что учитывает объемный кпд гидромашины

Оценка эффективности гидравлических насосов и моторов

Поводом для замены гидравлического мотора или насоса может стать изношенность подшипников и снижение эффективности работы агрегата. Даже современные разработки, применяемые в профилактике и ремонте гидравлики, не всегда помогают точно определить оставшийся ресурс подшипников.

Количественная оценка гидравлики

Выявить падение эффективности значительно легче, поскольку этот признак дает о себе знать в виде замедленной работы. Во избежание лишних затрат времени и денежных средств, советуем не проводить сразу качественную оценку потерь. При слишком длительном производственном цикле лучше заменить гидронасос или мотор новым оборудованием.

В отдельных случаях количественная оценка гидроузла является обязательным мероприятием, которое позволит сравнить заводские характеристики с фактическими данными.

Эффективность работы насосов и двигателей определяется тремя критериями:

Объемный КПД

Объемный КПД – это отношение реального расхода жидкости к теоретическому значению. Для определения теоретического значения расхода необходимо умножить объем перерабатываемой жидкости за один оборот на количество оборотов в минуту, выполняемых насосом. Например, если аппарат объемом 100 см3 имеет скорость 1000 об/мин, его теоретический расход достигнет 100 л/мин.

Для определения фактического расхода используется расходомер, после чего полученные показатели соотносятся с теоретическим расходом. Так, при фактическом расходе 90 л/мин и давлении 207 бар, объемный КПД гидронасоса составит 90%.

Чаще всего объемный КПД определяет техническое состояние, а именно степень утечки жидкости в результате деформаций или естественного износа агрегата. Но, не зная теоретического расхода, установленный фактический расход не представляет для нас важности.

Механический/гидравлический КПД

Эта характеристика вычисляется путем деления теоретического крутящего момента, необходимого для приведения гидронасоса в движения, на реальный крутящий момент. 100% механический/гидравлический КПД говорил бы о прокачке жидкости при нулевом давлении и отсутствующем крутящем моменте, что противоречило бы законам механического и жидкостного трения.

Теоретический крутящий момент рассчитывается методом математических вычислений. Для рассмотренного выше случая показатель будет равен 329 Нм. Фактический крутящий момент, как и расход, измеряется при помощи прибора (динамометра). Например, если значение характеристики равна 360 Нм, механический КПД будет достигать 91% (329/360*100 = 91%).

Общий КПД

Представляет собой произведение объемного и механического/гидравлического КПД (в нашей ситуации показатель равен 82%). В таблице ниже рассмотрены типовые значения общего КПД для наиболее распространенных моделей насосов:

Производители гидравлических систем используют значение объемного КПД для вычисления фактического расхода насоса при давлении, необходимом для начала работы узлов.

При вычислении объемного КПД по результатам фактического тестирования, необходимо учитывать тот факт, что различные каналы утечки в насосе чаще всего являются одинаковыми. Таким образом, если испытание насоса проводится при меньших показателях давления или не максимальной мощности, значение КПД будет отличаться до тех пор, пока утечки являются константой.

Для примера возьмем случай с насосом переменного объема, имеющим расход жидкости 100 литров в минуту. При работе на полной скорости и расходе 90 л/мин, объемный КПД будет равен 90%. Если работа помпы будет оцениваться при аналогичном давлении и температуре жидкости, но при половине рабочего объема, потери на внутренние протечки будут равны 10 л/мин, а объемный КПД составит 80%. Исходя из этого мы видим, что внутренние утечки – это постоянная величина, при одинаковых условиях объемный КПД будет достигать 90% при полном объеме и 0% при объеме 10%.

Чтобы объяснить такую закономерность, необходимо рассматривать каналы утечек в качестве отверстий определенного диаметра. Скорость перемещения масла через эти отверстия определяется колебаниями давления и вязкостью жидкости. При равных показателях степень утечки всегда будет неизменной, независимо от скорости вращения вала и объема насоса.

Для проведения качественной оценки гидравлических насосов и моторов обращайтесь в компанию «Гидротехтрейд».

РЕМОНТ И ОБСЛУЖИВАНИЕ
ЛЮБОЙ ГИДРАВЛИКИ

Источник

Что учитывает объемный кпд гидромашины

16. ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОМАШИНЫ.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОМАШИНАХ

и ГИДРОСИСТЕМАХ
16.1. Основные понятия.

16.2. Величины, характеризующие рабочий процесс

16.3. Основные свойства объемных гидромашин

и особенности их работы с системой потребителя.

16.4.Насосы и гидродвигатели.

Гидромашина называется объемной, если ее рабочий процесс основан на заполнении рабочей камеры жидкости и последующем вытеснении жидкости из этой камеры.

Под рабочей камерой понимается объем внутри машины, периодически соединяемый с напорной и всасывающей гидролинией.

Объемная гидромашина может иметь одну или несколько рабочих камер, рабочие камеры могут иметь постоянный или переменный объем.

Вытеснение жидкости могут выполнять поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т.д.

По конструктивному принципу объемные насосы разделяют на поршневые и роторные. В поршневом насосе жидкость вытесняется из рабочих камер при возвратно-поступательном движении поршней, плунжеров, диафрагм. В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер при вращательном движении вытеснителей. Эта классификация условна, так как в аксиально-поршневых гидромашинах, например, вал вращает поршневую группу, которая ведет блок цилиндров, при этом поршни совершают в блоке возвратно-поступательные движения.

Объемным гидронасосом называется гидромашина, предназначенная для преобразования механической энергии двигателя в энергию потока жидкости.

Объемным гидродвигателем называется гидромашина, предназначенная для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена. По характеру движения выходного звена объемные гидродвигатели бывают:

1) с возвратно-поступательным движением выходного звена – гидроцилиндры,

3) поворотные гидродвигатели с ограниченным углом поворота – моментные гидродвигатели.

16.2. Величины, характеризующие рабочий процесс

Рабочим объемом V о гидромашины называется изменение объема рабочих камер за один оборот вала машины.

Рабочий объем называют теоретическим, идеальным или геометрическим, это объем, который машина способна переместить за один оборот.

Рабочий объем Vo можно рассчитать по конструкторской документации или определить экспериментально, измеряя подачу насоса при отсутствии утечек и сжатия жидкости. Схема измерений показана на рис. 16.1. Вал насоса вращают с малой частотой и измеряют объемным способом количество подаваемой им жидкости, считая при этом количество оборотов.

Рабочий объем определяют из отношения

Давление жидкости в питающем и приемном сосуде должны быть примерно равны. Оп ытное определение объема Vo исключает неточности, неизбежные при его вычислении по конструкторским данным.

Теоретическая подача Q н_т насоса обусловлена только геометрическими размерами его рабочих органов,

Теоретическая подача больше подачи насоса поступающей в напорную линию.

Действительная подача насоса Q н равна разности между теоретической подачей Q н_т и утечками через зазоры q _у, а при больших давлениях потерями расхода q _сж на сжимаемость жидкости.

где q _у — утечки; q _сж – потери расхода при сжатии жидкости.

Обычно потерями на сжатие пренебрегают, поскольку их значение невелико. Отношение действительной подачи Q н к теоретической Q н_т называется коэффициентом подачи или объемным КПД:

Полное приращение энергии жидкости в объемном насосе обычно относят к единице объема и выражают в единицах давления.

В объемных насосах приращение давления больше приращения кинетической энергии, поэтому приращение кинетической энергии за счет скорости обычно не учитывают в балансе энергии.

Давлением насоса Рн называется разность(или перепад) между давлением Р_нп на выходе из насоса, в напорной магистрали и давлением Р_вс на входе в него, во всасывающей магистрали

Полезная мощность насоса равна произведению действительной подачи Q н на давление насоса ∆Рн

Мощность, потребляемая насосом, равна мощности, затрачиваемой двигателем на привода насоса:

Полный КПД насоса есть отношение полезной мощности к потребляемой мощности

Потери в гидромашинах.

1. Гидравлическими потерями давления в гидромашине называют потери, возникающие при сопротивлении движения вязкой жидкости по внутренним каналам гидромашины.

Между моментом на валу насоса Мн, и перепадом давлений ∆Рн = Р_нп — Р_вс в рабочих камерах насоса и рабочим объемом существует зависимость

Определив из этой зависимости перепад давления в рабочих камерах насоса (в напорной и всывающей) получим

Этот перепад, возникает в результате приложения к валу насоса момента Мн от приводного двигателя

Гидравлическим КПД называется отношение перепада давления на штуцерах насоса ∆Рн в перепаду давления в его рабочих камерах ∆ Р _кн

2. Механическими называют потери на трение в механизмах насоса: в опорах, подшипниках, поршнях.

Прежде чем возникнет давление в рабочих камерах, необходимо преодолеть сопротивление трения. В связи с этим от потребляемой мощности следует отнять потери на трение Δ N _м.

Тогда механический КПД можно выразить отношением

3. Объемными называются потери подачи q _у на перетекание жидкости через зазоры под действием перепада давления из полости высокого давления (в напорном канале) в полость низкого давления (во всасывающую или дренажную полость). Разделить потери на механические и гидравлические очень трудно, поскольку трудно замерить давления внутри рабочих камер, поэтому они оцениваются гидромеханическим КПД, соответственно и потери гидромеханические объединяются.

Общий КПД ηн насоса равен произведению объемного и гидромеханического КПД. Приведенные величины характеризуют в общем виде рабочий процесс объемной гидромашины.

Теоретический расход гидромотора, необходимый для получения скорости вращения вала n г_Т определяется по объемной постоянной V _о.

Подводимый к гидромотору расход Q должен быть больше Q _Т на величину утечек q _у.

Число оборотов гидромотора будет равно

то есть оно меньше числа оборотов определенных по теоретическому расходу.

Полезная мощность гидромотора N п, развиваемая на его валу равна,

Мощность потребляемая гидромотором больше, чем полезная мощность, которую он может обеспечить на величину объемных, механических и гидравлических потерь

Источник

Гидравлическая жидкость и КПД гидросистемы

Выбор наиболее оптимальной гидравлической жидкости требует оценки нескольких взаимозависимых факторов, включая типоразмер оборудования и условия эксплуатации, такие как температура, давление и максимальная нагрузка.

Выбор гидравлической жидкости и эффективность работы гидросистемы определяются областью применения, условиями эксплуатации и интенсивностью работы.

Ежегодно гидравлические системы потребляют от 2,25 до 3,0 квадриллионов (х10 15 ) Британских тепловых единиц энергии, из которых приблизительно 1,2 квадриллиона БТЕ приходится на мобильную технику и 1,7 квадриллиона — на промышленное оборудование. Средний КПД гидропривода составляет 21%. Может ли оптимизация подбора гидравлической жидкости снизить энергопотребление и повысить эффективность работы гидравлических систем?

Физический смысл КПД гидросистем

Гидравлическая система преобразует механическую энергию вращения приводного агрегата (ДВС или электродвигателя), вращающего вал насоса, в гидравлическую энергию. Регулирующие клапаны и распределители направляют поток рабочей жидкости от насоса к исполнительным механизмам (гидроцилиндры и гидромоторы), преобразующим гидравлическую энергию обратно в механическую.

Гидромотор можно описать как насос, работающий в обратном направлении; он преобразует гидравлическую энергию рабочей жидкости в механическую энергию вращения вала. Он может генерировать высокую удельную мощность, необходимую для работы агрегатов мобильной техники. Гидромоторы поворачивают барабан бетономешалки, перемещают стрелу экскаватора, приводят в движение режущий механизм траншеекопателя, обеспечивают колебания эксцентрика асфальтоукладчика и поднимают стрелу фронтального погрузчика.

В отличие от центробежных насосов, где расход и давление взаимосвязаны, в гидравлических системах используются объемные насосы и гидромоторы, в которых расход не зависит от давления. Конечно, в реальности ни один насос не имеет КПД 100%, поэтому некоторая степень взаимосвязи расхода и давления сохраняется.

Гидравлические системы вырабатывают кинетическую энергию в виде расхода и потенциальную энергию в виде давления. Таким образом, в гидросистеме необходимо поддерживать разделение между зонами высокого и низкого давления. Это требование лежит в основе многих конструктивных решений гидроприводов; движущиеся компоненты должны надежно уплотняться в зонах контакта, чтобы минимизировать перетечки.

Внутренние перетечки — это перемещение рабочей жидкости из зон высокого давления в зоны низкого давления внутри гидравлических компонентов, снижающие полезную мощность системы. По мере повышения давления и температуры в системе также возрастают утечки через соединения. Этот эффект более значителен в гидросистемах мобильной техники, поскольку наличие меньших по размеру масляных баков и теплообменников, необходимых для работы системы, подразумевает работу при более высоких температурах по сравнению с гидросистемами промышленного оборудования.

Как измерить КПД?

Полный КПД насоса или гидромотора представляет собой объемный КПД, умноженный на механический КПД. Объемный КПД соотносится с выходным расходом на один оборот входного вала насоса. Он определяет величину перетечек между областями высокого и низкого давления. Механический КПД относится к крутящему моменту на выходном валу гидромотора и отражает потери на трение.

При высоком давлении насоса и низкой частоте вращения гидромотора (наиболее важный режим работы) объемный КПД быстро увеличивается с увеличением частоты вращения насоса (или вязкости рабочей жидкости), а затем выравнивается. Между тем, механический КПД практически линейно снижается с увеличением частоты вращения насоса (или вязкости жидкости). Эта зависимость обычно иллюстрируется с помощью кривой Штрибека (см. рис. 1), которая отображает КПД как функцию от частоты вращения, вязкости и давления (нагрузки).

Рис. 1. Кривые Штрибека для гидравлической системы, выражающие КПД как функцию от Z (частота вращения), N (вязкость рабочей жидкости) и p (нагрузка или давление). Полный КПД вычисляется умножением объемного КПД на механический КПД. Данный график составлен на базе 1789 точек, снятых с 16 шестеренных насосов.

Требования к гидравлической жидкости

Надежность и эффективность работы системы требуют различных свойств гидравлической жидкости. Стандарты надежности четко определены и применяются ко всем производимым маслам. Эти стандарты учитывают такие параметры как вязкость, защита системы от износа, тепловая стабильность, ингибирование коррозии, стойкость к пенообразованию, деэмульгируемость, скорость окисления и чистота. Свойства гидравлической жидкости, зависящие от давления, к которым относятся модуль объемной упругости, плотность и трение, также могут оказывать значительное влияние на КПД гидросистемы, однако они редко встречаются в характеристиках, предоставляемых производителями масел.

Модуль объемной упругости представляет собой показатель изменения объема с изменением давления жидкости. Как показывает опыт, при повышении давления на 70 бар объем гидравлической жидкости уменьшается примерно на 0,5%. Модуль объемной упругости жидкости зависит от давления, температуры, химического состава и жесткости конструкции системы. Модуль объемной упругости может влиять на потери насоса (КПД), звуковые характеристики (уровень шума) и быстродействие системы (динамическая характеристика или скорость реакции системы при закрытии клапана). Модуль объемной упругости также влияет на величину перетечек в насосе и управляющих компонентах.

Плотность — это масса вещества на единицу объема. Ее величина определяется силами межмолекулярного взаимодействия и химическим составом вещества. Масло с высоким модулем объемной упругости является более плотным и, следовательно, менее сжимаемым, чем масло с низким модулем упругости. Плотность может влиять на перепад давления на клапанах и участках линий и, соответственно, на КПД системы.

Трение — это сдвиговое усилие, передаваемое через смазывающую пленку и являющееся результатом разности скоростей движения (в векторном виде) между условно «верхней» и «нижней» поверхностями пленки. Коэффициент трения жидкости представляет собой отношение силы трения к нормальной нагрузке. Если гидравлическая жидкость имеет низкий коэффициент трения, то для сдвига пленки этой жидкости между двумя поверхностями, движущимися относительно друг друга, требуется меньше энергии. Применение жидкости с низким коэффициентом трения может уменьшить потери крутящего момента гидромотора на низкой частоте вращения (разницу между теоретическим и фактическим крутящим моментом, вызванную трением).

КПД гидромотора

КПД гидромотора при низкой частоте вращения или при пуске зачастую определяет расчетное давление и типоразмер насоса, необходимого для работы гидравлической системы. Это особенно актуально для систем, запускаемых под нагрузкой, например, при копке грунта или подъеме транспортировочного контейнера.

Подобно тому, как двигатель автомобиля наименее эффективен на холостом ходу или при медленном движении, гидромоторы также имеют минимальный КПД на малых частотах вращения. Уменьшение трения гидромотора на низких частотах вращения позволяет повысить КПД за счет увеличения мощности, генерируемой для перемещения полезной нагрузки. Улучшение рабочих характеристик гидромотора может существенно повысить эффективность всей системы. Чтобы проиллюстрировать, как характеристики гидравлической жидкости могут влиять на КПД системы, мы сравнили пять гидравлических жидкостей. Каждая из этих жидкостей содержит беззольные противоизносные присадки.

Эти гидравлические жидкости оценивались при работе в аксиально-поршневых, радиально-поршневых и героторных гидромоторах со схожими характеристиками в плане потерь крутящего момента в зависимости от частоты вращения. При малых частотах вращения жидкости с низким коэффициентом трения (HEES46 и HBMO46+FM) демонстрируют вдвое меньшие потери момента по сравнению с традиционными гидравлическими маслами. Потери крутящего момента для всех типов масел одинаковы при средних и высоких частотах вращения; они уменьшаются и выравниваются по мере повышения частоты вращения, а затем незначительно увеличивается на максимальных частотах вращения (см. рис. 2).

Рис. 2. Потери крутящего момента для радиально-поршневого гидромотора, работающего на различных частотах вращения. Планки погрешностей выражают усредненный доверительный интервал 95% для нескольких испытаний.

Различия в механическом КПД отражают потери крутящего момента. Гидравлические жидкости, не содержащие нефтяную основу или присадки, изменяющие характеристики трения, демонстрируют более низкий механический КПД при малых частотах вращения гидромотора. КПД повышается с увеличением частоты вращения до определенной величины и снижается при более высоких значениях (см. рис. 3). На высоких частотах вращения КПД при использовании различных гидравлических жидкостей аналогично, поскольку при этом задействуется гидродинамическая смазка, а вязкость жидкостей соответствует одному классу по ISO.

Рис. 3. График зависимости механического КПД радиально-поршневого гидромотора, показанного на рис. 2, от частоты вращения (Z) при постоянной вязкости гидравлической жидкости и нагрузке.

Гидравлические насосы

Поршневой насос в открытой гидросистеме: вал аксиально-поршневого насоса вращает блок цилиндров. При вращении вала, благодаря наклонной шайбе (или блоку цилиндров), создается возвратно-поступательное движение поршня, которое обеспечивает заполнение и опорожнение цилиндра, как показано на рис. 4. Жидкость, вытесняемая поршнем, подается в нагнетательный контур через отверстия в распределительном диске (окна). Основными местами утечек в аксиально-поршневом насосе являются стык блока цилиндров с распределительным диском, башмак, а также контактная поверхность поршня и цилиндра.

Рис. 4. Основные элементы и принцип работы аксиально-поршневого насоса, используемая для сравнения характеристик пяти гидравлических жидкостей.

В аксиально-поршневом насосе с компенсацией давления угол наклонной шайбы относительно блока цилиндров автоматически регулируется для компенсации изменений давления на выходе насоса. Следует понимать, что компенсация давления снижает объемный КПД насоса, перенаправляя часть выходного расхода в компенсатор.

Мы сравнили объемные потери на компенсацию давления для пяти гидравлических жидкостей, описанных выше. В качестве эталонной жидкости использовалось масло HM46, которое оценивалось в начале, середине и конце цикла испытаний. Средний расход утечки при работе с маслом HBMO оказался на 20% меньше, чем с базовым маслом HM46 (см. рис. 5).

Рис. 5. Расход утечки через корпус и на компенсацию давления в литрах в минуту для пяти гидравлических жидкостей, измеренный в рамках сравнительных испытаний нерегулируемого поршневого насоса. В качестве эталона использовалось масло HM46; оно испытывалось в начале, в середине и в конце испытательного цикла.

Объемные потери для масел HEES46 и HV46 оказались также меньше, чем для базового масла HM46. Объемные потери при работе с маслом HBMO46+FM были несколько выше, чем с базовым маслом HBMO46; возможно, это обусловлено добавлением антифрикционной присадки или другого изменения свойств жидкости. Масло с высоким модулем объемной упругости также позволило сократить потери мощности насоса, однако потери на перекачивание оказались непропорциональны объемным утечкам.

Поршневой насос в закрытой гидросистеме: в закрытой гидросистеме масло подается в гидравлический насос не самотеком, а подпиточным насосом. Закрытые гидросистемы используются главным образом в мобильной технике, поскольку подпитка предотвращает снижение КПД, обусловленное недостаточным количеством масла, поступающего в насос.

При испытании насосов в закрытых гидросистемах было установлено, что объемный КПД зависит от их расхода (см. рис. 6). Объемный КПД снизился примерно на 5%, когда расход утечки через корпус насоса увеличился с 0,55 до 1,05 гал/мин (с 2 до 4 л/мин). Расход утечки в 1 л/мин выглядит не таким уж большим, однако это означает снижение потерь мощности приблизительно на 0,5 кВт, что в результате дает экономию около 95 литров дизельного топлива или 5500 рублей на электрической энергии за 1000 часов наработки.

Рис. 6. Зависимость объемного КПД от утечек через корпус в гидравлической системе закрытого типа.

Шестеренный насос: в шестеренных насосах внешнего зацепления, наиболее широко применяемых объемных гидроприводах, перекачивание жидкости производится путем ее перемещения по периметру ведущей и ведомой шестерен, находящихся в зацеплении между собой (см. рис. 7). Мы сравнили средний КПД 16 шестеренных насосов внешнего зацепления от семи производителей, определяя его по всему диапазону номинального рабочего давления и частоты вращения. Средний объемный КПД 16 насосов был больше при 50 °С, чем при 80 °С для всех насосов (см. рис. 8), однако механический КПД насосов существенно различался в зависимости от модели (см. рис. 9).

Рис. 7. Основные элементы и принцип работы шестеренного насоса внешнего зацепления — наиболее широко используемой объемной гидромашины.

Рис. 8. Средний механический КПД 16 различных шестеренных насосов (от семи производителей), измеренный при 50 и 80 °С во всем диапазоне номинального рабочего давления и частоты вращения.

Рис. 9. Средний объемный КПД 16 различных шестеренных насосов (от семи производителей), измеренный при 50 и 80 °С во всем диапазоне номинального рабочего давления и частоты вращения.

Измерение крутящего момента при различной частоте вращения дало неожиданные результаты. При низком давлении (следовательно, при низком крутящем моменте) гидросистемы работали примерно одинаково при 50 и 80 °С. Однако, при более высоком давлении при температуре 50°С крутящий момент был меньше, чем при 80 °С на всех частотах вращения, вопреки заявлением большинства учебных пособий. Расход насоса в зависимости от давления на выходе был больше при 50 °С, чем при 80 °С, при этом разница была максимальной на более высоком расходе и при более высоком давлении, что соответствует информации из учебников. Все шестеренные насосы имели больший полный КПД при меньшей температуре.

Выводы

Выбор наиболее оптимальной гидравлической жидкости требует оценки нескольких взаимозависимых факторов, включая типоразмер оборудования и условия эксплуатации, такие как температура, давление и максимальная нагрузка. По некоторым параметрам необходим компромисс, позволяющий достигнуть оптимального баланса между надежностью и КПД, а также между механическим и объемным КПД. Различия между исследованными гидравлическими жидкостями в эффективности передачи мощности наиболее выражены при низких частотах вращения, характерных для траншейного или подъемного оборудования, где мощность является наиболее важным фактором.

Источник