Zmiana wydajności przez zmianę fizycznego skoku tłoczków

Metoda ta stosowana jest powszechnie w obu typach jednostek z rozrządem czoło-wym. Opierając się na równaniu ruchu tłoczka 2.2, łatwo stwierdzić, że decydujące zna-czenie ma kąt nachylenia tarczy wychylnej bądź korpusu wychylnego  (rys. 2.3 i 2.4).

Zmieniając położenie kątowe tych elementów, zmieniamy wartość fizycznego skoku wykonywanego przez tłoczki, co pozwala sterować wydajnością maszyny. Co więcej, położenie kątowe tarczy wychylnej lub wirnika może być zmieniane w obu kierunkach względem położenia „zerowego” (prostopadłego do osi wału). Pozwala to na zmianę kierunku tłoczenia pompy przy zachowanym stałym kierunku obrotów jej wału napędo-wego (lub na pracę nawrotną silnika). Znajduje to szerokie zastosowanie w przekładniach o obiegu zamkniętym.

6.3. Zmiana wydajności w jednostkach z rozrządem czołowym 115 W przypadku jednostek o zmiennej wydajności (chłonności) istotne znaczenie mają charakterystyki procesu sterowania, tj. zależność pomiędzy zmianami wartości sygnału sterującego a odpowiadającymi im wartościami odpowiedzi układu. W omawianym przy-padku jest to zależność pomiędzy kątem wychylenia tarczy lub wirnika a zmianami wydaj-ności maszyny. Najkorzystniejszym przypadkiem jest oczywiście zależność ściśle liniowa, ułatwiająca konstrukcję układu regulacji. W przypadku jednostki z wychylną tarczą, stero-waną w omawiany powyżej sposób, mamy do czynienia z nieliniową zależnością:

max

gdzie: max – maksymalna wartość kąta wychylenia tarczy, Qmax – wydajność osiągana przy  = _max.

Do oceny różnic pomiędzy uzyskiwaną charakterystyką sterowania a idealną liniową duże znaczenie ma jednak występujący w praktyce zakres zmian kąta . Dzięki wieloletnim doświadczeniom producentów takich jednostek wiadomo, że kąt max nie powinien przekra-czać 18. Wynika to z warunków współpracy tłoczka, obciążonego momentem gnącym, z otworem prowadzącym w bloku cylindrowym. Wzrost kąta  powyżej 18 może spowo-dować wzrost nacisków na krawędziach otworu i tłoczka i zanik filmu olejowego pomiędzy nimi. Dla tak określonego przedziału zmienności kąta  kształt funkcji tg niewiele różni się od liniowego. Maksymalne odchyłki od liniowości nie przekraczają 2,5%.

Warunki pracy tłoczków w jednostkach z wychylnym korpusem są odmienne. Tłoczki nie są obciążone momentem gnącym, a jedynie siłą osiową. Pozwala to zwiększyć wartość kąta _max, granicę tego wzrostu wyznaczają jedynie warunki przenoszenia momentu obro-towego pomiędzy wałem napędowym a wirnikiem. Spotykane obecnie wartości kąta max

sięgają w jednostkach o zmiennej wydajności 2530. Dla takiego zakresu zmienności kąta wychylenia różnice pomiędzy funkcją tg a linią prostą stają się bardziej widoczne. Nie przekraczają one jednak 8%, co pozwala stwierdzić, że omawiany sposób sterowania za-pewnia w obu przypadkach korzystny kształt charakterystyki sterowania.

6.3.1.1. Obciążenia działające na elementy mechanizmu zmiany wydajności

W obu omawianych powyżej przypadkach elementy służące do zmiany (tarcza wy-chylna lub zespół wirnika i kolektora czołowego) są obciążone siłami pochodzącymi od poszczególnych tłoczków. Ze względu na bardzo wysokie ciśnienie (40 MPa i powyżej) działające na tłoczki znajdujące się po stronie tłocznej suma składowych osiowych tych sił może uzyskiwać znaczne wartości – w dużych maszynach sięgające wielu ton. Siła ta jest przenoszona przez zespół łożyskowania elementów wychylnych. Niskie prędkości kątowe występujące w tym węźle i ograniczony do kilkudziesięciu stopni maksymalny kąt wychyłu ułatwiają jednak znacznie konstrukcję tego zespołu.

Dużo poważniejszym problemem jest za to wypadkowy moment działający na oma-wiany mechanizm. Siły pochodzące od poszczególnych tłoczków zmieniają swą wartość w zależności od fazy cyklu, w którym znajduje się dany tłoczek, zmieniają też punkt przy-łożenia ze względu na ruch wykonywany przez tłoczki względem tarczy. Zmianom ulega też liczba tłoczków znajdujących się jednocześnie w danej fazie. Zjawiska te zilustrowano na rys. 6.2 i 6.3 na przykładzie tarczy oporowej w pompie z wychylną tarczą, wyposażonej w 7 tłoczków. Rysunek 6.2 przedstawia 3 kolejne fazy przemieszczania się tłoczków względem tarczy.

Rys. 6.2. Kolejne fazy przemieszczania się tłoczków względem tarczy oporowej

Tarcza może się wychylać względem osi poziomej, co oznacza, że oś pionowa dzieli ją na połówki odpowiadające stronie ssawnej (niskociśnieniowej) i tłocznej (wysokociśnienio-wej). W chwili a) tłoczek oznaczony literą A znajduje się pod koniec fazy ssawnej i zbliża się do mostka rozrządu. Oznacza to, że po stronie tłocznej znajdują się w danej chwili 3 tłoczki (zakreskowane), a po stronie ssawnej – 4. Kolejna sytuacja b) odpowiada dokładnie chwili przechodzenia tłoczka A przez mostek rozrządu. Liczba tłoczków po stronie ssawnej i tłocznej jest równa 3, podczas gdy tłoczek A znajduje się w fazie przejściowej (gwałtow-nego wzrostu ciśnienia). Ostatnia faza c) rozpoczyna się w chwili, gdy ciśnienie działające na tłoczek A zrówna się z ciśnieniem tłoczenia. Liczba tłoczków po stronie tłocznej wynosi zatem 4, a po stronie ssawnej – 3. Stan ten utrzymuje się do chwili powtórzenia się sytuacji pokazanej na rys. a) z kolejnym tłoczkiem zajmującym miejsce tłoczka A.

Mamy więc do czynienia ze zjawiskiem cyklicznej zmiany liczby tłoczków znajdują-cych się w fazach ssawnej i tłocznej. Jest to wynikiem stosowania we wszystkich maszy-nach nieparzystej liczby tłoczków. Dodatkowo, ze względu na maszy-nachylenie płaszczyzny tarczy względem osi obrotu wirnika, trajektoria tłoczków ma kształt eliptyczny. Wynikiem opisanych powyżej zjawisk jest działanie na tarczę dwóch momentów wypadkowych Mx

i My obracających tarczę względem prostopadłych osi x i y. Rozwiązując równania postaci:

)

otrzymujemy przebiegi zmian obu momentów działających na tarczę w funkcji kąta obrotu wału napędowego. Kształty uzyskanych w ten sposób przebiegów momentu Mx, wyznaczo-ne przy założeniu ntl = 7 i ntl = 9, pokazano na rys. 6.3 [56].

Jak widać, wartości momentu w obu przypadkach zmieniają się cyklicznie, przy czym okres tych zmian jest równy połowie podziałki kątowej tłoczków . Wartości uzyskiwane przez składową Mx są znaczne. Składowa ta jest w całości przenoszona przez układ łożysku-jący tarczę i pomimo dużej wartości nie stwarza ona większych problemów konstruktorom.

Kształt przebiegów składowej My, działającej w płaszczyźnie prostopadłej do Mx od-powiada ściśle pokazanym powyżej przebiegom Mx. Składowa My przyjmuje jednak

znacz-6.3. Zmiana wydajności w jednostkach z rozrządem czołowym 117 nie mniejsze wartości. Pomimo to jest ona dla konstruktorów źródłem poważniejszych problemów, gdyż momentu działającego w tej płaszczyźnie nie może przenieść układ łoży-skowania tarczy. Przenosi się on w całości na mechanizm sterujący jej położeniem.

W miarę wzrostu ciśnienia w kanałach maszyny rośnie więc moment niezbędny do utrzy-mania tarczy w określonym położeniu, tzw. moment ustalający [8]. Jeszcze większy mo-ment wymagany jest do przesterowania tego mechanizmu, trzeba bowiem dodatkowo po-konać siły tarcia, bezwładności i siły wywołane zjawiskiem żyroskopowym (w jednostce z wychylnym korpusem). Przykładowe wartości dla pompy Rexroth A2V pokazano na rys.

6.4 [57]. Oznacza to istotną komplikację tego mechanizmu, w praktyce mającego postać serwomechanizmu hydraulicznego z siłownikiem (jednym lub kilkoma) sterowanym za pomocą rozdzielacza nadążnego lub proporcjonalnego. Konstrukcja taka zwiększa zarówno gabaryty pompy lub silnika, jak również koszt ich wytwarzania. Co więcej, zastosowanie serwomechanizmu hydraulicznego komplikuje układ, w którym jednostka taka ma znaleźć zastosowanie, wymaga on bowiem niezależnego źródła zasilania cieczą pod ciśnieniem.

Nie może być nim pompa sterowana za pomocą tego serwomechanizmu. W efekcie po-wstaje konieczność stworzenia dodatkowego obiegu cieczy sterującej, zasilanego oddzielną pompą pomocniczą wraz z całym niezbędnym osprzętem.

Rys. 6.3. Przebieg zmian momentu Mx w funkcji kąta obrotu wału [56]

Rys. 6.4. Siły niezbędne do sterowania wydajnością pomp typu Rexroth A2V

Dla porządku należy dodać, że istnieje trzecia składowa momentu Mz, działająca w płaszczyźnie tarczy, a wywołana siłami tarcia pomiędzy współpracującymi elementami.

Wartości przyjmowane przez tę składową przy prawidłowo zaprojektowanym podparciu hydrostatycznym tłoczków są jednak niewielkie, podobnie jak amplituda jej zmian. Ponie-waż moment ten przenoszony jest w całości przez reakcje w łożyskach, nie ma on istotnego wpływu na funkcjonowanie maszyny.

6.3.1.2. Wpływ kąta wychylenia tarczy na zjawiska niepożądane

Przy porównaniu rozmaitych sposobów zmiany wydajności istotnym kryterium oce-ny jest ich wpływ na omówione w rozdziale 5 zjawiska niepożądane, takie jak: kinema-tyczna i dynamiczna nierównomierność przepływu, straty energetyczne wywołane ści-śliwością cieczy oraz hałaśliwość. Sterowanie wydajnością poprzez zmianę kąta wychy-lenia tarczy oporowej lub wirnika nie ma żadnego wpływu na kinematyczną nierówno-mierność przepływu. Łatwo zauważyć, że przebieg chwilowej wydajności każdej komory cylindrowej zachowuje stale ten sam sinusoidalny charakter, zmianie ulegają jedynie wartości Qkmax. Przebieg wydajności sumarycznej nie zmienia również kształtu, z czym wiąże się stała wartość współczynnika _Q. Istotny jest też fakt, że dla dowolnej nastawy momenty przejścia danej komory przez mostek rozrządu pokrywają się zawsze ze zwrot-nymi położeniami tłoczków. Oznacza to bliską zeru ich prędkość, dzięki czemu objętość komory cylindrowej w chwili przesterowania jest praktycznie niezmienna. Eliminuje to zjawiska dynamiczne, nieuniknione w sytuacji przesterowywania komór o zmieniającej się objętości (por. rozdział 6.3.2.2).

Mniej korzystnie wygląda natomiast zagadnienie wpływu procesu zmiany wydajności na zjawiska energetyczne spowodowane ściśliwością cieczy. Zgodnie z wynikami analizy przed-stawionej w rozdziale 5.2.2, zmniejszanie wydajności przy wysokim ciśnieniu powoduje szybki wzrost względnych strat energetycznych (rys. 5.7). Zjawisko to stanowi jedną z barier w dalszym rozwoju pomp i silników wielotłoczkowych osiowych wyposażonych w rozrząd czołowy. Zjawiska dynamicznej nierównomierności przepływu oraz hałaśliwości wiążą się ściśle z zagadnieniem strat energetycznych, wywołanych ściśliwością cieczy roboczej w prze-strzeni martwej (por. rozdział 5.3). Oznacza to, że redukcja wydajności powoduje również nasilenie obu tych zjawisk. W chwili obecnej pompy i silniki omawianego typu są powszech-nie uważane za najbardziej hałaśliwe, co stanowi jedną z głównych ich wad.