Объемные гидропередачи

Объемную гидропередачу на судах применяют с конца прошлого столетия в рулевых и грузоподъемных механизмах, успокоителях качки, подруливающих устройствах, для привода палубных механизмов и в ряде агрегатов специального назначения.

В самом общем случае объемная гидропередача включает насос 2 объемного типа (рис. 8.11), преобразующий механическую энергию приводящего двигателя в энергию потока жидкости (главным образом энергию давления); гидродвигатель 7, преобразующий энергию рабочей жидкости в механическую энергию; систему трубопроводов с предохранительными клапанами 9; блок питания, состоящий из емкости рабочей жидкости 3, насос подпитки 6, фильтр 5, перекидные клапаны 8 и предохранительный клапан 4, блок управления гидропередачей 1.

В качестве главной судовой передачи объемная гидропередача впервые была применена в 1948 г. на английском буксире „Том Джей". Гребная установка этого буксира состояла из четырех дизелей мощно­стью по 75 кВт (при частоте вращения вала 800 об/мин), работающих на радиально-поршневые насосы нерегулируемой подачи. Гребной вал приводился во вращение от одного радиально-поршневого нерегули­руемого гидромотора, имеющего максимальную мощность 190 кВт при частоте вращения 110 об/мин. Полная мощность на гребном вале обеспечивалась при работе трех дизель-насосных агрегатов; один из агрегатов был резервный. Гидросистема установки имела открытое исполнение с рабочим давлением 14 МПа. Общий КПД гидропередачи буксира на номинальном режиме составлял 85 %.

В зависимости от конструкции, мощности и условий эксплуатации КПД объемной гидропередачи составляет 75- 90 %.

По сравнению с другими видами передач объемная гидропередача имеет следующие преимущества: отсутствие жесткой связи между валом входным и выходным валом, плавные регулирование частоты вращения выходного вала и реверс при неизменной частоте вращения ведущего вала, лучшие массогабаритные и эксплуатационные показатели по сравнению с электропередачей, надежна и долговечна.

К недостаткам относят высокую стоимость основного оборудования и его ремонта, повышенные требования к чистоте рабочей жидкости, сложность монтажа в судовых условиях, возможность утечки рабочей жидкости через неплотности в системе, трудность получения относительно высоких эксплуатационных КПД. Однако эти недостатки могут быть частично устранены или компенсированы в процессе проектирования и эксплуатации гидропередачи.

Сдерживает более широкое применение гидропередач в судостроении узкий диапазон мощностей гидроагрегатов, выпускаемых про­мышленностью, их недостаточный моторесурс.

В современных судовых объемных гидропередачах, в частности в гидропередачах с системами высокого давления (выше 10 мПа), применяют преимущественно роторно-поршневые насосы и гидродвигатели. По расположению цилиндров эти машины делят на роторные радиально-поршневые с радиальным относительно оси вращения ротора расположением цилиндров и роторные аксиально-поршневые с аксиальным относительно оси вращения цилиндрового блока расположением цилиндров. В первых машинах движение поршней происходит в одной плоскости, во-вторых - в пространстве.

Насосы и гидродвигатели с аксиальным или близким к аксиальному расположению цилиндров наиболее распространены в гидравлических системах (гидроприводах). По числу разновидностей конструктивного исполнения они во много раз превосходят прочие типы гидромашин, так как обладают лучшими массогабаритными характеристиками, компактны, просты по конструкции, имеют высокий КПД, пригодны для работы при высоких частотах вращения и при высоких давлениях, обладают сравнительно малой инерционностью.

Различают гидромашины с наклонным цилиндровым блоком цилиндров, равномерно расположенных по окружности. Поршни 1 прижимаются к статорному кольцу 3 под действием центробежных сил и усилий пружин 5. Оси цилиндров блока этого насоса расположены в общей плоскости и пересекаются на оси вращения блока. Распределение жидкости осуществляется через выполнение в цапфе 2 окна а и b, с которыми при вращении блока поочередно соединяются цилиндры через отверстия в их донышках. Распределительные окна через осевые каналы цапфы соединяются со всасывающей и нагнетательной магистралями. При ходе поршня 1 от центра блока 4 (ход равен двойной величине эксцентриситета е) жидкость будет всасываться путем изменения эксцентриситета е, которое происходит в результате перемещения статорного кольца 3 в вертикальной плоскости. При плавном перемещении статорного кольца достигается плавное изменение подачи, и при изменении знака эксцентриситета происходит изменение направления движения жидкости в системе, т. е. реверс передачи.

Радиально-поршневые насосы и гидродвигатели изготовляют мощностью до 3000 кВт и выше с расходом жидкости до 8000 л/мин. Насосы этого типа малых размеров выполняют для давлений до 100 мПа. Эти насосы выпускают преимущественно в регулируемом варианте. Цилиндры располагают в несколько рядов (до шести), от 5 до 13 цилиндров в одном ряду. Благодаря такой конструкции достигается высокая подача насоса или большой крутящий момент на валу гидромотора.

Радиальное расположение цилиндров предпочтительно для передачи больших крутящих моментов и малых скоростей. При высоких скоростях и малых крутящих моментах применяют машины с аксиальным расположением цилиндров.

Рис 8.13. Конструктивная схема многопоршневого радиально-поршневого насоса

Конструктивная схема устройства и работы гидропривода с автономным насосом представлена на рис. 142. Рабочая жидкость из насоса 3 под давлением поступает через золотник управления 2 к гидродвигателю 6 и снова возвращается по трубопроводу в насос. Для дополнительного питания системы во время эксплуатации используется бачок 1, который одновременно выполняет роль расширительной емкости, регулирующей объем жидкости при ее нагреве. Клапан 5 служит для предохранения системы от перегрузки при повышении давления жидкости сверх нормы; невозвратный клапан 4 гидродвигателя предохраняет систему от утечки рабочей жидкости в случае выхода из строя электродвигателя и отключения гидронасоса. Перед всасывающей полостью гидродвигателя установлен магнитный фильтр 7.

Из рис. 142 видно, что гидропривод с системой трубопроводов несколько сложнее электропривода с сетью кабелей, сохранность которых обеспечивается полностью, если они проложены в трубах или закрыты коробками. Гидропривод сочетает основные положительные Kaчества парового привода (плавное регулирование частоты вращения, одновременное обслуживание ряда исполнительных механизмов, способность к значительным перегрузкам и др.) и электропривода. В гидроприводе надежная защита от перегрузок достигается весьма просто -путем перепуска жидкости из нагнетательной полости во всасывающую; при использовании гидродвигателей, имеющих большие моменты, возможно их непосредственное соединение с исполнительным механизмом, что обеспечивает высокое значение к. п. д. на всех режимах работы.

По значению рабочего давления гидроприводы делятся на три труппы: низкого (до 3 — 5 мПа), среднего (3 — 15 мПа) и высокого (свыше 15 мПа) давления. Гидроприводы низкого и среднего давления обычно состоят из винтового, аксиально - или радиально-поршневого, пластинчатого или шестеренного насоса и малогабаритного гидродвигателя; гидроприводы высокого давления — из аксиально-поршневого насоса и высокооборотного гидродвигателя, а иногда аксиально-поршневого или шестеренного насоса и малооборотного высокомоментного гидродвигателя радиально-поршневого или пластинчастого типа.

При определении необходимой мощности гидродвигателя и гидронасоса следует исходить из максимально возможного момента на тяговом органе найденного по формулам (171) — (175) и (176). Связь между мощностью, Вт, и крутящим моментом определяется выражением

N_T = M_макс n (177)

где N_T — необходимая теоретическая мощность, Вт; M_макс — максимальный крутящий момент, Н-м; п — частота вращения, об/с;

Мощность может быть представлена в функции подачи и давления по (161).

Приравнивая правые части (177) и (161), получим подачу, м³/с,

Действительная подача , м³/с,5будет

Судовые гидроприводы должны отличаться наименьшей массой, высоким ресурсом при длительной и кратковременной эксплуатации в тяжелых метеорологических условиях, большим к. п. д., надежными узлами уплотнений и фильтровальными устройствами для очистки рабочей жидкости, а также позволять производить быструю замену любого участка и узла гидравлической системы унифицированными изделиями.

По найденным параметрам, пользуясь каталогами, подбирают насосы соответствующих марок для питания гидравлической системы.

Судовые объемные гидроприводы различаются в зависимости от:

-способа регулирования (нерегулируемые, с дроссельным регулированием, регулируемые изменением подачи насоса или расхода гидродвигателя);

- конструктивного исполнения насоса и гидродвигателя (поршневые, радиальные и аксиальные, шестеренчатые, винтовые и др.);

-первичного источника энергии (электрогидравлические, парогидравлические, дизель-гидравлические);

-давления низкого до 25 кгс/см², среднего до 100 кгс/см², высокого свыше 100 кгс/см²;

-частоты вращения вала насоса или гидродвигателя высокооборотные, малооборотные);

момента на валу насоса или гидродвигателя (низкомоментные, высокомоментные).

Нa морских судах наибольшее распространение получил гидропривод с объемным регулированием. Простым видом такого регулирования является ручное регулирование подачи насоса при регулируемом гидромоторе. Схемы гидроприводов с объемным регулированием характеристик представлены на рис. 103.

Насхеме А слева изображен насос переменной подачи, а справа - нерегулируемый гидромотор. Обе части гидропривода соединены двумя линиями трубопроводов. Для обеспечения работы этого гидропривода наибольшая подача насоса выбирается равной наибольшему расходу гидромотора. Мощность двигателя насоса должна быть достаточной для создания наибольшего напора при наибольшем расходе рабочей жидкости. Такая схема регулирования работы гидравлического объемного привода обладает постоянством момента на валу гидромотора при переменном значении его частоты вращения, например при подъеме груза лебедкой или краном.

Мощность гидропривода увеличивается линейно с увеличением подачи насоса, следовательно, с увеличением оборотов гидромотора. Изменение нагрузки гидропривода, т. е. величины момента на валу гидромотора, происходит за счет соответствующего изменения давления рабочей жидкости. Гидропривод, работающий по этой схеме, применяется при наличии как ручного, так и следящего управления. Он нашел распространение в приводах судовых лебедок, кранов, рулевых машин, успокоителей качки и других механизмах общесудового назначения, где диапазон регулирования частоты вращения вала гидромотора лежит в пределах 0,1n_ном до n_ном. Общий к. п. д. привода при номинальных нагрузках достигает 0,9.

Большее распространение имеет гидропривод, работающий по схеме Б. Подача насоса изменяется регулятором постоянной мощности: с увеличением давления рабочей жидкости падает подача насоса, уменьшается частота вращения гидродвигателя, увеличивается его вращающий момент, и наоборот. Насос такого гидропривода развивает подачу, необходимую для работы гидромотора с полным расходом. Насос должен быть пригодным для работы на наибольшем рабочем давлении при наибольших значениях вращающего момента, так как, работая по схеме Б, насос оказывается под действием наибольшего давления в пусковой период и на режимах малой частоты вращения гидродвигателя. Мощность приводного двигателя гидропривода, работающего по схеме Б значительно меньше, чем у гидропривода, работающего по схеме А.

Недостаток схемы Б — низкий к. п. д. привода при работе его на большей частоте вращения. Гидропривод, осуществленный по схеме Б, находит применение в якорно-швартовных механизмах, грузовых и буксирных лебедках.

Стремление устранить недостатки гидропривода, работающего по схеме Б, привело к разработке гидроприводов со схемой В. Как видно из схемы, в гидропривод введен регулируемый гидромотор.Гиперболическая зависимость между частотой вращения и вращающим моментом на валу гидромотора при постоянной мощности здесь сохраняется, подобно схеме Б. Частота вращения гидромотора повышается за счет уменьшения объема его рабочих полостей. Этот привод экономичнее приводов, осуществленных по схемам А и Б, так как при таком способе регулирования его работы наиболее полно используется мощность привода, что приводит к повышению к. п. д. гидропривода. Регулирование работы гидромотора в схеме В может осуществляться двумя способами:вручную и автоматически.

Четвертой модификацией схем осуществления объемного гидропривода является схема Г. В этом гидроприводе применен насос постоянной подачи, а регулирование работы гидропривода осуществляется автоматически регулированием гидромотора, гидроприводы этого типа имеют наименьшие габаритные размеры, массу, стоимость и большую экономичность во всем диапазоне регулирования их работы.

Наибольшее применение находят судовые гидроприводы со схемой работы Б, В, Г. В них применяются высокомоментные гидромоторы. Вместо регулируемых гидромоторов часто на механизм устанавливают 2—3 нерегулируемых гидромотора соответственно меньшего рабочего объема, которые автоматически включаются в работу с увеличением нагрузки гидропривода.

Наиболее дешевым приводом является гидропривод с дроссельным регулированием. В этих приводах находит применение простейшее дешевое гидрооборудование. Наладка работы привода весьма проста.

Гидропривод работает с постоянным давлением рабочей жидкости, если дроссель поставить «на входе» жидкости в гидродвигатель или «на выходе».

При установке дросселя «на входе» (рис. 104, а) рабочее давление не действует только в одной полости привода и его величина соответствует нагрузке. При установке дросселя «на выходе» (Рис. 104, б) насос создает наибольшее давление, а противодавление устанавливается в зависимости от нагрузки. Противодавление оказывается обратно пропорциональным величине нагрузки. Гидроприводы, работающие по этой схеме, испытывают большие нагрузки, моторесурс их снижается. Такая схема работы гидропривода применяется в гидроприводе с силовым цилиндром. Поршень силового цилиндра при этом оказывается под двусторонней нагрузкой, и привод устойчиво работает на всех режимах. Установка дросселя на входе (меняется реже, так как на малыx нагрузках привод работает неустойчиво.

Весьма широкое распространение получил гидропривод с дросселем, установленным на параллельном потоке (рис. 104, в). При таком способе регулирования у гидропривода сохраняется приведенная выше механическая характеристика, в нем нет противодавления, и его к. п. д. сравним с к. п. д. гидропривода с объёмным регулированием.