Zjawiska zachodzące podczas zmiany wydajności

 



  



kl

xk

Q

Q _max cos tan , (6.26)

i będzie ona miała w tym przedziale charakter nieliniowy. Z punktu widzenia konstruktora pożądany byłby natomiast liniowy przebieg charakterystyki sterowania wydajnością pompy.

Rys. 6.16. Zależność pomiędzy przemieszczeniem osiowym krzywki LW1 a zmianami wydajności jednostki F2L3F

Opisana zasada sterowania wydajnością nie daje możliwości zmiany kierunku tłocze-nia. W miarę przesuwania krzywki efektywny skok tłoczków x^t_tl maleje zgodnie z zależ-nością 6.21. Wyjście poza zakres liniowości zarysu krzywki może co najwyżej spowodo-wać redukcję wydajności maszyny do zera (gdy x_k > sk), czyli stałe połączenie wszystkich komór cylindrowych z tym kanałem maszyny, w kierunku którego przesunięto krzywkę.

Dalsze przesuwanie krzywki nie spowoduje już żadnych zmian. Znaczenia nie ma też kie-runek przesunięcia krzywki: w kierunku kanału nisko- czy wysokociśnieniowego. W obu przypadkach efektem będzie bowiem redukcja wydajności pompy (chłonności silnika) przebiegająca wg tej samej zależności. Oznacza to, że jednostka z wydajnością sterowaną przez przesunięcie osiowe krzywki nie nadaje się do pracy nawrotnej (np. w przekładni z obiegiem zamkniętym). Dla jednostki mniejszej uzyskano analogiczne rezultaty, przy czym granicę liniowej części zarysu uzyskujemy po przesunięciu krzywki o 3,35 mm.

6.4.2.3.3. Zjawiska zachodzące podczas zmiany wydajności maszyny

Jak już wspomniano, sterowanie wydajnością maszyny przez osiowe przesunięcie krzywki powoduje zwiększone skoki ciśnienia w zaślepionej komorze cylindrowej. Wynika to z faktu, że w momencie przechodzenia okna rozrządu przez mostek tłoczki poruszają się względem siebie ze znacznie większą prędkością niż w maszynie o stałej wydajności (lub nastawionej na maksymalną wydajność), kiedy to znajdują się w sąsiedztwie punktów zwrotnych. Chcąc przeanalizować różnicę między maszynami o stałej i zmiennej wydajno-ści, wzięto pod uwagę opisane powyżej jednostki: małą E2L3F i dużą F2L3F. W dotych-czasowych rozważaniach przyjmowano stałą wartość kąta zaślepienia s = 1. Ze względu na opisane zjawiska dynamiczne założono mniejsze niż dotychczas wartości dodatniego przekrycia na mostku rozrządczym b_m. Wynoszą one dla jednostki E2L3F 0,05 mm, a dla

F2L3F 0,08 mm. W przypadku maszyn z krzywką H100 (E2H3F i F2H3F) podane powyżej parametry odpowiadałyby wartościom kąta zaślepienia komory s = 0,56 w jednostce mniejszej i 0,44 w większej (wzór 2.16). Ze względu na niższą prędkość przejścia tulei przez mostek, zapewnianą przez krzywkę o zarysie LW1, kąt zaślepienia przy tym samym przekryciu wzrasta jednak do 1,10 w jednostce E2L3F i 0,89 w F2L3F. Dalsze zmniej-szanie przekrycia na mostku grozi jednak szybkim wzrostem przecieków wewnętrznych i spadkiem sprawności maszyny. Kolejnym parametrem mającym wpływ na analizowane zjawiska jest wielkość przestrzeni martwej. Bazując na rezultatach zamieszczonych w roz-dziale 4.3.2, przyjęto, że całkowita objętość przestrzeni martwej uwzględniająca także zmianę kształtu zakończeń tłoczków wynosi w jednostce mniejszej 12,2% objętości skoko-wej, a w większej – 13,5%. Opierając się na powyższych założeniach, wyznaczono przebie-gi względnych zmian objętości zaślepionej komory cylindrowej w funkcji nastawy wydaj-ności maszyn. Przebiegi te wyznaczono oddzielnie dla przypadku przechodzenia komory cylindrowej z fazy ssania w fazę tłoczenia oraz dla jej przechodzenia z fazy tłoczenia w fazę ssania, uwzględniając zmieniającą się objętość komory. Rezultaty przedstawiono na rys. 6.17.

Rys. 6.17. Względne zmiany objętości komory cylindrowej jednostki E2L3F w czasie jej zaślepienia

Jak widać, względne zmiany objętości komory cylindrowej znajdującej się w fazie za-ślepienia podczas przechodzenia z fazy tłocznej w ssawną są znacznie wyższe niż w przy-padku przejścia z fazy ssawnej w tłoczną. Wynika to z faktu, że objętość zaślepionej komo-ry jest w pierwszym przypadku dużo niższa niż w drugim, podczas gdy bezwzględne zmia-ny objętości tych komór (przemieszczenie tłoczków) mają dla obu przypadków taką samą wartość. Maksymalne wartości uzyskane w trakcie analizy wynoszą dla jednostki E2L3F 2,59% (pod koniec fazy tłocznej przy nastawie p = 0,8) i 1,54% w przeciwnej fazie przy p

= 0. Jednostka większa F2L3F charakteryzuje się mniejszymi zmianami objętości, odpo-wiednio: 1,94% i 1,195%, lecz identycznym kształtem uzyskanych przebiegów. Są to w obu przypadkach wartości duże. Dla porównania należy podać, że w pompie o stałej wydajności zmiany objętości wynoszą 0,016% podczas przejścia z fazy tłocznej w ssawną i 0,0017%

podczas przejścia z fazy ssawnej w tłoczną, są więc o kilka rzędów wielkości mniejsze od maksimów występujących w analizowanej jednostce.

6.4. Zmiana wydajności w jednostkach z rozrządem sterowanym krzywką 137 Kierunek przesuwania krzywki ma w tym przypadku istotne znaczenie. Szczegółowo analizując przebieg zjawisk, przedstawiony na rys. 6.10, można stwierdzić, że przesunięcie krzywki w kierunku kanału ssawnego spowoduje, że chwile przejścia tulejki rozrządu przez mostek wypadną w fazie zbliżania się tłoczków do siebie. Oznacza to, że zaślepiona komo-ra będzie zmniejszała swą objętość w tkomo-rakcie obu rozpatrywanych przejść. Przesunięcie krzywki w przeciwną stronę, czyli w kierunku kanału tłocznego, odwróci przebieg zjawi-ska, tj. momenty przejścia nastąpią podczas oddalania się tłoczków od siebie, a objętość zaślepionej komory będzie rosła. Zmniejszanie objętości wypełnionej olejem, zaślepionej komory musi wywołać gwałtowny wzrost ciśnienia, szczególnie silny podczas przechodze-nia z fazy tłocznej w ssawną. Wywoła to cały szereg niekorzystnych zjawisk, jak: wzrost momentu na wale maszyny, odkształcanie się jej elementów i podwyższony poziom hałasu.

W przypadku zwiększania objętości komory dojdzie w niej do spadku ciśnienia i wywoła-nych nim zjawisk kawitacji i podwyższonej hałaśliwości pompy. Skoki ciśnienia będą mia-ły jednak znacznie łagodniejszy charakter (ciśnienie bezwzględne nie może spaść poniżej zera), co poważnie ograniczy wymienione powyżej szkodliwe zjawiska. Dlatego też kon-struując maszynę o zmiennej wydajności, należy przyjąć, że krzywka powinna być zawsze przesuwana w kierunku kanału wysokociśnieniowego.

Rys. 6.18. Zmiany prędkości przepływu w oknie rozrządu dla różnych nastaw wydajności

Kolejnym niekorzystnym zjawiskiem wywołanym przez tłoczki poruszające się względem siebie w momentach przejścia tulejki przez mostek jest wzrost prędkości prze-pływu w oknie rozrządu w początkowej fazie otwierania lub końcowej fazie zamykania tego okna. Wiąże się z tym zwiększona wartość spadku ciśnienia generowanego przez mechanizm rozrządu. Przebiegi zmian prędkości przepływu dla rozmaitych wartości prze-sunięcia krzywki pokazano na rys. 6.18. Wyniki te uzyskano przy identycznych jak powy-żej założeniach konstrukcyjnych dla mniejszej jednostki E2L3F. Przebiegi dla jednostki F2L3F mają ten sam kształt, przy czym osiągane wartości prędkości przepływu są w każ-dym punkcie wyższe o ok. 30%.

Jak widać, sterowanie wydajnością pociąga za sobą gwałtowne skoki prędkości prze-pływu w oknach rozrządu, czego rezultatem są analogiczne skoki ciśnienia w komorze cylindrowej. W zależności od kierunku przepływu cieczy (faza ssawna lub tłoczna), spadek ciśnienia w oknie będzie powodował przyrost lub obniżkę ciśnienia w komorze. Zjawisko to nałoży się na opisane wcześniej skoki ciśnienia w zaślepionej komorze, przy czym w

za-leżności od fazy, w jakiej znajduje się komora cylindrowa, kierunku obrotów wału i kie-runku przesunięcia krzywki oba te zjawiska będą się nawzajem wzmacniać lub osłabiać.

Dokładne wyznaczenie przebiegu ciśnienia w komorze cylindrowej wymagałoby przepro-wadzenia szeroko zakrojonej analizy dynamicznej, uwzględniającej własności sprężyste cieczy roboczej i elementów tworzących komorę cylindrową, parametry pracy maszyny (ciśnienia w kanałach ssawnym i tłocznym), rodzaj pracy (pompowa czy silnikowa) oraz geometrię szczelin i zjawiska termiczne związane ze stratami energetycznymi. Ze względu na konstrukcję maszyn typu PWK bezpośrednie pomiary tego ciśnienia napotykają na po-ważne trudności techniczne. Badania prototypów tych maszyn dostarczyły jednak danych, świadczących o stosunkowo dużych skokach ciśnienia w komorach cylindrowych maszyn o zredukowanej wydajności.

Wszystkie zaprezentowane wyniki otrzymano dla założonych wartości dodatniego przekrycia na mostku rozrządczym b_m. Jest oczywiste, że zmniejszenie przekrycia spowo-duje spadek względnej zmiany objętości zaślepionej komory, przy czym zależność pomię-dzy tymi wartościami jest praktycznie liniowa. Oznacza to możliwość ograniczenia lub nawet całkowitej eliminacji (przy przekryciu zerowym lub ujemnym) zmian objętości za-ślepionej komory. Całkowita eliminacja skoków prędkości przepływu w zamykającym lub otwierającym się oknie jest jednak niemożliwa, nawet przy ujemnych wartościach przekry-cia na mostku (por. rys. 6.7). Zmniejszenie przekryprzekry-cia jest w stanie zredukować maksymal-ne wartości prędkości, jednak ogólny przebieg zjawisk pokazanych na rys. 6.18 pozostanie bez zmian. Odbywać się to będzie natomiast kosztem wzrostu przecieków wewnętrznych na mostku, szczególnie gwałtownego w przypadku przekrycia ujemnego. Konieczne jest więc znalezienie metody pozwalającej kompensować skoki ciśnienia w przesterowywanej komorze cylindrowej. Niezależnie od tego należy wyznaczyć optymalną wartość przekrycia na mostku. W praktyce będzie to wymagało przeprowadzenia szczegółowej analizy zależ-ności przebiegu opisywanych zjawisk dynamicznych od parametrów konstrukcyjnych pompy i potwierdzenia wyników tej analizy przez odpowiednie badania prototypów.