Насосы и гидродвигатели, применяемые в гидропиводах

В гидроприводах применяют следующие основные виды насосов: поршневые, плунжерные, мембранные, шестеренные, пластинчатые, винтовые и роторно-поршневые. Так как перечисленные насосы рассмотрены выше, остановимся кратко на применяемых в гидроприводах гидродвигателях.

Гидродвигателем называют гидромашину, которая предназначена для преобразования гидравлической энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию движения выходного звена (ведомого вала, штока, плунжера или корпуса гидроцилиндра).

По виду движения выходного звена различают три класса объемных гидродвигателей, применяемых в гидроприводах:

гидроцилиндры, которые имеют поступательное движение выходного звена; различают поршневые, плунжерные, телескопические и мембранные гидроцилиндры одностороннего и двустороннего действия;

гидромоторы, имеющие неограниченное вращательное движение выходного звена;

поворотные гидродвигатели с ограниченным углом поворота выходного звена ( <360°), к которым относят пластинчатые, поршневые, мембранные поворотные гидродвигатели.

Гидроцилиндры

Это простейшие гидродвигатели, в которых выходное звено совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.

Выходным звеном в гидроцилиндрах может быть шток поршня, плунжер или корпус цилиндра, для случая, когда поршень со штоком при работе гидродвигателя находятся в неподвижном состоянии.

По конструкции гидроцилиндры подразделяют на поршневые, плунжерные, телескопические и мембранные.

Поршневые гидроцилиндры могут быть с односторонним (рис. 10.5, а) или с двусторонним штоком (рис. 10.5, б).

Рис. 10.5. Устройство гидроцилиндров

Поршневой гидроцилиндр имеет цилиндр 1, поршень 2 и шток 3 поршня. Так как у поршневого гидроцилиндра с односторонним штоком полезные объемы штоковой и бесштоковой полостей цилиндра не равны между собой, скорость движения поршня в одном и другом направлениях будет различной. Для обеспечения постоянных скоростей необходимо устанавливать сбросные гидроклапаны. Поршневые гидродвигатели с двусторонним штоком имеют одинаковую скорость движения поршня в обоих направлениях, но они более сложны и громоздки.

Для обеспечения постоянных скоростей прямого и обратного хода силового органа станка применяют так называемые дифференциальные поршневые гидроцилиндры. Поршень дифференциального гидроцилиндра имеет одинаковую скорость движения в обоих направлениях, так как его площадь поперечного сечения равна двум площадям поперечного сечения штока.

Плунжерный гидроцилиндр (рис. 10.5, в) имеет цилиндр 1, плунжер 2 и сальник 3 с уплотнителями.

Плунжерные гидроцилиндры могут иметь плунжер сплошного или трубчатого сечения.

Преимущество плунжерных гидроцилиндров перед поршневыми гидроцилиндрами заключается в том, что они не требуют отшлифованной внутренней поверхности, так как герметичность обеспечивается сальниками и уплотнительными устройствами. Однако плунжерные гидроцилиндры более громоздки по сравнению с поршневыми.

Телескопическим гидроцилиндром называют такой объемный гидродвигатель, в котором выходным звеном является несколько концентрически расположенных поршней или плунжеров, перемещающихся относительно друг друга, причем сумма их ходов равна ходу выходного звена.

На рис. 10.5, г представлен телескопический гидроцилиндр одностороннего действия, который имеет четыре гидроцилиндра.

Наружный гидроцилиндр 1 приварен к основанию 2, которое закреплено на оси 3. Подвод и отвод жидкости осуществляется через штуцер 4. К крышке 5 гидроцилиндра приварена шаровая пята 6, предназначенная для шарнирного соединения с силовым органом машины.

На рис. 10.5, д, е показан телескопический гидроцилиндр двустороннего действия в сдвинутом и раздвинутом положениях. Работает телескопический гидроцилиндр следующим образом. При подаче жидкости под давлением через шток по каналу 1 в поршневую полость 2, цилиндр 3 начинает выдвигаться вправо, выталкивая при этом жидкость из штоковой полости 4 (через отверстия 5, 6, 16 и канал 7). Как только цилиндр 3, двигаясь вправо, дойдет до буртика 8, начнет выдвигаться вправо цилиндр 9, вытесняя при этом жидкость из штоковой полости 10 (через отверстия 6, 16 и канал 7) и т. д.

Для того чтобы сдвинуть все цилиндры 3, 9, 12, 14 с буртиками 8, 11, 15, необходимо подавать жидкость под давлением в канал 7 и отводить жидкость по каналам 4, 10, 13, 1.

Таким образом, когда жидкость под давлением подводится в поршневую полость, цилиндры последовательно раздвигаются от большего к меньшему диаметру, а при подводе жидкости в штоковую полость цилиндры последовательно втягиваются от меньшего к большему диаметру.

Определение некоторых рабочих параметров гидроцилиндров приводим ниже.

Для гидроцилиндра с односторонним штоком (рис. 10.5, а) скорость рабочего хода поршня без учета потерь равна:

. (10.1)

Скорость при холостом ходе

. (10.2)

Гидроцилиндр с двусторонним штоком (рис. 10.5, б). Здесь скорость поршня при рабочем ходе равна скорости поршня при холостом ходе

, (10.3)

здесь - подача насоса, л/с; - диаметр поршня, м; - диаметр штока, м.

Время, потребное для совершения одного двойного хода поршня:

для гидроцилиндра с односторонним штоком

, (10.4)

для гидроцилиндра с двусторонним штоком

, (10.5)

здесь - ход поршня.

Число двойных ходов поршня в секунду без учета времени, затраченного на переключения, будет равно для гидроцилиндра с односторонним штоком

, (10.6)

для гидроцилиндра с двусторонним штоком

. (10.7).

Скорость последовательного выдвижения поршней или плунжеров телескопического гидроцилиндра двустороннего действия (рис. 10.5, д, е) равна

. (10.8)

Скорость последовательного втягивания поршней или плунжеров

. (10.9)

Подъемная сила телескопического гидроцилиндра двустороннего действия

, (10.10)

где - давление жидкости, подводимое в телецилиндр, МПа; - силы трения в уплотнениях.

Мембранные гидроцилиндры (рис. 105, ж) применяют главным образом для зажимных устройств в лесопильной и деревообрабатывающей промышленности. Однако они имеют малый ход поршня, что ограничивает их применение. Преимуществом мембранных гидроцилиндров является высокий объемный КПД, у них отсутствуют утечки, так как жидкость поступает под давлением в полость, где обеспечена хорошая герметичность.

Мембранный гидроцилиндр имеет корпус 1, резиновую мембрану 2, шток 3 и пружину 4. Принцип действия мембранного гидроцилиндра заключается в следующем: жидкость под давлением через отверстие, указанное стрелкой, поступает в корпус 1, от этого мембрана 2 выгибается книзу и приводит в движение шток 3, который сжимает пружину 4. После прекращения давления со стороны жидкости на мембрану шток под действием пружины совершает движение в обратном направлении.

Сила на штоке мембранного гидроцилиндра

, (10.11)

где - коэффициент активности мембраны, зависящий от размеров грибка

, (10.12)

здесь - оптимальное значение =0,67; - диаметр грибка, м; - активный диаметр мембраны, м.

Ход штока выбирают в зависимости от диаметра мембраны в пределах для плоских мембран; для тарельчатых мембран для гофрированных мембран.

Гидромоторы

Гидромотор - это объемный гидродвигатель, выходное звено которого способно совершать неограниченное вращательное движение.

Гидромоторы по конструкции делятся на шестеренные, винтовые, пластинчатые, аксиально-поршневые.

Гидромоторы перечисленных конструкций обратимы, т.е. они могут работать как гидромоторы и как насосы, причем для этою требуются незначительные дополнительные конструктивные устройства.

Гидромоторы делят на регулируемые и нерегулируемые. Регулируемый гидромотор имеет регулируемый рабочий объем. Кроме того, гидромоторы делят на реверсивные и нереверсивные.

Гидромотор, имеющий выходное звено и способный вращаться только в одну сторону, называют нереверсивным. Гидромотор, имеющий выходное звено, способное вращаться в обе стороны, называется реверсивным. По способу реверсирования гидромоторы различают:

с постоянным направлением потока, где изменение направления вращения выходного звена происходит при постоянном направлении потока рабочей жидкости;

с реверсивным направлением потока, где изменение направления вращения происходит за счет изменения (реверсирования) направления потока рабочей жидкости.

Наиболее широко используют в гидроприводах машин, применяемых в деревообрабатывающей и лесной промышленности, шестеренные и пластинчатые гидромоторы, как наиболее простые по конструкции и дешевые по стоимости изготовления.

Аксиально-поршневые и радиально-поршневые гидромоторы являются более сложными по конструкции и дорогими по стоимости, чем гидромоторы шестеренные и пластинчатые. Но за последнее время начинают все шире применять аксиально-поршневые гидромоторы.

Различают гидромоторы однократного и многократного действий. У гидромоторов многократного действия в каждой рабочей камере осуществляются два и более рабочих циклов за один оборот выходного звена. У гидромоторов однократного действия в каждой рабочей камере осуществляется один рабочий цикл за один оборот выходного звена.

Шестеренные гидромоторы. Шестеренные гидромоторы типа МНШ, изготовляемые Московским заводом гидроагрегатов, предназначены для гидроприводов машин, применяемых в деревообрабатывающей и лесной промышленности. Они надежны в работе, компактны и просты в эксплуатации.

Шестеренные гидромоторы типа МНШ-32 и МНШ-46 (шестеренные реверсивные насосы-гидродвигатели) могут работать и в режиме насосов (табл. 10.2).

Таблица 10.2

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСОСОВ-ГИДРОМОТОРОВ

Показатели	МНШ-32	МНШ-46
в режиме
гидромотора	насоса	гидромотора	насоса
Рабочий объем , л/об	0,0326	0,0326	0,0474	0,0474
Максимальный вращающий момент, Н×м	47,5	-		-
Частота вращения, мин-1	5-26,6	18,3-26,6	5-26,6	18,3-26
Максимальная мощность, кВт	9,5	9,5
Объемный КПД при = 100×105, Н/м2	0,9	0,9	0,95	0,95
Общий КПД при = 100×105, Н/м2	0,75	-	0,75	-

Гидромотор типа МНШ имеет корпус, крышку, вал, шестерни и плавающие втулки, являющиеся подшипниками скольжения для цапф шестерен и одновременно обеспечивающие автоматическое уплотнение шестерен по их торцам с помощью жидкости, подводимой по каналам из камеры нагнетания к торцевым поверхностям плавающих втулок.

Перевод с режима работы гидромотора на режим насоса осуществляется при помощи специальных пластин, расположенных во всасывающей и нагнетательной областях. Шестеренный гидромотор работает следующим образом.

Жидкость из напорной гидролинии поступает в гидромотор, действуя на зубья шестерен, создает вращающий момент, который вращает выходное звено гидродвигателя.

Вращающий момент шестеренного гидромотора равен

, (10.13)

где - перепад давлений между всасывающей и нагнетательной областями, - рабочий объем гидромотора =0,03-0,18 л/об; - механический КПД гидромотора; =0,80...0,85.

Мощность гидромотора

,

здесь - угловая скорость вращения, рад/с; - частота вращения вала гидродвигателя; - полный КПД гидромотора.

Вращающий момент, создаваемый гидромоторами типа МНШ, колеблется в пределах 33,5...200 Н×м.

Для создания высокомоментного шестеренного гидромотора изготовляют многошестеренные гидромоторы, дополнительные шестерни которых располагают по окружности основной шестерни, сидящей на выходном валу. Такие гидромоторы применяют на лебедках и других механизмах и машинах. Для установления рабочих параметров многошестеренного гидромотора необходимо обеспечить равенство между вращающим моментом на выходном валу механизма и суммой моментов на валах гидромоторов, т. е.

, (10.14)

где - вращающий момент на валу лебедки, Н×м; - вращающие моменты на валах шестеренных гидромоторов, Н×м; - коэффициент запаса; =1,1…1,2.

Вращающий момент на валу механизма является обычно заданным, а крутящие моменты на валах шестеренных гидромоторов устанавливают расчетом

, (10.15)

где - гидростатическое давление, действующее на площадь зуба шестерни, МПа; - ширина зуба шестерни, см; - высота зуба, см; - радиус делительной окружности малой шестерни, м.

Такие гидромоторы изготовляют мощностью до 66,2 кВт, а в отдельных случаях выпускают на вращающие моменты до 2000-2500 Н×м при =10 МПа и 100 мин^-1.

Пластинчатые гидромоторы. У пластинчатых гидромоторов частота вращения вала гидромотора регулируется дросселем с регулятором. Реверс осуществляется при помощи гидрораспределителя золотникового типа.

Гидромотор типа МГ16-1 (рис. 10.6) работает следующим образом. Жидкость под давлением подается в отверстие 2, затем через кольцевой канал 1 корпуса 3 и далее через окна переднего диска 5 попадает на пластинки 7 ротора 4, заставляя ротор поворачиваться против часовой стрелки. Отводится жидкость через окно заднего диска 15 и отверстия 13, 14 в крышке 16 корпуса 3. Вал гидромотора 8 вращается в двух шариковых подшипниках 11. На валу на шлицах закреплен ротор 4, в пазы которого вставлены пластинки 7, прижимающиеся при вращении ротора силой инерции к внутренней поверхности статора 6. Кроме того, эти пластинки прижимаются к статору коромыслообразными пружинами; одна пружина прижимает две пластинки, расположенные друг к другу под углом 90°; насколько одна пластинка при вращении ротора выйдет из паза ротора, настолько вторая войдет в паз. Таким образом, пружина не деформируется, что увеличивает ее долговечность.

Ротор вращается между передним 5 и задним 15 дисками. Для изменения направления вращения ротора необходимо жидкость под давлением подвести к отверстию 13 в крышке 16 корпуса 3, а отверстие 2 в корпусе 3 надо соединить с линией слива. Для устранения утечек служит манжета 9 и резиновая кольцевая прокладка 12.

Гидромотор МГ16-1 является машиной двойного действия, за один оборот ротора происходит два раза ввод жидкости под давлением и два раза отвод ее в сливную линию.

Рис. 10.6. Гидромотор типа МГ16-1

Вращающий момент на валу гидромотора определяют по формулам:

для гидромоторов двойного действия

; (10.16)

для гидромоторов одинарного действия

, (10.17)

где - эксцентриситет между центрами статора и ротора; - толщина пластинок, см; - число пластинок, шт.; и - большой и малый радиусы выточек статора, см; - рабочий объем гидромотора, дм³/об; - механический КПД гидромотора.

Гидромоторы МГ16-1 развивают вращающий момент на валу =3,2...150 Н×м при давлении =5,0 МПа. Они устойчиво работают при частоте вращения 300 мин^-1.

Аксиально-поршневые гидромоторы. Эти гидромоторы достаточно широко применяют в гидроприводах ввиду преимуществ, которыми они обладают по сравнению с радиально-поршневыми гидромоторами. Эти гидромоторы имеют меньшие радиальные размеры и меньший момент инерции вращающихся масс, что дает им возможность работать при больших частотах вращения ротора.

Вращающий момент, развиваемый на выходном звене аксиально-поршневого гидромотора, равен

, (10.18)

где - рабочий объем гидромотора, л/об; - число поршней, шт.; - разность давлений рабочей жидкости на входе и выходе из гидромотора, МПа; - механический КПД гидромотора; =0,93...0,98.

Частота вращения выходного звена , мин^-1:

, (10.19)

где - расход рабочей жидкости, поступающей в гидромотор; - объемный КПД гидромотора; =0,91... 0,97; - угол наклона блока цилиндров или диска к оси вращения ротора; =15...20°. Мощность гидромотора

. (10.20)

Г15 выпускается нашей промышленностью и используется в гидроприводах машин, применяемых в лесной промышленности.

Гидромотор МГ15 создает =6...200 Н×м при давлении 5 МПа. В гидроприводах большой мощности применяют гидромоторы гаммы II, работающие при рабочем давлении 10 МПа.

Гидромоторы типа ИМ нерегулируемые, обратимые создают на валу =4...1170 Н×м.

ГИДРОАППАРАТУРА

Гидроаппаратура предназначена для регулирования скорости движения силового органа, поддержания заданного давления в гидросистеме и в выходных звеньях при разных режимах работы гидропривода.

Гидроаппаратура должна быть компактной и легкой, не создавать шума и вибрации при работе гидропривода. От надежности и четкости работы гидроаппаратуры во многом зависит надежность работы всего гидропривода.

Гидроаппарат - устройство, предназначенное для изменения или поддержания заданного постоянного давления или расхода рабочей жидкости, либо для изменения направления потока рабочей жидкости. Многие гидроаппараты имеют запорно-регулирующий элемент. Запорно-регулирующий элемент представляет собой подвижную деталь или группу деталей, при перемещении которых частично или полностью перекрывается рабочее проходное сечение.

Рассмотрим кратко основные гидроаппараты гидрофицированных станков и машин, применяемых в деревообрабатывающей и лесной промышленности.

К ним относятся напорные гидроклапаны, редукционные гидроклапаны, обратные гидроклапаны, делители потока, гидрораспределители, гидродроссели, клапанные, золотниковые и крановые гидроаппараты. Гидроклапаном называют гидроаппарат, обеспечивающий изменение открытия проходного сечения силой проходящего через него потока жидкости.

По назначению различают гидроклапаны:

давления (напорные и редукционные);

управляющие потоком жидкости (обратные гидроклапаны, делители потока и др.);

гидроклапаны последовательности, обеспечивающие необходимую последовательность включения в работу механизмов и исполнительных органов машины.