Как насос меняет подачу, не меняя оборотов? Наклоняй шайбу, крути блок цилиндров и включай регулятор мощности и LS.
Вал вращает блок цилиндров, в котором по кругу стоят 7–9 поршней. Каждый поршень упирается башмаком в неподвижную наклонную шайбу. Пока блок делает оборот, поршень на одной половине круга выходит из цилиндра и засасывает масло, на другой вдавливается шайбой и выталкивает масло в напорную линию. Если шайбу поставить ровно, поршни перестанут ходить, и подача станет нулевой, хотя вал крутится. Поэтому такой насос может менять подачу на ходу, не трогая обороты двигателя. На этом построены почти все современные экскаваторы.
Угол задает ход поршней, ход задает рабочий объем, рабочий объем и обороты дают подачу. Регулятор следит, чтобы подача, умноженная на давление, не превысила мощность двигателя. Числа под формулами из опыта.
Сколько масла за один оборот?
Каждый поршень за оборот проходит ход h = D · tg α и вытесняет объем Sп · h. Поршней z, складываем все.
Какая будет подача?
За минуту вал делает n оборотов, и каждый дает q. Часть масла утекает через зазоры поршней, и чем выше давление, тем больше. Поэтому множим на объемный КПД.
Как насос бережет двигатель?
Гидравлическая мощность N = p · Q / 600 (кВт, если p в барах, Q в л/мин). Регулятор мощности уменьшает угол, когда давление растет, чтобы произведение не превысило предел. LS-регулятор вместо этого держит давление насоса чуть выше давления нагрузки.
Поршень сверху блока упирается в шайбу в точке, которая выше оси на D/2. Шайба наклонена на угол α, значит эта точка сдвинута вдоль вала на (D/2) · tg α. Поршень снизу сдвинут на столько же в другую сторону.
Через пол-оборота верхний поршень оказывается внизу. Значит, он прошел расстояние между двумя крайними точками: 2 · (D/2) · tg α = D · tg α. Это и есть ход.
Почему регулятор держит p · Q постоянным? Двигатель отдает ограниченную мощность. Если насос возьмет больше, обороты упадут и двигатель заглохнет. Гипербола p · Q = const на графике: при малом давлении полная подача (быстро), при большом малая подача (медленно, но с силой). Как стартовать самосвалом на пониженной передаче.
У Komatsu PC4000 четыре одинаковых главных насоса на общем редукторе, вместе до 4140 л/мин. У Liebherr R 9400 четыре насоса рабочего оборудования по 751 л/мин и еще два на поворот.
Двигатель экскаватора на 1250–1400 кВт. Регулятор следит за давлением и оборотами и не дает насосам забрать больше мощности, чем двигатель может отдать на этой высоте и температуре.
На машинах с LS-системой насос дает ровно столько масла, сколько просят цилиндры. На холостом ходу шайба почти ровная, и топливо не тратится на прокачку масла через клапаны.
Насос с наклонной шайбой, соединенный с гидромотором, дает бесступенчатую передачу. Так устроен ход бульдозеров, катков и некоторых погрузчиков.
Изношенный насос дает меньше масла при высоком давлении: растут утечки. Механик меряет расход на стенде или по времени подъема стрелы и сравнивает с паспортом.
Зазор поршня в цилиндре 10–20 мкм, башмака на шайбе еще меньше. Частицы такого размера царапают пары трения, и насос теряет подачу. Подробно в теме 5.6.
Насос 9 × ⌀ 24 мм на окружности 80 мм, наибольший рабочий объем около 106 см³/об: это насос среднего экскаватора, на карьерных машинах они в несколько раз больше. Объемный КПД задан как 1 − 0,00017 · p, утечки при 300 бар около 5 %. Регуляторы идеальные и срабатывают мгновенно; в жизни у регулятора мощности ломаная характеристика из двух пружин, а у LS есть свой ограничитель давления. Механический КПД не учтен: мощность на валу больше гидравлической на 5–10 %. На разрезе блок цилиндров нарисован в проекции, поршни на задней половине показаны бледнее.