Краткий обзор основных типов гидросистем, применяемых в современных мобильных машинах

1.1. Виды гидросистем

Все возрастающие требования к регулирующим характеристикам, экономичной работе и надежности мобильных машин устанавливают но­вые требования к гидравлическим системам и их основным компонен­там. С одной стороны, они должны удовлетворять экстремальным ра­бочим условиям: гидравлическим ударам, перегрузкам, высоким и низким температурам. С другой стороны, требуется большая точ­ность, приспособляемость и аккуратность три выполнении рабочих процессов.

Гидросистемы, применяемые в современных машинах, их конструкция определяется функциональными особенностями машины, ее рабочими характеристиками и общей стоимостью. В настоящее время находят широкое применение следующие основные виды гидросистем:

- системы с постоянным давлением СПД;

- системы с постоянным расходом СПР;

- системы, чувствительные к нагрузке СЧН.

Отличие одной от другой системы в конструкции и взаимодействии компонентов, через их характеристики управления и возмож­ность выполнять несколько функций одновременно.

Эти системы также отличаются друг от друга экономичностью в работе, зависящей от выполняемых технологических циклов. Для всех трех систем энергозатраты зависят от рабочего процесса, степени использования мощности насоса и взаимодействия между однов­ременно выполняемыми функциями, однако для всех систем характерны неизбежные потери гидравлической энергии, которые наблюдаются при опускании груза.

Виды гидросистем

Система постоянного Система постоянного Системы, чувствительные
расхода СПР давления СПДк нагрузке СЧН

Переменное давление Р

переменный расход Q

1.2 Гидросистемы постоянного расхода (СПР)

К ним относят гидросистемы, в которых расход рабочей жидкос­ти при определенной скорости двигателя является постоянным до тех пор, пока давление адаптировано к данным требованиям. В этих системах (рис. 1) могут быть два различных типа гидрораспределителя:

- с открытым центром в исходной позиции;

- с закрытым центром в исходной позиции.

Они обеспечивают совершенно разные характеристики управления. Системы с открытым центром чаще используются в мобильных ма­шинах. Они достаточно просты и малочувствительны к загрязнениям. Гидравлическая жидкость, которая не поступает к гидродвигателю, подается насосом через открытый центр распределителя в гидробак.

При одновременном подъеме нескольких грузов давление, развиваемое насосом, определяется наибольшей нагрузкой. Поэтому однов­ременно выполняемые функции реализуются примерно при одном и том же требовании к давлению или должны быть распределены между нес­колькими гидравлическими контурами в порядке минимизации их вза­имного влияния. Последнее обеспечивает экономичный режим при ра­боте данной гидросистемы. Система считается экономичной, если мощность насоса используется максимально. В связи с этим очень важно правильно выбрать насос.

Системы с закрытым центром отличаются тем, что рабочая жидкость возвращается в бак через переливной клапан с регулятором. Это означает, что разность давлений между насосом и наибольшей нагрузкой может быть всегда установлена постоянной. Подача жидкости к наиболее нагруженному гидродвигателю не зависит от величины нагрузки.

Рабочие характеристики

При ручном управлении гидросистем с открытым центром нет линейной между скоростью перемещения нагрузки и положением рукояти управления. На это влияют подача насоса, размеры нагруз­ки, направление ее движения, а также направление движения других исполнительных механизмов при одновременно выполняемых операциях.

Адаптируя золотники к выполняемым функциям и увеличивая среднее давление, можно значительно улучшить характеристики одновременно выполняемых операций. Однако чем больше величина среднего давления, тем ближе данная гидросистема к системе постоянно­го давления.

В гидросистеме постоянного расхода с гидравлическим пропорциональным управлением распределители к тому же компенсированы по давлению, в результате чего регулируемый поток остается посто­янным при определенном положении рукоятки управления и практически не зависит от изменения давления. Это обеспечивает больший ди­апазон регулирования и незначительное взаимное влияние между од­новременно выполняемыми операциями.

Характеристики систем постоянного расхода с закрытым центром в большей степени независимы от подачи насоса. Максимальный расход может регулироваться при выполнении отдельных функций, кото­рые могут быть компенсированы по давлению. И на их исполнение не влияют одновременно выполняемые рабочие операции.

Системы с закрытым центром имеют неплохие характеристики, как и системы, чувствительные к нагрузке, однако с худшими экономическими показателями.

Гидросистемы постоянного расхода с открытым центром используются в мобильных машинах, где требуются несложные гидроагрегаты и умеренные требования к согласованности одновременно выполняемых функций. Обычно эта система недорогая. Система с закрытым центром имеет преимущества при более жестких требованиях, предъявляемых к рабочим характеристикам.

Для широко распространенных гидросистем постоянного расхода характерно использование в качестве источников питания простых и сравнительно недорогих насосов постоянного рабочего, объема. Такие системы экономически выгодны для потребителей, не требующих одновременной работы во взаимозависимых скоростных режимах. Для обеспечения независимой работы нескольких исполнительных механизмов и регулирования их скорости потребители подключаются к раз­личным насосам или же применяются делители потока.

В этом случае проявляются недостатки гидросистем постоянного расхода, связанные с потерями мощности из-за различной загрузки потребителей, определяемой выражением:

где ∆N - потери мощности, кВт;

P_{n max} - давление, определяемое наиболее загруженным

потребителем, МПа;

P_1n - давление, определяемое загрузкой 1-го потребителя, МПа

Q_1n - расход жидкости через 1-потребитель, м³/с.

Очевидно также, что при использовании дроссельных регулято­ров в сочетании с делителями потока ( для плавного регулирования скорости) в данных системах имеют место дополнительные потери мощности.

1.3. Гидросистемы постоянного давления (СПД)

СПД - это гидросистема (рис.2), в которой давление поддерживается постоянным, а подача жидкости может изменяться как угодно. Она проста по конструкции и не имеет сложных узлов. В наиболее простом виде СПД реализуется при использовании насоса постоянного рабочего объема и переливного клапана. Потери мощности в этом случае относительно велики и могут быть рассчитаны:

где Р_к - давление настройки переливного клапана, МПа;

Q_H - подача насоса, м³/с.

Потери мощности в данном случае зависят как от недогрузки потребителей по давлению, так и от недоиспользования расхода рабочей жидкости. Указанные причины ограничивают применение систем такого типа только для привода маломощных потребителей (механизм управления коробкой передач, управление тормозами и т.д.).

В современных гидросистемах может использоваться насос с переменной подачей (регулируемый), что позволяет устанавливать постоянное давление. Величина давления определяется суммарной подачей жидкости для одновременно выполняемых функций. Система малочувствительна к потерям давления, так как оно всегда соотносится с ограничением мощности машины.

Разгруженные гидросистемы постоянного давления

В простых СПД максимальное давление устанавливается постоянным. Это означает, что во время движения небольшие утечки жидкос­ти через золотники могут вызвать самопроизвольное движение выход­ного звена гидродвигателя. Регулируя насос посредством сигнала от распределителя, возможно получить давление разгрузки в состоянии покоя. Насос создает максимальное давление настолько быстро, насколько быстро срабатывает золотник. Эта гидросистема устраняет проблему с самопроизвольным движением выходного звена гидродвигателя. Данная система может работать с разным уровнем давления.

Более низкое давление устанавливается при выполнении таких опера­ций, где умеренные требования, и более высокое - для тяжелонагруженных режимов работы.

Рабочие характеристики

При использовании удачно выбранных распределителей система постоянного давления имеет неплохие рабочие характеристики и нет взаимовлияния одновременно выполняемых операций. Эта система обычно имеет хорошие антикавитационные характеристики. Это зна­чит, что опускание груза может перейти в движение подъема без какой-либо задержки по времени.

Максимальная скорость выполнения каждой операции определяет­ся конструкцией золотника и величиной давления, определяемой нагрузкой. Обычно распределители (Monsun-Tison) гидравлическим и электрогидравлическим пропорциональным дистанционным управлением имеют компенсацию по давлению.

Если расход жидкости в системе превышает возможность насоса, то постоянный уровень давления установить нельзя.

1.4. Гидросистемы, чувствительные к нагрузке (СЧН)

(Load sensing system, LS)

В данных гидросистемах и давление, и расход рабочей жидкости регулируются так, как это требуют условия эксплуатации. Гидрораспределитель изменяет подачу насоса согласно поступающему сиг­налу от нагрузки, так что разность давлений между насосом и гидролинией, по которой поступает сигнал нагрузки, остается постоянным. Таким образом, давление, развиваемое насосом, определяется наибольшей нагрузкой. Эта система относится к СЧН (рис. 2).

Гидросистема постоянного расхода с закрытым центром иногда может быть отнесена к СЧН. Однако понятие "чувствительность к нагрузке" (LS) обычно применяется для гидросистем с регулируемым насосом и специальными распределителями, чувствительными к нагрузке.

Данная система более прогрессивна, чем вышерассмотренные, и поэтому предъявляются более высокие требования к технологии изготовления. Сочетание хороших рабочих характеристик и высокой эффективности определяется специальной конструкцией золотников, которые должны сами адаптироваться к соответствующим выполняемым функциям. В СЧН, так же как и СПД, одновременно выполняемые функции будут реализовываться при одном и том же давлении. Для полу­чения более экономичной работы гидросистему, чувствительную к нагрузке, желательно разделить на несколько подсистем. Конструк­ция машины, в которой используется СЧН, должна быть достаточно жесткой, так как постоянно изменяющееся давление может вызвать в ней колебательные процессы.

СЧН могут иметь разные конструктивные особенности. В некото­рых из них сигнал от нагрузки поступает через клапан "ИЛИ" (shuttle valve), в других - через обратные клапаны. Например, в стандартных гидрораспределителях фирмы " Monsun-Tison " имеется специальная система сигнала нагрузки, что позволяет рабочей жид­кости циркулировать в гидролинии сигнала нагрузки (load signal line) без ее отбора из гидродвигателя. Это конструктивное решение позволяет насосу реагировать достаточно быстро при изменении дав­ления, особенно это важно в том случае, когда рабочая жидкость еще холодная.

Используемые регуляторы насоса могут также отличаться друг от друга. Некоторые из них не расходуют рабочую жидкость из кон­тура сигнала нагрузки. Другие имеют специальный дроссель, через который рабочая жидкость поступает в гидробак. В этом случае име­ет место небольшой расход жидкости. Имеются также и другие вари­анты питания гидролинии сигнала нагрузки рабочей жидкости. При оптимальном проектировании СЧН имеет прекрасные рабочие характе­ристики.

Чувствительность к нагрузке и компенсация давления

Постоянная разность давления, поддерживаемая насосом, означает, что подача рабочей жидкости к наиболее нагруженному гидродвигателю в СЧН всегда происходит с компенсацией давления. Чувс­твительность к нагрузке сама по себе еще не предполагает, что

другие функции также компенсированы по давлению. Возможны два способа компенсации давления:

1. За счет действия сил давления рабочей жидкости и исполь­зования золотника распределителя с гидравлическим пропорциональным управлением. Этот способ обеспечивает простоту и надежность компенсации давления без применения дополнительных устройств как при подъеме, так и при опускании груза.

2. Каждая золотниковая секция имеет компенсатор, который устанавливает постоянный перепад давления на входном сопротивлении (дросселе). Это обеспечивает лучшую компенсацию давления при движении подъема груза и возможность компенсации давления даже при использовании ручного управления распределителем, что, однако.предполагает применение более сложного распределителя.

Рабочие характеристики

СЧН имеют прекрасные рабочие характеристики, особенно с распределителями, которые компенсированы по давлению. Их эффективность и экономичность в работе значительно лучше, чем у других гидросистем. В гидросистемах СЧН процесс опускания груза может происходить с большим расходом жидкости без увеличения уровня ус­тановленного давления. Это предъявляет высокие требования к антикавитационным характеристикам распределителя. Обычно современные распределители, выпускаемые фирмами Monsun-Tisonm Vickers, Mannesmann Rexroth, имеют встроенные антикавитационные и подпорные клапаны, которые удовлетворяют этим требованиям достаточно хорошо.

Применение СЧН

Гидросистемы, чувствительные к нагрузке, предпочтительно применять в машинах, где одна фаза рабочего цикла требует большо­го расхода жидкости и умеренного давления, а другая требует высокого давления и небольшой подачи рабочей жидкости. Мощность гидросистемы, зависимая от давления и подачи жидкости, может быть достаточно умеренной, что позволяет использовать источник энергии малой мощности.

Данная гидросистема с компенсацией давления подходит для таких условий эксплуатации, где необходимо выполнять одновременно несколько операций без взаимного влияния.

Гидросистемы, чувствительные к нагрузке, находят широкое применение в горных машинах, харвестерах, дорожных машинах, погрузчиках, экскаваторах, кранах и лесных машинах.

Очевидная перспективность широкого применения гидросистем типа СЧН (систем, чувствительных к нагрузке) на отечественных мо­бильных машинах дает основание более подробно рассмотреть некото­рые варианты систем подобного типа.

На рис.3 приведена принципиальная схема гидросистемы, чувствительной к нагрузке, выполненная на основе нерегулируемого на­соса. В нейтральном положении гидрораспределителей гидролиния управления отсоединяется от насоса и клапан 2 находится в левой позиции, поддерживая благодаря дросселю минимальный уровень давления, необходимый для управления.

При переводе одного из гидрораспределителей (например, 10) в рабочую позицию к его выходу через обратный клапан подключается торцовая измерительная камера сервоклапана. Если расход жидкости через распределитель меньше заданного, перепад давления на нем недостаточен для удержания сервоклапана в открытом состоянии, Он начинает закрываться, ограничивая расход жидкости через переливной клапан и увеличивая давление в напорной гидролиний насоса до уровня, обеспечивающего движение с необходимой скоростью гидродвигателя, управляемого от гидрораспределителя 10. При этом уста­навливается постоянное (равновесное) состояние между частями по­тока, проходящего через гидрораспределитель и переливной клапан.

При подключении через гидрораспределитель 12 гидродвигателя 11 с большей, чем у гидродвигателя 9 нагрузкой, ранее установивше­еся в гидросистеме давление недостаточно для движения жидкости через гидрораспределитель 12, и на нем поэтому не создается пере­пад давления. Вследствие этого, через обратный клапан торцы измерительной камеры сервоклапана окажутся под давлением, равным дав­лению на выходе насоса. Сервоклапан начнет закрываться, повышая давление в гидросистеме до уровня, необходимого для нормальной работы гидродвигателя 11. В результате на выходе насоса устанавливается давление, соответствующее наиболее нагруженному потреби­телю. Рассмотренная гидросистема является функционально оправдан­ной и достаточно экономичной в случае привода одновременно рабо­тающих неэнергоемких потребителей.