5.7.1. Поршневые насосы

Поршневые насосы используются в системах общесудового назначения, системах обслуживающих главный двигатель, а также в гидроприводе как палубных устройств и механизмов, так и рулевых машин.

Разнообразное применение этих насосов обусловлено рядом их достоинств: надежностью, способностью всасывания без предварительного заполнения жидкостью, возможностью регулировать подачу независимо от напора, простотой обслуживания, достаточно высоким КПД

Недостатками поршневых насосов являются большие габаритные размеры, масса и усложнение конструкции, связанное с наличием клапанных механизмов.

Поршневые насосы классифицируются следующим образом:

– по кратности действия (числу полостей или цилиндров) – насосы простого, двойного и многократного действия;

– по давлению нагнетания – насосы низкого давления (до 0,5 мПа), среднего давления (от 0.5 до 5,0 мПа) , высокого давления – (свыше 5,0 мПа );

– по подаче – насосы малой подачи (до 20 м³/ч), средней подачи (от 20 до 60 м³/ч), большой подачи (свыше 60 м³/ч);

– по быстроходности – тихоходные (с частотой вращения вала до 80 об/мин), нормальные (с частотой вращения вала от 80 до 150 об/мин), быстроходные (выше 150 об/мин);

– по роду перекачиваемой жидкости – насосы водяные, масляные и пр.;

– по конструктивному исполнению – насосы собственно поршневые, плунжерные, вертикальные, горизонтальные и т.п.;

– по типу соединения с двигателем – прямодействующие и приводные;

– по типу привода – электрические, паровые и с ручным приводом.

Принцип действия поршневого насоса состоит в следующем (рис. 43).

Поршень движется в рабочей полости, при движении поршня от крайнего правого положения в рабочeй полости (цилиндре) создается разряжение, закрываются нагнетательные клапаны и открываются всасывающие, жидкость поступает в цилиндр, при нормальной работе насоса жидкость безотрывно следует за поршнем. После достижения крайнего левого положения поршень начинает сжимать жидкость, перемещаясь вправо. Давление в цилиндре начинает увеличиваться, всасывающие клапана закрываются, а нагнетательные открываются.

Рис. 53. Принцип действия поршневого насоса

Путь x, который проходит поршень от крайнего левого положения, с достаточной точностью определится:

x = r – r cos φ.

Объем жидкостей, подаваемый в нагнетательный трубопровод при перемещении поршня dx будет:

dV = Fc dτ,

где с – скорость поршня , м/с;

F – площадь поршня , м²;

τ – время за которое осуществляется подача, с.

С учетом того, что линейная скорость с может быть определена через угловую как

с = ωr sinφ,

dV = Fr sinφ dφ.

Таким образом очевидно, что мгновенная подача поршневого насоса простого действия изменяется по синусоиде (рис. 54).

Рис. 54. Подача поршневого насоса простого действия

Для уменьшения неравномерности подачи используют увеличение кратности действия путем применения насосов с двумя, четырьмя а иногда и шестью цилиндрами.

Для стабилизации давления в трубопроводе устанавливают воздушные колпаки (рис. 55).

Рис. 55. Использование воздушных колпаков

Обмен жидкостью между колпаком и насосом приводит к тому, что в воздушном колпаке изменяется уровень жидкости, т.е. происходит изменение объема воздуха и его давление. При неизменном уровне жидкости в колпаке в трубопроводе устанавливается постоянное давление, которое выше давления, характерного для начала всасывания либо нагнетания без воздушного колпака. Новые условия движения жидкости в трубопроводе при наличии воздушного колпака приводят к тому, что жидкость с переменной скоростью движется только на участке между колпаком и насосом, а в трубопроводе с постоянной скоростью.

На рис. 56 представлена конструкция электроприводного насоса большой производительности.

Это вертикальный насос четверного действия, т.е. насос с четырьмя цилиндрами. Цилиндры насоса 2 отлиты из чугуна, цилиндровые втулки 3 – из бронзы. В насосе используется зубчатый редуктор, расположенный на верхней части рамы, в которой уложен вал насоса. Электродвигатель установлен на нижней части рамы. Верхняя 6 и нижняя 1 части рамы соединены болтами. В цилиндровом блоке расположены клапанные коробки.

Каждая полость насоса обслуживается одним всасывающим 12 и одним нагнетательным 11 клапаном. Между цилиндрами насоса размещен всасывающий воздушный колпак, соединенный с приемным патрубком 5. Поршень 13 перемещается шатуном 8, шарнирно соединенным с ползуном 9, который движется по параллели 7. Ползун имеет шпоночное соединение 10 со штоком 4.

Рис. 56. Поршневой насос четверного действия:

1,6 – рама, 2– цилиндр, 3– цилиндровая втулка, 4– шток, 5– приемный патрубок воздушного колпака, 7– параллель ползуна, 8 – шатун, 9 – ползун, 10 – шпоночное соединение, 11 – нагнетательный клапан, 12– всасывающий клапан, 13 – поршень

По бокам насоса расположены нагнетательные патрубки на одном из которых устанавливается предохранительный клапан. Для смазки подшипников, ползунов и редуктора используется шестеренный насос, принцип действия шестеренных насосов описан в разделе 7.2.2. Насосы такого типа применяются в качестве осушительных и балластных, а также для перекачивания нефтепродуктов.

В качестве насосов систем гидропривода палубных и рулевых механизмов и рулевых машин часто используются радиально и аксиально-поршневые насосы переменной подачи. В насосах таких конструкций изменяется ход поршней насоса и подача жидкости изменяется от нуля до определенного значения. Это достигается применением в конструкции регулировочного кольца, наклонной плиты или скользящих лопастей. Конструкция радиально-поршневого насоса показана на рис. 57.

Рис. 57. Радиально-поршневой насос переменной подачи:

1, 3, 15 – отверстия и каналы неподвижного золотника, 2– приводной вал, 4– поршень, 5 – палец, 6 – ползун, 7, 9– крышки, 8 – корпус, 10 – регулировочный блок, 11, 12 – подшипники, 13, 14 – отверстия для присоединения трубопроводов, 16 – блок цилиндров, 17 – регулировочное кольцо, 18 – разъем для подсоединения системы управления ,19 – тяга.

Внутри корпуса насоса короткий приводной вал вращает блок цилиндров, посаженный на подшипниках. Внутри блока помещен неподвижный золотник. Радиально расположенные цилиндры соединены отверстиями с каналами неподвижного золотника, которые сообщаются с каналами подвода и отвода жидкости к насосу. В цилиндрах движутся поршни, соединенные с ползуном пальцами. Ползуны находятся в круговом пазе регулировочного кольца. Кольцо может вращаться в шарикоподшипниках, а так же перемещается в стороны от своего среднего положения. Боковое смещение регулировочного кольца осуществляется с помощью двух тяг, выходящих из корпуса насоса.

Рис. 58 иллюстрирует принцип действия насоса.

Когда регулировочное кольцо расположено концентрично относительно неподвижного золотника (рис. 58а), подача будет равна нулю, так как поршни не совершают поступательного движения в цилиндрах. Если регулировочное кольцо сдвигается вправо, поршни получают возможность двигаться поступательно (рис. 58 б.). Поршень, оказавшийся в нижней полуокружности, будет перемещаться к центру блока и нагнетать жидкость в нижнее отверстие неподвижного золотника. После прохождения цилиндром в процессе вращения горизонтального положения, поршень начнет двигаться от центра, всасывая жидкость из верхнего отверстия. Пройдя горизонтальное положение на противоположной стороне, поршень начнет нагнетать жидкость. Если регулировочное кольцо сдвинуть влево от его среднего положения (рис. 58 в), всасывающие и нагнетательные отверстия поменяются местами.

Рис. 58. Схема работы радиально-поршневого насоса:

1 – неподвижный золотник, 2 – цилиндр, 3 – регулировочное кольцо, 4 – тяга управления, 5 – всасывающие и нагнетательные отверстия, 6 – поршень, 7 – ползун и палец, 8,11 – всасывающие отверстия, 9,10 – нагнетательные отверстия.

Таким образом при постоянной частоте вращения вала насоса подача может изменяться от «нулевой» до максимальной с противоположными направлениями движения жидкости.

Устройство аксиально-поршневого насоса с наклонной регулировочной плитой показано на рис. 59.

Рис. 59. Аксиально-поршневой насос:

1– сальникк,2 ,7,14– масляные уплотнения, 3,20 – игольчатые подшипники, 4 – манжета вала, 5 – кольцо, 6 – приводной вал, 8 – крышка уплотнения, 9,10 – кольца, 11 – пробка, 12 – поршень, 13,26 – крышки, 15 – верхняя цапфа, 16 – рычаг управления, 17,27 – роликовые подшипники, 18 – соединительные болты, 19 – ползун, 21 – узел связи с системой управления, 22 – стальной шарик, 23 – крышка подшипника, 24 – наклонная регулировочная плита, 25 – корпус, 28 – удерживающее кольцо, 29 – нижняя цапфа, 30 – плунжер, 31 – пружина, 32 – блок цилиндров, 33 – клапанная плита.

Приводной вал вращает круглый цилиндровый блок, регулировочную плиту и поршни.

Выходящая наружу цапфа поворачивает регулировочную плиту относительно осей поршней и блока цилиндров. При вращении цилиндры сообщаются с двумя пазами, выполненных в виде полуокружностей в клапанной плите. Каждый из пазов имеет отверстия для подвода и отвода масла. При вертикальном положении регулировочной плиты подача насоса равна нулю. При наклоне плиты насос перекачивает жидкость. При этом длина хода поршня, а следовательно и подача, зависят от угла наклона плиты. В зависимости от направления наклона, отверстия в клапанной плите будут всасывающими или нагнетательными.

При эксплуатации поршневых насосов необходимо точно выполнять требования инструкций по их обслуживанию. Пуску насоса должен предшествовать его осмотр, проворачивается на полный оборот вал насоса с целью проверки его работоспособности. Перед этим необходимо открыть спускные краны. Проверяются, а при необходимости очищаются и заполняются свежим маслом, все устройства системы смазки насоса. Смазываются штоки насоса и осматриваются сальниковые уплотнения. Проверяется исправность предохранительных клапанов.

После подготовки к пуску непосредственно насоса, открывают все клапаны на всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

При пуске насоса выполняются следующие действия:

– включается в работу система смазки насоса и его привода;

– включается система охлаждения насоса и привода, если таковая имеется;

– производится пуск насоса.

При пуске электроприводного насоса следует контролировать величину потребляемой мощности.

Особенностью пуска насосов высокого давления является его осуществление в два этапа: вначале насос пускается на байпасный (обводной) трубопровод, а затем постепенно переходят на рабочий трубопровод, что позволяет снизить перегрузку электродвигателя.

При возникновении неполадок в работе поршневого насоса осуществляется его немедленная остановка.