Пташкина-Гирина О.С.; Щирый В.Д. Гидравлика. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

141

бильные машины в основном оборудованы гидроприводом с ра-

зомкнутой циркуляцией жидкости.

2. Аккумуляторный гидропривод, в котором рабочая жид-

кость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного

гидроаккумуятора. Такие гидроприводы используют в системах с

кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом

циклов.

3. Магистральный гидропривод, в котором рабочая жид-

кость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали. Давление

рабочей жидкости в гидромагистрали создается насосной станци-

ей, состоящей из одного или нескольких насосов и питающей не-

сколько гидроприводов.

13.2. Принципиальная схема гидропривода

По кинематическому признаку объемный гидропривод бы-

вает поступательного, вращательного или поворотного движения.

На рис. 13.2 показана принципиальная схема гидропривода с

разомкнутой циркуляцией жидкости. На схеме указаны только

основные элементы.

1 – насос регулируемый (может быть и нерегулируемый); 2 - гид-

родвигатель поступательного движения (гидроцилиндр); 2а –

гидродвигатель вращательного движения (гидромотор); 2б – гид-

родвигатель поворотного движения; 3 – гидрораспределитель; 4 -

предохранительный клапан; 5 – гидроемкость

Рис. 13.2

142

На рис.13.3 приведена схема гидропривода вращательного

движения с замкнутой циркуляцией жидкости. На схеме изобра-

жены регулируемый насос 1 с реверсом подачи; регулируемый

гидромотор 2 с реверсом вращения; предохранительные клапаны

3, защищающие гидролинии а и б от чрезмерно высоких давле-

ний; система подпитки, состоящая из вспомогательного насоса 4,

переливного клапана 5 и двух обратных клапанов 6 и предохра-

няющая гидролинии а и б от чрезмерно низких давлений (в целях

избежания кавитации в насосе).

Рис. 13.3

На рис.13.2 и 13.3 изображены схемы гидроприводов раз-

дельного исполнения, т.е. такие, в которых гидродвигатели рас-

положены на расстоянии от насоса и соединены с ним трубопро-

водом. Это расстояние может измеряться метрами и даже десят-

ками метров. Часто, особенно в самоходных машинах (тракторы,

строительные, дорожные, сельскохозяйственные машины и др.),

применяют гидроприводы в нераздельном исполнении. В них на-

сос, гидромоторы и гидроаппаратура расположены в общем кор-

пусе и образуют компактную гидротрансмиссию, способную бес-

ступенчато изменять частоту вращения ведомого вала и удобную

для автоматизации управления приводимой машины. В таких

трансмиссиях, заменяющих ступенчатые коробки передач, как

правило, используются регулируемые аксиально-поршневые гид-

ромашины.

143

13.3. Область применения объемных гидроприводов

В настоящее время объемные гидроприводы широко приме-

няют во многих отраслях техники:

- в сельскохозяйственных машинах – для управления навес-

ными агрегатами, в уборочных комбайнах в качестве силовых

трансмиссий, как рулевое управление тракторов и комбайнов;

- в металлорежущих станках, автоматах и агрегатах – для

зажима заготовок и подачи режущего инструмента. Следящие

гидроприводы копировальных станков позволяют обрабатывать

детали с применением копира. Применяют также следящие гид-

роприводы с числовым программным управлением;

- в кузнечно-прессовом оборудовании – в качестве силовых

приводов прессов и молотов;

- в водном транспорте – в качестве силовых приводов греб-

ных установок, палубных лебедок, кранов и других вспомога-

тельных судовых механизмов, а также для поворота рулей судов;

- в шахтном и горнорудном оборудовании (в угледобываю-

щих комбайнах, стругах, домкратах и механизмах подачи);

- в транспортных машинах – для силовых трансмиссий,

управления скоростями движения и поворотом руля автомобиля,

опрокидывания кузова самосвалов;

- в дорожных и подъемно-загрузочных машинах (экскавато-

рах, грейдерах, скреперах, бульдозерах, кранах и т.д.) – для подъ-

ема и перемещения груза;

- в авиационной и ракетной технике – для управления аэро-

динамическими и газовыми рулями, в механизмах изменения

геометрии крыла, в механизмах управления шасси и наземных

установках обеспечения и запуска летательных аппаратов;

- в радиолокационной технике – для поворота антенн. При

этом практически не возникают ни магнитные, ни электрические

помехи;

- в манипуляторах – в качестве силовых приводов отдельных

органов, которые довольно просто обеспечивают обратную связь

по усилиям, возникающим на рабочих органах манипулятора.

144

13.4. Достоинства и недостатки объемных гидроприводов

Объемные гидроприводы обладают следующими достоинст-

вами.

1. Способность передавать большие усилия при малых раз-

мерах установки. Гидравлические системы, проигрывая электри-

ческим в компактности и массе аппаратуры управления, значи-

тельно превосходят последние по конструктивным возможностям

получения малогабаритных и мощных исполнительных механиз-

мов. Например, габариты современного гидромотора составляют

12…20% габаритов электродвигателя той же мощности.

2. Гидродвигатели вращательного действия (гидромоторы)

обладают значительно меньшим моментом инерции, чем элек-

тродвигатели. Благодаря этому возможно высокое быстродейст-

вие гидромотора (время разгона составляет 0,1 с, время реверса

0,03…0,20 с). Вследствие этого гидропривод обеспечивает высо-

кую частоту реверсирований: для гидромотора – до 500 и более,

для гидроприводов прямолинейного движения с относительно

небольшими массой и ходами – до 1000 в минуту.

3. Возможность бесступенчатого регулирования выходной

скорости в широком диапазоне. Например, передаточное отно-

шение гидромотора (отношение минимальной частоты вращения

к максимальной) составляет во многих случаях 1:1000. Нижний

предел частоты вращения большинства существующих гидромо-

торов доведен до 5···10 об/мин, чего не скажешь об электродвига-

телях.

4. Независимость расположения узлов гидросистемы и воз-

можность разветвления мощности. В этом отношении гидропри-

вод подобен электроприводу. В гидроприводах разнообразное

взаимное расположение насосов и гидродвигателей обеспечива-

ется применением трубопроводов. Мощность потока жидкости на

выходе из одного насоса легко разветвлить для привода несколь-

ких гидродвигателей. Применение секционных насосов еще бо-

лее упрощает эту функцию.

5. Простота преобразования вращательного движения в по-

ступательное или поворотное. Система насос – гидроцилиндр или

145

насос – моментный гидроцилиндр позволяет легко преобразовы-

вать движение в поступательное или поворотное. При этом обес-

печиваются независимость расположения узлов, достаточная ве-

личина перемещения, надежная фиксация рабочего органа в лю-

бом заданном положении и возможность регулирования скорости

перемещения.

6. Сравнительная простота предохранения гидропривода и

рабочей машины от перегрузок. Это достигается установкой пре-

дохранительного клапана на выходе из насоса.

7. Сравнительная простота автоматического регулирования

привода.

8. Самосмазываемость узлов гидропривода. Это весьма цен-

ное достоинство, т.к. при создании механических силовых при-

водов необходимо предусматривать и систему смазки.

9. Простота изготовления элементов гидропривода и экс-

плуатации. Высокая надежность и долговечность. Так, срок

службы многих типов насосов и гидродвигателей доведен до

20000 часов и более, а гидрораспределитель с электрогидравли-

ческим управлением при давлении 12,5 МПа выдерживает около

2000000 переключений, сохраняя работоспособность.

В качестве примера, который наглядно показывает надеж-

ность гидрооборудования, могут послужить наблюдения за рабо-

той и хронометраж простоев двух автоматических линий. Про-

стои линии из-за неисправностей электрооборудования состав-

ляют 14…35% от всех потерь, по вине гидрооборудования –

0,42…1,12%.

Недостатки гидроприводов.

1. Ограничение скорости течения жидкости в гидросистеме

(3…5м/с).

2. Насыщение рабочей жидкости воздухом, нагрев и загрязнение.

Это приводит к ее усиленному нагреву за счет выделения

тепла при сжатии воздуха, нарушению быстроты и точности сра-

батывания выходного звена гидропривода. Изменение темпера-

туры рабочей жидкости оказывает влияние на эксплуатационную

характеристику системы. Если 6…10% сжимаемого объема рабо-

чей жидкости составляет растворенный воздух, то при снижении

146

давления в системе жидкость вспенивается, а при резком измене-

нии нагрузки может возникнуть скачкообразное перемещение

исполнительного механизма.

Загрязнение рабочей жидкости приводит к повышенному

износу, увеличению зазоров в подвижных элементах гидрообору-

дования, снижению объемного к.п.д. системы.

Анализ причин отказов и нарушений в работе гидрофициро-

ваных машин и систем показывает, что примерно 75% всех неис-

правностей являются следствием перечисленных выше факторов.

Действие этих факторов может быть устранено или в значи-

тельной степени снижено при условии, если гидравлическая сис-

тема спроектирована правильно или грамотно эксплуатируется.

13.5. Требования к рабочей жидкости

Рабочая жидкость гидросистем должна обладать:

- хорошими смазывающими свойствами по отношению к

материалам трущихся пар;

- минимальной зависимостью вязкости от температуры в

требуемом диапазоне температур;

- малой упругостью насыщенных паров и высокой темпера-

турой кипения. В жидкость не должны входить легкоиспаряю-

щиеся компоненты, что может привести к загустению жидкости;

- нейтральностью к применяемым материалам и малым аб-

сорбированием воздуха, а также легкостью его отделения;

- устойчивостью к окислению и длительным сроком службы;

- высоким объемным модулем упругости и малым коэффи-

циентом теплового расширения;

- высокими изолирующими и диэлектрическими свойствами.

Все многообразие применяемых в гидроприводах рабочих

жидкостей можно разделить на две группы: на минеральной

(нефтяной) и синтетической основах. Рабочие жидкости на неф-

тяной основе имеют сравнительно низкую верхнюю границу

температурного диапазона и содержат различные антиокисли-

тельные и антикоррозионные присадки. Синтетические рабочие

147

жидкости обладают высокотемпературными свойствами; они не-

горючие, но очень дороги.

13.6. Объемный гидропривод возвратно-поступательного

движения

В качестве гидродвигателей (см. рис. 13.2) в этих приводах

используются силовые гидроцилиндры, в которых возвратно-

поступательное движение осуществляется под действием давле-

ния рабочей жидкости.

В зависимости от конструктивного исполнения силовые ци-

линдры могут быть - с односторонним выходом штока (а); - с

двухсторонним (б); - телескопические (в) (рис.13.4).

а б в

Рис. 13.4

Основными рабочими элементами силового цилиндра явля-

ются шток с поршнем и цилиндр, то есть из всех гидравлических

машин силовые цилиндры являются самыми простыми по конст-

рукции.

Один из элементов (шток или цилиндр) крепится к объекту

неподвижно, другой совершает возвратно-поступательное дви-

148

жение под давлением рабочей жидкости, действующей на пор-

шень, или внешней нагрузки.

Если шток с поршнем под действием рабочей жидкости мо-

жет перемещаться в двух противоположных направлениях, то та-

кие гидроцилиндры двухстороннего действия, если в одном – од-

ностороннего. Обратный ход цилиндра одностороннего действия

совершается под действием внешней нагрузки или пружины.

В большинстве случаев эти гидроцилиндры не имеют порш-

ней, роль последних выполняют штоки (плунжеры).

Для предупреждения наружных утечек рабочей жидкости по

разъемам силового цилиндра и штоку, а также перетекания жид-

кости из одной полости в другую поршень, шток и неподвижные

разъемные соединения герметизирую при помощи специальных

уплотнительных устройств.

Помимо обеспечения возвратно-поступательного движения

силовые цилиндры широко используются для поворота вала 1 на

ограниченный угол (до 120

), что упрощает кинематику привод-

ных механизмов (рис.13.5).

Рис .13.5

Для целей поворота выходного вала с ограниченным углом

выпускаются поворотные гидродвигатели (моментные гидроци-

линдры) (рис.13.6). Ротор уплотнен радиально корпуса 3 подвиж-

ной 4 и неподвижной 1 пластинами, образующими камеры 2 и 2´,

в которые подводится и отводится жидкость. Так как применение

многокамерных поворотных гидродвигателей сокращает возмож-

ный угол поворота вала (ротора), число камер более четырех ис-

пользуют редко.

149

Рис.13.6

13.7. Принцип расчета гидропривода

Представим схему гидропривода с разомкнутой циркуляци-

ей жидкости (рис.13.7) и для упрощения последующих расчетов

выберем силовой цилиндр с двухсторонним выходом штока и все

гидролинии одного диаметра. Таким образом, скорость движения

рабочей жидкости в гидролиниях будет одинаковой.

Рис.13.7

При расчете такого гидропривода силовой цилиндр рассмат-

ривается как местное сопротивление, на котором произошел пе-

репад давления ∆р

= р

- р

при движении поршня, например,

слева направо.

Перепад давления ∆р

может быть выражен из уравнения

равновесия поршня:

150

РТ

РР

р ++−+=−

























Силой инерции Р

при расчете таких гидроприводов обычно

пренебрегают; так как сила трения Т зависит от качества обра-

ботки внутренних поверхностей и в нашем случае незначительно

зависит от внешней нагрузки Р, то ее можно считать величиной

постоянной и из анализа исключить. Тогда

(

)

−π

=−=∆

Давление р

, которое необходимо создать насосу будет

больше полученного ∆р

на величину потерь давления в системе

Σр

тр

Так как система гидравлического привода является частным

случаем короткого трубопровода, то при подсчете потерь давле-

ния должны быть учтены как линейные, так и местные потери:

р ζρΣ+⋅λρΣ+∆=

Выразим скорость движения рабочей жидкости по гидроли-

ниям через подачу насоса из выражения

рd

Q =

;

Тогда













++=

Усgж

Усgл

Дp

Для конкретной гидравлической системы выражение в скоб-

ках будет величиной постоянной. Обозначим ее буквой «В». То-

гда можно записать

. (13.1)

По выражению (13.1) построим гидравлическую характери-

стику системы и, наложив на нее характеристику объемного на-

соса, получим в их пересечении рабочую точку системы (точка

А) (рис. 13.8) или рабочий режим системы:

нас

;

нас