Wpływ geometrii elementów roboczych na własności pompy

Badania prototypów pomp typu PWK, wykonywanych na podstawie stopniowo mody-fikowanej dokumentacji, pozwoliły stwierdzić, że jednym z kluczowych czynników decy-dujących o ich własnościach jest wysokość i kształt szczelin między elementami roboczymi (tłoczki, tuleje rozrządu, tuleje prowadzące, mostek rozrządczy). Należało więc określić doświadczalnie optymalne wielkości luzów występujących między tymi elementami. Za-gadnienie to wiązało się ściśle z rozpoznaniem zjawisk zachodzących w trakcie pracy (np.

odkształceń poszczególnych części pracującej maszyny), jak też z opracowaniem technolo-gii wykonywania tych części. Skomplikowana budowa jednostek typu PWK i złożone ru-chy wykonywane przez jej elementy spowodowały, że pełne wyjaśnienie powyższych za-gadnień wymagało wieloletnich prac, podczas których badaniom poddano w sumie kilka-naście prototypów pomp różniących się zarówno wielkością, jak i szczegółami konstrukcji.

Wyniki tych prac przedstawiono dalej w skrócie.

8.2.1.1. Zespół bloku cylindrowego

Pod pojęciem zespołu bloku cylindrowego należy rozumieć zarówno sam blok cylin-drowy, oznaczony na rys. 1.2 numerem 5, jak też pokrywę bloku 8 i środkową część korpu-su 9, zawierającą w sobie główne kanały nisko- i wysokociśnieniowy wraz z gniazdami przyłączeniowymi. W toku opisanych powyżej prac badawczych konstrukcja tego zespołu uległa znacznym zmianom i obecny jej kształt zilustrowano na rys. 8.1.

Rys. 8.1. Zmodyfikowana konstrukcja zespołu bębna cylindrowego

Jak widać, blok cylindrowy połączono ze środkową częścią korpusu, a pokrywę bloku wciśnięto w wykonane w bloku gniazdo. Zmieniono przy tym sposób wykonania głównych kanałów i gniazd przyłączeniowych, eliminując pierścienie uszczelniające między blokiem a środkową częścią korpusu pompy. Zasadniczą przyczyną wszystkich tych zmian było zwiększenie sztywności bloku. Suma obciążeń działających nań podczas pracy powoduje deformację otworów, w których poruszają się tłoczki i tuleje rozrządu. Niedostateczna sztywność bloku o konstrukcji pokazanej na rys. 8.2 była przyczyną szeregu niekorzyst-nych zjawisk, jak: zakleszczanie się tłoczków i tulei rozrządu, czy wzrost przecieków we-wnętrznych na mostku rozrządczym.

Ze względu na skomplikowany kształt poprawionej wersji bloku cylindrowego oraz zło-żony układ działających nań obciążeń analizę odkształceń przeprowadzono metodą elemen-tów skończonych [58]. Opierając się na dostępnej literaturze [21, 23, 36, 62, 64, 65] oraz wynikach pomiarów, wyznaczono obciążenia (mechaniczne i termiczne) działające na blok.

To z kolei pozwoliło na wyznaczenie pola naprężeń występującego w bloku i wywołanych nim odkształceń.

Rys. 8.2. Odkształcenia otworu w bloku cylindrowym pompy obciążonej ciśnieniem 45 MPa [58]

Odkształcenia pojedynczego otworu w bloku cylindrowym, wywołane nakładającymi się obciążeniami mechanicznym i termicznym, pokazano na rys. 8.2. Jak widać, mamy do czynienia zarówno ze wzrostem średnicy i „wyginaniem się” otworu, jak też z jego owali-zacją w płaszczyźnie prostopadłej do osi. Dla założonego ciśnienia tłoczenia – 45 MPa (i ustalonego w czasie pola temperatur) bezwzględna wartość obu tych odkształceń nie przekracza kilku mikrometrów. Ma to duży wpływ na wysokość szczeliny między blokiem a tuleją rozrządu wymaganą dla prawidłowej pracy.

Analiza odkształceń bloku cylindrowego, zaprezentowana w pracy [58], jest począt-kiem prac mających doprowadzić do minimalizacji odkształceń bębna cylindrowego w ob-szarach jego współpracy z tulejkami rozrządu i tłoczkami i w efekcie zacieśnienia pasowań pomiędzy tymi elementami. Zmniejszenie wysokości szczelin powinno znacznie ograni-czyć przecieki (szczególnie przecieki wewnętrzne na mostku rozrządczym) i podnieść sprawność objętościową maszyn typu PWK (por. rozdział 7.2.1).

8.2.1.2. Zespoły tłoczek-stopka

Istotne znaczenie dla uzyskiwanych przez pompę parametrów mają też odkształcenia zespołów tłoczek-stopka hydrostatyczna. Ze względów konstrukcyjnych pasowanie tłocz-ków w otworach prowadzących bloku cylindrowego powinno być ciasne. W przeciwnym razie tłoczki pod działaniem siły promieniowej generowanej przez nachyloną tarczę opo-rową ustawią się skośnie w otworach, a wysunięta ich krawędź wejdzie w styk z we-wnętrzną powierzchnią tulejek rozrządu (patrz rys. 8.3b). W efekcie tulejki zostaną

doci-8.2. Pompy o stałej wydajności 183 śnięte do ścianek otworu co spowoduje znaczny wzrost siły tarcia między tulejką a blokiem cylindrowym i równoczesny wzrost przecieków w szczelinie między nimi. Warunkiem prawidłowej długotrwałej pracy rozrządu krzywkowego jest natomiast minimalizacja sił działających na tulejki, kamienie i krzywkę. W tym celu niezbędne jest zapewnienie tulejce możliwości swobodnego „pływania” bez kontaktu z krawędziami tłoczków (rys. 8.3a), co wymaga precyzyjnego prowadzenia tłoczków w osi otworu.

Rys. 8.3. Wzajemne położenie tłoczków i tulejek rozrządu w pracującej pompie: a) prawidłowe, b) wadliwe wywołane brakiem osiowego prowadzenia tłoczków

Zapewnienie wymaganej osiowości tłoczków utrudnia fakt, że pod wpływem ciśnienia panującego w komorze cylindrowej zmieniają one swą średnicę zewnętrzną. Przeprowa-dzone badania pozwoliły znaleźć zależność pomiędzy ciśnieniem a zmianami wysokości szczeliny w otworach prowadzących. Znajomość tej zależności umożliwia prawidłowy dobór pasowania w tym węźle dla założonego przez konstruktora ciśnienia maksymalnego.

Z wartości luzu między tłoczkiem a otworem prowadzącym wynika natomiast wartość kąta, pod jakim mogą ustawiać się tłoczki w tym otworze. Dzięki temu możliwe jest ustalenie wymaganego pasowania tulejki rozrządu w otworze – tak aby mieć do czynienia z sytuacją pokazaną na rys. 8.3a.

8.2.1.3. Wirnik pompy

Wirnik pompy typu PWK, składający się z wału napędowego 1, osadzonych na nim tarcz oporowych 2 i krzywki sterującej 7 (rys. 1.2), poddany jest działaniu ogromnych sił pochodzących od obciążonych ciśnieniem tłoczków. Siły te powodują jednoczesne rozcią-ganie i zginanie wału. Ze względu na dużą średnicę wału, jego rozciąrozcią-ganie nie pociąga za sobą istotnych skutków (poza nieznacznym wzrostem przestrzeni martwej). Znacznie więk-szym problemem jest natomiast jego wyginanie. Położenie punktu przyłożenia wypadkowej siły osiowej pochodzącej od tłoczków względem osi wału generuje duży moment gnący.

Wygięcie wału (oraz odkształcenia tarcz oporowych) powodują zmniejszanie się skoku wykonywanego przez tłoczki wraz ze wzrostem ciśnienia. W efekcie maleje teoretyczna objętość robocza pompy qtp i natężenie przepływu tłoczonej przez nią cieczy. Dodatkowym efektem wyginania się wału jest pogorszenie warunków pracy łożysk pompy (o ile nie są to łożyska wahliwe) i sprzęgła przekazującego moment od silnika. Zjawiska te zmuszają do projektowania wału o możliwie jak największej sztywności.