Области применения гидроприводов

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОПРИВОДАХ

Основные понятия и определения

Гидропривод служит для приведения в движение меха­низмов и машин за счет энергии жидкости. Различают объемный и гидродинамический гидроприводы.

Объемным гидроприводом в соответствии с ГОСТ 17752—81 [19] называется привод, в состав которого входит гидравлический механизм с одним или более объемными гидродвигателями. Передача энергии к двигателям осущест­вляется посредством жидкости, находящейся под давлением. Под объемным гидродвигателем понимают такую гидрома­шину, в которой преобразование энергии потока жидкости в механическую энергию выходного звена происходит в про­цессе перемещения под действием сил давления замкнутого объема.

В гидродинамическом приводе преобразование гидравли­ческой энергии в механическую осуществляется путем вза­имодействия потока жидкости с лопастной системой гидро­двигателя. Основными элементами такого привода являют­ся колесо центробежного насоса, непосредственно связанное с ведущим валом, и колесо реактивной турбины, связанное с ведомым валом.

Области применения объемных и гидродинамических при­водов определяются следующим. Объемные гидроприводы устанавливают кинематические связи между ведущим и ве­домым звеньями, т. е. они могут поддерживать на ведомом звене любую заданную скорость независимо от нагрузки. Гидродинамические приводы устанавливают только силовые связи, соотношение скоростей ведущего и ведомого звеньев определяется уровнем нагрузки на ведомом звене. Это свой­ство используется, например, в транспортных машинах, где необходимо автоматическое изменение развиваемого момента от скорости движения.

В настоящем пособии рассматривается только объемный гидропривод и поэтому в дальнейшем он будет сокращенно называться гидроприводом. Принципиальная схема простейшего гидропривода показана на рис. 1.1.

Рисунок 1.1. Принципиальная схема простейшего гидропривода

Гидропривод осу­ществляет перемещение груза массой m в вертикальном направлении. Насос 1, приводимый в движение внешним ис­точником, производит всасывание жидкости из резервуара 4 через кран 3 в позиции I. В позиции II крана происходит вытеснение жидкости из рабочего объема насоса в рабочий объем гидродвигателя 2 и перемещение груза вверх. Пере­дача энергии от насоса к гидродвигателю происходит посредством рабочей жидкости, давление которой опреде­ляется сопротивлением, оказанным ее движению. Если не учитывать гидравлическое сопротивление трубопровода 5 и силу трения в гидродвигателе, то давление будет равно

,

где F - площадь поршня; g - ускорение свободного падения.

Опускание груза вниз происходит в позиции III крана действием нагрузки.

Гидропривод функционально состоит из следующих устройств: гидромашин, гидроаппаратов, кондиционеров рабо­чей жидкости, гидроемкостей и гидролиний. Совокупность гидроустройств, входящих в состав гидропривода, называется гидросистемой.

В качестве гидромашин в гидроприводе применяются насосы, гидродвигатели, насосы-моторы, преобразователи давления и гидровытеснители.

Насосы создают поток рабочей жидкости, преобразуя механическую энергию приводящего двигателя в гидравлическую энергию этого потока. Основное применение в гидроприводах нашли аксиально- и радиально-поршневые, пластинчатые и шестеренные насосы.

Гидродвигатели преобразуют гидравлическую энергию потока жидкости в механическую энергию их выходных звеньев. Различают три вида гидродвигателей: гидроцилиндры, поворотные гидродвигатели и гидромоторы.

Насос-мотором называется гидромашина, предназначенная для работы в составе гидропривода как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора.

Рисунок 1.2. Принципиальная схема гидропреобразователя

Гидропреобразователь предназначен для преобразования энергии одного потока рабочей жидкости в энергию другого потока с изменением значения давления. Как правило, в гидропреобразователях происходит увеличение давления. В качестве примера на рис. 1.2 приведена схема гидропреобразователя вращательного типа, состоящего из двух шестеренных гидромашин 1 и 2, валы которых жестко соединены между собой механической связью 3. При подводе к гидромашине 1 рабочей жидкости с давлением рвх ее вал вращается, передавая вращение валу гидромашины 2. Таким образом, гидромашина 1 работает в режиме гидромотора, а гидромашина 2 в режиме насоса. Из уравнения равновесия крутящих моментов на валах гидромашин имеем выражение для давления жидкости на выходе из преобразователя

,

где V₀₁, V₀₂ — рабочие объемы [11] гидромашин 1 и 2.

Но надо иметь в виду, что в процессе преобразования энергии происходит уменьшение расхода Q₂ в выходной гидролинии по сравнению с расходом Q₁ во входной, так как мощность потоков не меняется ( ), если не учитывать потери в гидропреобразователе, т. е.

,

Рисунок 1.3. Принципиальная схема гидровытеснителя

Гидровытеснитель предназначен для преобразования энергии одного потока рабочей жидкости в энергию другого потока без изменения значения давления. В качестве примера на рис. 1.3 приведена схема гидровытеснителя, в котором разделение потоков осуществляется с помощью поршня. Такие гидромашины обычно применяются для разделения двух видов рабочих жидкостей или жидкости и газа, применяемых в гидроприводах.

Гидроаппараты обеспечивают изменение, усиление или поддержание заданных значений давления, расхода или направления потока рабочей жидкости. В качестве собирательного названия гидроаппаратов допускается применять термин «гидроаппаратура». Устройство, принцип действия и характеристики гидроаппаратов подробно рассмотрены в учебном пособии [4].

Кондиционеры рабочей жидкости предназначены для обеспечения ее необходимых качественных показателей и состояния. К ним относятся фильтры и сепараторы, обеспечивающие очистку рабочей жидкости от загрязняющих примесей, теплообменники, обеспечивающие охлаждение или нагрев рабочей жидкости, и некоторые другие устройства.

Гидроемкости служат для содержания рабочей жидкости с целью использования ее в процессе работы гидропривода. К ним относятся гидробаки и гидроаккумуляторы.

Гидролинии предназначены для прохождения рабочей жидкости и передачи давления от одного устройства к другому. Конструктивно они представляют собой трубы, рукава, монтажные плиты, трубопроводные соединения. В качестве собирательного названия для гидролиний допускается применять термин «гидросеть».

Классификация устройств, входящих в состав гидропривода, дана на рис. 1.4.

Рисунок 1.4. Классификация устройств, входящие в состав гидропривода

В гидроприводе часто несколько устройств компонуются в одно целое. Наибольшее применение нашли следующие комбинированные устройства .[19].

Гидропередача — часть гидропривода, состоящая из насоса, гидродвигателя и соединяющих их гидролиний и предназначенная для передачи движения от приводящего двигателя к звеньям машины.

Насосный агрегат — устройство, состоящее из одного или нескольких насосов и приводящего двигателя, соединенных между собой.

Насосная установка — насосный агрегат с комплектующим оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса, и следовательно, подачу жидкости в систему при определенных значениях расхода и давления.

Гидроусилителем называют совокупность гидроаппаратов, предназначенных для преобразования и усиления мощности управляющего сигнала любой природы в мощность потока рабочей жидкости и изменения его направления в соответствии с этим сигналом.

Гидропанель представляет собой совокупность гидроаппаратов, конструктивно объединенных на монтажной плите в одно целое.

Области применения гидроприводов

Гидроприводы нашли широкое применение в целом ряде областей энергомашиностроения и других видов техники. Ниже рассматриваются лишь самые крупные потребители гидроприводов в настоящее время.

Станкостроение явилось одной из первых отраслей, где гидроприводы получили практическое применение в нашей стране. Гидроприводы применяются во многих универсальных, агрегатных, копировальных станках, технологических роботах, автоматических линиях для осуществления рабочих перемещений узлов, режущего инструмента и выполнения других операций. В станках с числовым программным управлением гидроприводы нашли преимущественное применение [15] в механизмах смены инструмента, фиксации положений рабочих органов, разгрузки неуравновешенных масс, устройствах цикловой автоматики, в системах гидростатической разгрузки направляющих и многих других. Широко применяются комбинированные электрогидравлические следящие приводы подач в тяжелых станках с большими рабочими усилиями.

В современных летательных аппаратах гидропривод стал основным видом силового привода. Гидроприводы применяют [14] в рулевых агрегатах, обеспечивающих управление полетом, для изменения стреловидности крыла, в системах уборки — выпуска шасси, системах торможения колес, выпуска воздушных тормозов, разворота передней опоры шасси, управления рулями, воздухозаборником. По данным [20] гидросистема современного самолета содержит более 50 гидромоторов, 80 гидроцилиндров при длине трубопроводов до 1,5 км. Для современного поколения самолетов [9] характерно использование электрогидравлических систем дистанционного управления и автономных рулевых приводов, что позволяет улучшить динамические характеристики, сравнительно легко включить в контур управления бортовую вычислительную машину. Автономные рулевые приводы обладают хорошей эксплуатационной технологичностью и повышенной надежностью.

В транспортных машинах гидроприводы применяются в гидротрансмиссиях автомобилей и тракторов [12], что позволяет простым способом осуществить привод каждого колеса и тем самым повысить проходимость машины, а также обеспечить бесступенчатость регулирования скорости без участия водителя. С помощью гидропривода происходит поворот управляемых колес автомобиля, опрокидывание кузова самосвала, управление механизмами, установленными на борту и другие действия.

В строительно-дорожных машинах применение гидроприводов дало большой эффект. Уменьшена масса и стоимость машин, обеспечены практически неограниченные возможности для создания различных компоновок машин с принципиально новыми свойствами, благодаря возможности расположения гидродвигателей непосредственно у рабочих органов машин, а насосов в двигательном отсеке. Гидроприводы применяются в экскаваторах, бульдозерах, грейдерах, самоходных кранах, автопогрузчиках, мусоровозах и во многих других строительно-дорожных машинах [31]. Они являются основным видом приводов, осуществляющих подъем и опускание грузов, перемещение многочисленных рабочих органов.

Сельскохозяйственное машиностроение является потенциально самым крупным потребителем гидроприводов [10]. Кроме использования в трансмиссиях тракторов и самоходных комбайнов, гидропривод применяется для управления навесными орудиями, для привода транспортеров и механизмов вибрационной уборки урожая, в системах регулирования глубины вспашки, для управления режущими аппаратами косилок, жаток, комбайнов и других машин. Гидропривод эффективен в этих машинах из-за того, что число рабочих органов в них велико, потребляемые мощности различны, рабочие органы значительно удалены от основного двигателя машины и имеют разнообразную пространственную ориентацию. Применение гидропривода позволяет отказаться от традиционных компоновок машин, повышает производительность и улучшает условия труда рабочих.

В металлургическом и кузнечно-прессовом оборудовании гидропривод применяется благодаря его возможностям реализовать огромные усилия, обеспечивать высокие быстродействие и точность. Примерами применения могут являться прокатные, волочильные и прошивочные станы, где особо следует отметить системы автоматического регулирования толщины прокатываемой полосы или ленты с управлением от ЭВМ. Гидроприводы также применяются в гидравличе­ских ножницах, в прессах для обжатия поковок, ковки, объемной штамповки, выдавливания и других процессах [5].

Угледобывающее и горнорудное машиностроение использует гидропривод во многих видах своей техники. В частности он применяется в угледобывающих комбайнах, мощных скребковых конвейерах, буровых станках, гидравлических крепях и щитах для проходки туннелей и шахт. Так, например, механизированные крепи включают до 1000 гидроцилиндров, 200 распределителей, 500 клапанов и до 5 км рукавов высокого давления [10], Применение гидропривода позволило повысить производительность оборудования при ограниченных габаритах, а возможность применения водосодержащих жидкостей сделала привод взрывобезопасным и удобным в эксплуатации.

Промышленные роботы и манипуляторы, предназначенные для замены труда человека, совершающего однообразные утомительные операции и операции в тяжелых, вредных для здоровья человека условиях, также широко применяют гидроприводы. Так, в пятикоординатном фрезерном станке с программным управлением [15] гидропривод осуществляет подъем и опускание руки манипулятора при, переносе режущего инструмента, выдвижение и поворот руки, выдвижение и сведение схвата, поворот схвата. Помимо обслуживания станков, роботы применяются в лакокрасочных, литейных и термических цехах, используются в сварочных работах, на участках гальвано-покрытий, при работах под водой и в космосе. Имеются и другие области применения гидроприводов [10, 11, 17].