Объемный гидропривод

5.1Основные понятия

Гидроприводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости, находящейся под давлением, с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости движения выходного звена гидродвигателя.

Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объемные. В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости. В объемных гидроприводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости.

Объемный гидропривод состоит из гидропередачи, устройств управления, вспомогательных устройств и гидролиний (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Состав объемного гидропривода

Объемная гидропередача, являющаяся силовой частью гидропривода, состоит из:

— объемного насоса (преобразователя механической энергии приводящего двигателя в энергию потока рабочей жидкости);

— объемного гидродвигателя (преобразователя энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию выходного звена);

— гидроаккумулятора (гидроемкости, предназначенные для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением, с целью последующего ее использования для приведения в работу гидродвигателя);

— гидропреобразователя - объемной гидромашины для преобразования энергии потока рабочей жидкости с одними значениями давления р и расхода Q в энергию другого потока с другими значениями р и Q.

Устройства управления предназначены для управления потоком или другими устройствами гидропривода. При этом под управлением потоком понимается изменение или поддержание на определенном уровне давления и расхода в гидросистеме, а также изменение направления движения потока рабочей жидкости.

К устройствам управления относятся:

— гидрораспределители, служащие для изменения направления движения потока рабочей жидкости, обеспечения требуемой последовательности включения в работу гидродвигателей, реверсирования движения их выходных звеньев и т.д.;

— регуляторы давления (предохранительный, редукционный, переливной и другие клапаны), предназначенные для регулирования давления рабочей жидкости в гидросистеме;

— регуляторы расхода (делители и сумматоры потоков, дроссели и регуляторы потока, направляющие клапаны), с помощью которых управляют потоком рабочей жидкости;

— гидравлические усилители, необходимые для управления работой насосов, гидродвигателей или других устройств управления посредством рабочей жидкости с одновременным усилением мощности сигнала управления.

Вспомогательные устройства обеспечивают надежную работу всех элементов гидропривода. К ним относятся:

— кондиционеры рабочей жидкости (фильтры, теплообменные аппараты и др.);

— уплотнители, обеспечивающие герметизацию гидросистемы;

— гидравлические реле давления;

— гидроемкости (гидробаки и гидроаккумуляторы рабочей жидкости) и др.

Состав вспомогательных устройств устанавливают исходя из назначения гидропривода и условий, в которых он эксплуатируется.

Гидролинии (трубы, рукава высокого давления, каналы и соединения) предназначены для прохождения рабочей жидкости по ним в процессе работы объемного гидропривода. В зависимости от своего назначения гидролинии, входящие в общую гидросистему, подразделяются на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и гидролинии управления.

5.2 Принцип действия объемного гидропривода

Работу объемного гидропривода рассмотрим на примере простейшей гидропередачи – гидравлического домкрата (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 - Схема гидравлического домкрата:

1 – малый гидроцилиндр (насос); 2 - большой гидроцилиндр (гидродвигатель)

Принцип действия объёмного гидропривода основан на малой сжимаемости капельных жидкостей и передаче давления по закону Паскаля. Рассмотрим простейший гидропривод (рисунок 5.2). Два цилиндра 1 и 2 заполнены жидкостью и соединены между собой трубопроводом. Поршень 1 под действием силы перемещается вниз, вытесняя жидкость в цилиндр 2. Поршень цилиндра 2 при этом перемещается вверх и преодолевает нагрузку .

Если пренебрегать потерями давления в системе, то по закону Паскаля давление в цилиндрах 1 и 2 будет одинаковым и равным

,

где и - площади поршней цилиндров 1 и 2.

Считая жидкость практически несжимаемой, можно записать

или .

Мощность, затраченная на перемещение поршня в цилиндре 1, выражается соотношением . Так как величина является расходом жидкости Q, то условие передачи энергии можно представить в виде

,

где p∙Q – мощность потока жидкости;

– мощность, развиваемая поршнем цилиндра 2, то есть работа выходного звена системы в единицу времени.

Таким образом, гидроцилиндр 1 в рассмотренном случае работает в режиме насоса, т. е. преобразует механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости, а гидроцилиндр 2 совершает обратное действие – преобразует энергию потока жидкости в механическую работу, т.е. выполняет функцию гидродвигателя.

5.3Условные графические обозначения элементов

гидравлических систем

Условные графические обозначения основных элементов гидропривода приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Гидробак, открытый под атмосферным давлением (рисуется произвольно)
Насос и гидромотор постоянной производительности с одним направлением потока
Реверсивные насос и гидромотор постоянной производительности
Насос и гидромотор с регулируемой производительностью
Гидроцилиндр с одним штоком и двумя рабочими полостями (двустороннего действия)
Двухштоковый гидроцилиндр двустороннего действия
Гидроцилиндр с одним штоком одностороннего действия
Аккумулятор пневмогидравлический
Распределитель 4/3 с электромагнитным управлением, с соединением нагнетательной и сливной линий и запертыми отводами
Распределитель 4/2 с управлением от кулачка (механическим управлением) и пружинным возвратом
Распределитель 4/2 с управлением от рукоятки и пружинным возвратом
Распределитель 4/2 с гидравлическим управлением и пружинным возвратом
Клапан предохранительный прямого действия
Клапан редукционный прямого действия
Клапан обратный
Регулируемый дроссель (рисуется произвольно)
Фильтр и аппарат теплообменный (теплообменник)
Манометр и термометр

5.4Классификация гидроприводов

В зависимости от конструкции и типа входящих в состав гидропередачи элементов объемные гидроприводы можно классифицировать по нескольким признакам.

Рисунок 5.3 – Схемы гидроприводов: а) с объемным регулированием;

б) с дроссельным регулированием; в) нерегулируемый; г) с дроссельным

регулированием рабочего и холостого ходов

1. По характеру движения выходного звена гидродвигателя:

— гидропривод вращательного движения (рисунок 5.3, а), когда в качестве гидродвигателя применяется гидромотор, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает неограниченное вращательное движение;

— гидропривод поступательного движения (рисунок 5.3, б, в), у которого в качестве гидродвигателя применяется гидроцилиндр - двигатель с возвратно-поступательным движением ведомого звена (штока поршня, плунжера или корпуса);

— гидропривод поворотного движения (рисунок 5.3, г), когда в качестве гидродвигателя применен поворотный гидроцилиндр, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает возвратно-поворотное движение на угол, меньший 360.

2. По возможности регулирования:

— регулируемый гидропривод, в котором в процессе его эксплуатации скорость выходного звена гидродвигателя можно изменять по требуемому закону. В свою очередь регулирование может быть дроссельным (рисунок 5.3, б, г), объемным (рисунок 5.3, а), объемно-дроссельным или изменением скорости двигателя, приводящего в работу насос. Регулирование может быть ручным или автоматическим. В зависимости от задач регулирования гидропривод может быть стабилизированным, программным или следящим.

— нерегулируемый гидропривод, у которого нельзя изменять скорость движения выходного звена гидропередачи в процессе эксплуатации.

3. По схеме циркуляции рабочей жидкости:

— гидропривод с замкнутой схемой циркуляции (рисунок 5.3, а), в котором рабочая жидкость от гидродвигателя возвращается во всасывающую гидролинию насоса. Гидропривод с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости компактен, имеет небольшую массу и допускает большую частоту вращения ротора насоса без опасности возникновения кавитации, поскольку в такой системе во всасывающей линии давление всегда превышает атмосферное. К недостаткам следует отнести плохие условия для охлаждения рабочей жидкости, а также необходимость спускать из гидросистемы рабочую жидкость при замене или ремонте гидроаппаратуры;

— гидропривод с разомкнутой системой циркуляции (рисунок 5.3, б, в, г), в котором рабочая жидкость постоянно сообщается с гидробаком или атмосферой. Достоинства такой схемы - хорошие условия для охлаждения и очистки рабочей жидкости. Однако такие гидроприводы громоздки и имеют большую массу, а частота вращения ротора насоса ограничивается допускаемыми (из условий бескавитационной работы насоса) скоростями движения рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе.

4. По источнику подачи рабочей жидкости:

— насосные гидроприводы, в которых рабочая жидкость подается в гидродвигатели насосами, входящих в состав этих гидроприводов;

— аккумуляторные гидроприводы, в которых рабочая жидкость подается в гидродвигатели из гидроаккумуляторов, предварительно заряженных от внешних источников, не входящих в состав данных гидроприводов;

— магистральные гидроприводы, в которых рабочая жидкость подается к гидродвигателям от специальной магистрали, не входящей в состав этих приводов.

5.5Преимущества и недостатки гидропривода

Широкое распространение гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин:

1) Бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена гидропередачи и обеспечение малых устойчивых скоростей. Минимальная угловая скорость вращения вала гидромотора может составлять 2…3 об/мин.

2) Небольшие габариты и масса. Время разгона, благодаря меньшему моменту инерции вращающихся частей не превышает долей секунды в отличие от электродвигателей, у которых время разгона может составлять несколько секунд.

3) Высокое быстродействие и частое реверсирование движения выходного звена гидропередачи. Например, частота реверсирования вала гидромотора может быть доведена до 500, а штока поршня гидроцилиндра даже до 1000 реверсов в минуту. В этом отношении гидропривод уступает лишь пневматическим инструментам, у которых число реверсов может достигать 1500 в минуту.

4) Простота автоматизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе.

5) Автоматическая защита гидросистем от вредного воздействия перегрузок благодаря наличию предохранительных клапанов.

6) Хорошие условия смазки трущихся деталей и элементов гидроаппаратов, что обеспечивает их надежность и долговечность. Так, например, при правильной эксплуатации насосов и гидромоторов срок их службы доведен в настоящее время до 5…10 тыс. ч работы под нагрузкой. Гидроаппаратура может не ремонтироваться в течение долгого времени (до 10…15 лет).

7) Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотные без применения каких-либо механических передач, подверженных износу.

Гидроприводу присущи и недостатки, которые ограничивают его применение:

1) Изменение вязкости применяемых жидкостей от температуры, что приводит к изменению рабочих характеристик гидропривода и создает дополнительные трудности при эксплуатации гидроприводов (особенно при отрицательных температурах).

2) Утечки жидкости из гидросистем, которые снижают КПД привода, вызывают неравномерность движения выходногозвена гидропередачи, затрудняют достижение устойчивой скорости движения рабочего органа при малых скоростях.

3) Необходимость изготовления многих элементов гидропривода по высокому классу точности для достижения малых зазоров между подвижными и неподвижными деталями, что усложняет конструкцию и повышает стоимость их изготовления.

4) Взрыво- и огнеопасность применяемых минеральных рабочих жидкостей.

5) Невозможность передачи энергии на большие расстояния из-за больших потерь на преодоление гидравлических сопротивлений и резкое снижение при этом КПД гидросистемы.

Со многими из этих недостатков можно бороться. Например, стабильность вязкости при изменении температуры достигается применением синтетических рабочих жидкостей. Окончательный выбор типа привода устанавливается при проектировании машин по результатам технико-экономических расчетов с учетом условий работы этих машин. Гидропривод, тем не менее, имеет преимущества по сравнению с другими типами приводов там, где требуется создание значительной мощности, быстродействие, позиционная точность исполнительных механизмов, компактность, малая масса, высокая надежность работы и разветвленность привода.

5.6Расчет простейшего гидропривода

5.6.1 Расчет простейшего вращательного гидропривода

Перепад давления на гидромоторе (рисунок 5.3, а) определяется по формуле

МПа,

где М_кр – крутящий момент на валу гидромотора, Н∙м;

– рабочий объем гидромотора, м³;

– механический КПД гидромотора.

Упрощенно это давление принимается равным давлению насоса, а расход гидродвигателя равен подаче насоса .

Расход гидромотора определяется по формуле

, м³/с (л/мин),

где n – частота вращения вала гидромотора, об/с;

– объемный КПД гидромотора.

Общий (полный) КПД гидропривода определяется как отношение полезной мощности N_п (гидродвигателя) к затраченной мощности N (мощность, потребляемая насосом)

, %.

КПД гидропривода определяет эффективность использования и преобразования энергии.

Полезная мощность гидромотора определяется по формуле

, Вт.

Затраченная мощность определяется по формуле

, Вт,

где – общий КПД насоса, принимается по его техническим характеристикам;

- фактическое давление насоса определяется как сумма перепада давления на гидромоторе и потерь давления.

5.6.2 Расчет простейшего поступательного гидропривода

Перепад давления на гидроцилиндре (рисунок 5.3, б, в) определяется по формуле при движении поршня вправо

МПа,

где F – нагрузка (сила), приложенная к штоку гидроцилиндра, Н;

D – диаметр поршня, м;

– механический КПД гидроцилиндра;

Расход гидроцилиндра определяется по формуле

, м³/с (л/мин);

где - скорость движения поршня, м/с;

– объемный КПД гидроцилиндра.

Общий (полный) КПД гидропривода определяется как отношение полезной мощности N_п (гидродвигателя) к затраченной мощности N (мощность, потребляемая насосом)

, %.

КПД гидропривода определяет эффективность использования и преобразования энергии.

Полезная мощность гидроцилиндра определяется по формуле

Вт,

Затраченная мощность определяется по формуле

, Вт,

где – общий КПД насоса, принимается по его техническим характеристикам;

- фактическое давление насоса определяется как сумма перепада давления на гидродвигателе и потерь давления.

5.7Нерегулируемые и регулируемые объемные гидроприводы

Регулируемый гидропривод в отличие от нерегулируемого позволяет изменять скорость движения выходного звена. Гидроприводы, используемые в технике, должны обеспечивать заданные параметры работы, в том числе скорости выходных звеньев, поэтому большинство современных гидроприводов являются регулируемыми.

К регулируемым объемным гидроприводам следует отнести: гидроприводы, в которых имеется возможность непосредственного управления скоростью выходного звена; гидроприводы со стабилизацией скорости выходного звена; гидроприводы, в которых обеспечивается синхронное движение выходных звеньев нескольких гидродвигателей; следящие гидроприводы.

При рассмотрении гидроприводов необходимо иметь в виду, что изменение скорости выходного звена может быть обеспечено разными способами:

- дроссельное регулирование скорости;

- объемное (машинное) регулирование скорости;

-объемно-дроссельное регулирование скорости.

5.7.1 Гидроприводы с дроссельным регулированием

Дроссельный способ регулирования скорости движения выходного звена применяется в гидроприводах с нерегулируемыми гидромашинами. При этом изменение скорости выходного звена возможно за счет изменения расхода жидкости Q , поступающей в гидродвигатель. Поэтому в таких гидроприводах при подаче наcoca Q_нчасть жидкости отводится в бак, минуя гидродвигатель. Основным управляющим элементом таких приводов является регулируемый гидродроссель. В зависимости от места установки регулируемого гидродросселя по отношению к гидродвигателю различают гидроприводы с параллельным и последовательным включением гидродросселя.