гидроцилиндра
Если во внешних гидролиниях 2 и 3 давление отсутствует, два герметичных обратных клапана 1 и 4 закрыты, гидроцилиндр заперт, а управляющий поршень 5 находится в среднем положении. При повышении давления в одной из внешних гидролиний управляющий поршень смещается в сторону меньшего давления и открывает клапан, обеспечивающий слив жидкости из полости гидроцилиндра, в сторону которой должен начать смещаться его поршень. Таким образом, блокировка гидроцилиндра снимается.
5.4. Пневмоклапаны.
Обратные пневмоклапаны предназначены для пропускания сжатого воздуха только в одном направлении (рис. 5.20).
Рис. 5.20. Пневмоклапан обратный
Клапан 3 находится в корпусе 2 и в свободном состоянии прижимается пружиной 4 к седлу (проход от отверстия 5 к отверстию 1 закрыт). При подаче воздуха в отверстие 1 клапан 3 отодвигается от седла, открывая проход к отверстию 5.
Клапан быстрого выхлопа (рис. 5.21) служит для повышения быстродействия пневмоприводов путем уменьшения сопротивления выхлопной линии.
Рис. 5.21. Пневмоклапан быстрого выхлопа
Применение такого клапана (рис. 5.21, в) обеспечивает увеличение скорости втягивания штока пневмоцилиндра 1 под действием пружины. При включении пневмораспределителя 5 сжатый воздух проходит через клапан быстрого выхлопа 3, который пропускает его в поршневую полость цилиндра по трубопроводу 2, обеспечивая перемещение поршня влево. При выключении пневмораспределителя 5 давление в трубопроводе 4 падает, клапан быстрого выхлопа переключается, обеспечивая выпуск воздуха из полости пневмоцилиндра в атмосферу, минуя трубопровод 4 и пневмораспределитель 5. На рис. 5.21, а показана схема клапана быстрого выхлопа. Отверстие 2 клапана присоединяется к полости цилиндра. Сжатый воздух от распределителя подводится к отверстию 1. Отверстие 3 соединяется с атмосферой. На рис. 5.21, а показано положение клапана быстрого выхлопа при наполнении полости пневмоцилиндра сжатым воздухом. На рис. 5.21, б показано положение клапана при быстром опорожнении этой же полости цилиндра.
Пневмоклапаны последовательности предназначены для контроля рабочего цикла по давлению (разности давлений) в пневматических системах управления путем подачи пневматического сигнала при возрастании контролируемого давления (разности давлений) до заданной величины. Такие клапаны применяют также для переключения пневматически управляемых узлов в системах, когда нельзя использовать конечные выключатели (например при переменной длине хода поршня). На рис. 5.22 приведена конструкция активного клапана последовательности.
Рис. 5.22. Пневмоклапан последовательности
Чтобы избежать ложного сигнала до начала и при движении поршня цилиндра, предусмотрен дифференциальный поршень 2, полости которого сообщаются с напорной (отверстие Цн) и выхлопной (отверстие Ца) полостями цилиндра. Так как до начала движения и при движении поршня цилиндра разность давлений в его полостях меньше, чем после окончания хода, дифференциальный поршень 2 надежно удерживается в верхнем положении пружиной 3, настраиваемой винтом 5, и давлением в выхлопной полости, действующим на большую площадь поршня 2. После прохода поршня цилиндра в крайнее положение и его останова давление в напорной полости становится равным давлению в магистрали, а в выхлопной полости - атмосферному. Вследствие этого поршень 2, преодолевая действие пружины 3, перемещается вниз и через толкатель 4 перемещает клапан 1, тем самым соединяя его выход 0 с каналом питания П. На выходе образуется пневматический сигнал, который может использоваться для реверса этого пневмоцилиндра или управления работой других элементов схемы.
Устройство, открывающееся для сброса сжатого воздуха в атмосферу при превышении установленного давления воздуха и закрывающееся при восстановлении его до величины, близкой к заданной, называют предохранительным клапаном. В промышленности нашли применение предохранительные клапаны прямого действия пружинного типа с диаметрами условных проходов до 25 мм. На рис. 5.23 показан предохранительный клапан прямого действия.
Рис. 5.23. Предохранительный пневмоклапан
При превышении заданного давления, определяемого настройкой пружины 3, клапан 2 отходит от седла 1, обеспечивая свободный выход воздуха в атмосферу. Приспособление для принудительного открытия дает возможность продувкой проверить исправность клапана. При приложении усилия к кольцу 5 пружина сжимается и клапан 2 освобождается от ее воздействия. Если клапан не заклинен, то он отходит от седла, обеспечивая выход сжатому воздуху. Для исключения возможности перенастройки клапана применен защитный колпачок 4.
5.5. Гидравлические дроссели.
Назначение дросселей - устанавливать желаемую связь между пропускаемым расходом и перепадом давления до и после дросселя. По характеру рабочего процесса дроссели являются гидравлическими сопротивлениями с регламентированными характеристиками. Применение дросселей в качестве регулирующих элементов требует от них двух качеств:
1) возможности получения заданной характеристики, т.е. зависимости р = f (Q) желаемого вида;
2) сохранения стабильности характеристики при эксплуатации, а именно ее малой зависимости от изменения температуры (от вязкости) жидкости, неподверженность засорениям, облитерации.
Рассмотрим с этих позиций главные типы гидравлических сопротивлений и оценим возможность их использования в качестве регулирующих дросселей.
Использование к качестве дросселей капилляров, т.е. длинных трубок со значительными сопротивлениями трения в зоне ламинарного течения позволяет получать дросселирующие элементы с линейной взаимосвязью между расходом Q и потерей р давления, что весьма желательно. Линейные ламинарные дроссели применимы только при малых скоростях жидкости, т.е. при малых значениях потери р (обычно р < 0,3 МПа) и в условиях достаточно стабильной температуры при эксплуатации. Ввиду большой длины капилляров их выполняют обычно в виде винтов 1 (рис. 5.24) с прямоугольным сечением резьбы в хорошо подогнанной по наружному диаметру гильзе 2. Дроссель на рис. 5.24 регулируемый. Вращением винтовой головки 3 работающая длина lК винта и, следовательно, характеристика дросселя могут изменяться.
Рис. 5.24. Винтовой дроссель
Из-за указанных ограничений линейные дроссели с ламинарным течением, несмотря на удобный вид характеристики, применяют редко.
Капилляры с турбулентным течением жидкости имеют в широком диапазоне Q сложный характер зависимости р = f (Q), отличный от квадратичного из-за переменности коэффициента трения . Поэтому квадратичные капиллярные дроссели применимы в условиях незначительных изменений р и Q, что соответствует условиям в предохранительном клапане при небольшом диапазоне изменения вязкости. Во избежание засорения и облитерации размер проходов капилляров должен быть не менее 0,6-0,8 мм при условии фильтрации жидкости. Широко применяют в качестве дросселирующих устройств местные сопротивления, используемые в зоне квадратичных режимов течения. Подбор сопротивлений дросселей выполняют опытным путем. На рис. 5.25 показан игольчатый регулируемый квадратичный дроссель на базе конусного клапана. Для плавности регулирования угол конусности запирающего элемента делают по возможности малым (10-20°).
Рис. 5.25. Игольчатый дроссель
На рис. 5.26 показан крановый регулируемый дроссель с плоской дросселирующей щелью 1 в поворачиваемой пробке 2. Ориентировочно коэффициент расхода такой щели 0,8. Совместно со стенкой корпуса щель образует плоский сходящийся насадок 3 переменной угловой протяженности, устанавливаемой поворотом пробки при настройке. Для плавности регулирования щели делают узкими.
Рис. 5.26. Щелевой дроссель
В системах гидроавтоматики широко используются квадратичные дроссели для малых расходов, но с необходимостью обеспечения значительного понижения давлений. Из общего уравнения пропускной способности для местных сопротивлений видно, что такие дроссели должны иметь малую площадь S; следовательно они будут легко засоряться, облитерироваться, изменяя при этом характеристики. Поэтому получили распространение пакеты дросселей (рис. 5.27, а), составленные, как правило, из шайб с отверстиями, представляющими цилиндрические насадки.
а - с цилиндрическими насадками; б - с цилиндрическими
насадками и диаметральными щелями
Рис. 5.27. Пакетные дроссели
В пакете каждый насадок работает при малом перепаде давления и поэтому может иметь приемлемый размер прохода (d 0,6 - 0,8 мм). Сопротивление пакета должно равняться сумме сопротивлений отдельных насадков, однако на практике это часто не соблюдается по причине взаимного влияния насадков в пакете. Это возможно при малых размерах l1 и l2 (рис. 5.27, а) и главным образом из-за сближения осей отверстий по углу расположения. В последнем случае струя из предыдущего отверстия влияет на условия втекания в последующее и сопротивление системы резко уменьшается. Сборка таких дросселей требует взаимной фиксации шайб. Этих недостатков не имеет пакет дросселей, изображенный на рис. 5.27, б, состоящий из шайб с центральными отверстиями и шайб с диаметральными шлицами. В нем не нужны разделительные и безразлично взаимное расположение шайб при сборке. Шлицы, как и насадки имеют значительное сопротивление и поэтому в целом дроссели такого типа при реализации того же сопротивления имеют меньшее число шайб и более устойчивые характеристики. Важным свойством квадратичных дросселей, нарушающим стабильность их характеристик, является возможность их работы в режимах безотрывного и отрывного течений. Для дросселей, образованных цилиндрическими насадками, этого явления можно избежать, если на выходе из каждого насадка поддерживается достаточно высокое давление, исключающее кавитацию в нем. В этом отношении удобны пакетные дроссели.
В общем случае под управлением понимают комплекс действий, направленных на достижение в каком-либо процессе определенной цели.
Основной целью гидро- и пневмоуправления различными машинами и станками является: поддержание, а также изменение в заданных пределах давлений и расходов рабочих сред. В настоящее время для этого применяют различные виды регулирования:
1) дроссельное;
2) струйное;
3) объемное;
4) объемно-дроссельное.
В гидросистемах применяют все четыре вида регулирования. В пневмосистемах из-за сжимаемости воздуха используют только два первых вида регулирования. 6.1. Типы гидроприводов.
Каждый объемный гидропривод содержит источник энергии, т.е. жидкости под давлением. По виду источника энергии гидроприводы разделяют на три типа.
1. Насосный гидропривод - гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель объемным насосом, входящим в состав этого гидропривода. Он применяется наиболее широко. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от годродвигателя поступает во всасывающую гидролинию насоса) и гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак). Для привода насоса в насосном гидроприводе могут быть использованы различные двигатели. В связи с этим, если в понятии насосного – гидропривода включают также приводящий двигатель, то, в зависимости от типа этого двигателя различают электрогидропривод, турбогидропривод, дизельгидропривод, мотогидропривод и т.д.
2. Аккумуляторный гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумулятора. Такие гидроприводы используют в системах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов.
3. Магистральный гидропривод, в котором рабочая жидкость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали. Напор рабочей жидкости в гидромагистрали создается насосной станцией, состоящей из одного или нескольких насосов и питающей несколько гидроприводов (централизованная система питания).
По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы: поступательного движения - с возвратно- поступательным движением выходного звена и с гидродвигателями в виде гидроцилиндров; поворотного движения - с возвратно-поворотным движением выходного звена на угол менее 360о и с поворотными гидродвигателями; вращательного движения - с вращательным движением выходного звена и с гидродвигателями в виде гидромоторов.
Если в объемном гидроприводе отсутствует устройство для изменения скорости выходного звена, то такой гидропривод является нерегулируемым. Гидропривод, в котором скорость выходного звена можно изменять по заданному закону является регулируемым.
В некоторых случаях в насосном гидроприводе скорость выходного звена регулируется изменением скорости приводного двигателя (электродвигателя, дизеля и т. п.). Такое регулирование называется регулированием приводящим двигателем. Регулирование гидропривода может быть ручным, автоматическим и программным. Если в гидроприводе скорость выходного звена поддерживается постоянной при изменении внешних воздействий, то такой гидропривод называют стабилизированным. Следящим гидроприводом называют такой регулируемый гидропривод, в котором выходное звено повторяет движения звена управления.
Регулируемые гидроприводы широко используются в качестве приводов станков, прокатных станков, прессового и литейного оборудования, дорожных и строительных машин, транспортных и сельскохозяйственных машин и т. п. Такое широкое их применение объясняется рядом преимуществ (по сравнению с механическими и электрическими передачами), к которым относятся:
1) бесступенчатое регулирование передаточного числа в широком диапазоне и возможность передаточных отношений;
2) малая удельная масса, т.е. масса гидропривода, отнесенная к передаваемой мощности (0,2 – 0,3 кг на 1 кВт);
3) возможность простого и надежного предохранения приводящего двигателя от перегрузок;
4) малая инерционность вращающихся частей, обеспечивающая быструю смену режимов работы (пуск, разгон, реверс, остановка);
5) простота преобразования вращательного движения в возвратно - поступательное;
6) возможность расположения гидродвигателя на удалении от источника энергии и свобода компоновки.
Необходимо также считаться с недостатками гидропривода, а именно:
1) КПД объемного гидропривода несколько ниже, чем КПД механических и электрических передач, и, кроме того, он снижается в процессе регулирования;
2) условия эксплуатации гидропривода (температуры) влияют на его характеристики;
3) КПД гидропривода несколько снижается по мере выработки его ресурса из-за увеличения зазоров и возрастания утечек жидкости (падение объемного КПД);
4) чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и необходимость достаточно высокой культуры обслуживания.
6.2. Принципиальные схемы гидроприводов.
На рис. 6.1 приведены три принципиальные схемы, соответствующие трем классам гидроприводов, которые различаются характером движения выходного звена. На рис. 6.1 приведены следующие обозначения: 1 – регулируемый насос, 2 – гидродвигатель (на схеме а им является гидроцилиндр, на схеме б – поворотный гидродвигатель и на схеме в – гидромотор), 3 – гидрораспределитель (на схеме а – двухпозиционный с управлением от кулачка и с пружинным возвратом, на схеме б – трехпозиционный с управлением от электромагнитов и на схеме в – трехпозиционный с ручным управлением), 4 – предохранительный клапан, 5 – бак.
а – поступательного движения; б поворотного движения;
в – вращательного движения
Рис. 6.1. Схемы гидропривода
Насос захватывает жидкость из бака и нагнетает ее в гидродвигатель через распределитель. Из гидродвигателя жидкость движется через другой клапан распределителя и сливается в бак. Предохранительный клапан отрегулирован на предельно допустимое давление и предохраняет систему гидропривода с приводящим двигателем от перегрузок. Для улучшения условий всасывания жидкости из бака и предотвращения кавитации в насосе в гидроприводе вращательного движения (рис. 6.1, в) применен бак с наддувом, т.е. с давлением газа над поверхностью жидкости выше атмосферного.
Изменение направления движения выходного звена гидродвигателя (реверсирование) осуществляется изменением позиции распределителя, а регулирование скорости этого движения - увеличением или уменьшением рабочего объема насоса.
На рис. 6.1 показаны принципиальные схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией жидкости. Разрыв циркуляции происходит в баке, при этом исключается возможность реверсирования гидродвигателей путем изменения направления подачи насоса (реверса подачи). Для этой цели обязательно применение распределителей.
На рис. 6.2 показана схема гидропривода вращательного движения с замкнутой циркуляцией жидкости.
Рис. 6.2. Схема гидропривода с замкнутой
циркуляции жидкости
На рис. 6.2 изображены регулируемый насос 1 с реверсом подачи; регулируемый гидромотор 2 с реверсом вращения; предохранительные клапаны 3, защищающие гидролинии а и б от чрезмерно высоких давлений (каждая из них может оказаться напорной); система подпитки, состоящая из вспомогательного насоса 4, переливного клапана 5 и двух обратных клапанов 6 и предохраняющая гидролинии а и б от чрезмерно низких давлений (в целях избежания кавитации в насосе).
На рис. 6.1 и 6.2 изображены схемы гидроприводов раздельного использования, т.е. такие, в которых гидродвигатели расположены на расстоянии от насоса и соединены с ним трубопроводом. Это расстояние может измеряться метрами и даже десятками метров. Часто, особенно в самоходных машинах (тракторы, строительные, дорожные, сельскохозяйственные машины и др.), применяют гидроприводы в нераздельном исполнении. В них насос, гидромоторы гидроаппаратура расположены в общем корпусе и образуют компактную гидротрансмиссию, способную бесступенчато 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 гидромашины.