для системы с шестеренчатыми насосами и двигателями требуется теплообменник большего размера, чем для эквивалентной (при прочих равных условиях) системы с поршневыми насосами и двигателями.