Материал: Гидропневмопривод специальных технических систем. Учебное пособие. Бородкин В.В., Болдырев А.И

Момент, развиваемый каждой из подвижных пластин, равен

, (4.14)

где b - ширина ротора.

Угловая скорость ротора двухкамерного двигателя составляет

. (4.15)

При четырехкамерном гидродвигателе развиваемый момент увеличивается, а угловая скорость уменьшается в 2 - раза. Так как применение многокамерных систем сокращает возможный угол поворота ротора, число камер более четырех применяют редко.

Одна из наиболее распространенных конструкций поршневого поворотного пневмодвигателя представлена на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Поворотный пневмодвигатель поршневого типа

Поворотный пневмодвигатель представляет собой пневмоцилиндр 1, шток 2, выступающая часть которого выполнена как зубчатая рейка 4, движущаяся во втулке 3. С рейкой-штоком сцеплена шестерня 5, жестко соединенная с выходным валом пневмомотора (ось 6 вала располагается перпендикулярно плоскости чертежа). Сжатый воздух попеременно подается в отверстия 7 и 8. Шток совершает возвратно-поступательные движения, а выходной вал - возвратно-поворотные.

5. Направляющая гидропневмоаппаратура

Под гидропневмоаппаратурой понимают устройства для управления потоком жидкости в гидроприводе или газа в пневмоприводе, посредством которых осуществляется регулирование этих приводов. Последнее может быть ручным или автоматическим, а с другой стороны - механическим, гидравлическим, электрическим или пневматическим.

5.1. Гидрораспределители.

Гидроаппаратами называют устройства, служащие для управления потоками жидкости: изменения или поддержания заданного давления или расхода, а также изменения направления движения потока. Среди всей массы гидроаппаратов можно выделить три наиболее характерных типа.

1. Гидрораспределители, основным назначением которых является изменение согласно внешнему управляющему воздействию направления движения потоков жидкости в нескольких гидролиниях. Наиболее широко применяются золотниковые гидрораспределители.

2. Клапаны - устройства, способные изменять проходную площадь, пропускающую поток, под его воздействием. Основное назначение клапанов поддерживать в полостях гидросистем давление жидкости в заданных пределах независимо от пропускаемого расхода (напорные и редукционные клапаны), ограничивать в безопасных пределах повышение давления (предохранительные клапаны), допускать движение потока в одном определенном направлении (обратные клапаны).

3. Дроссели - регулирующие устройства, способные устанавливать определенную связь между перепадом давления до и после дросселя и пропускаемым расходом.

Часто гидроаппараты совмещают функции основных перечисленных типов. Например, гидрораспределители кроме распределительных функций часто выполняют функции дросселей, а клапаны используются как элементы, распределяющие потоки. Гидроаппараты совместно с гидромашинами (насосами и гидродвигателями) образуют гидросистемы и, в частности, гидропередачи.

Гидрораспределители разделяют по типу запорно- регулирующих элементов на золотниковые, крановые и клапанные.

Четырехщелевой золотниковый распределитель, выполняющий функции как переключателя, так и регулирующего органа, показан на рис. 5.1.

а - течение через уплотняющую щель; б - течение через рабочую

щель; в - разрез по окну

Рис. 5.1. Четырех щелевой золотниковый распределитель

Показанный на рис. 5.1 золотниковый распределитель предназначен для управления движением жидкости по четырем гидролиниям. Распределитель имеет подвижный элемент - плунжер 7, расчлененный на запорно-регулирующие звенья 9, 11 и 16, и втулку 8 с окнами 10, 12 и 14.

Обычно к среднему окну 12 по линии 13 от питающей установки подводится жидкость ( ) под давлением р₂. Отверстия 5 и 6 соединены с гидроцилиндром, а окна 10 и 14 - с отводящей линией 15, присоединенной к области слива жидкости, давление в которой мало. Для уменьшения утечек q зазор между плунжером 7 и втулкой 8 должен составлять 3 - 5 мкм, а размеры звеньев плунжера и окон должны быть такими, чтобы при среднем положении 1', 2', 3' , 4' рабочие кромки образовывали перекрытие окон , т.е. распределитель имел положительное перекрытие. В среднем положении он способен с точностью до утечек запирать поршень в гидроцилиндре. При смещении плунжера кромки переходят в положение 1, 2, 3, 4. Кромки 2 и 4 образуют рабочие щели (рис. 5.1, б), проходная площадь которых составляет

, (5.1)

где d - диаметр плунжера;

- полная ширина щели при среднем радиальном зазоре ;

- часть периметра втулки, образующая щель (рис. 5.1, в).

Кромки 1 и 3 образуют уплотняющие щели (рис. 5.1, а) протяженностью с проходной площадью

. (5.2)

Согласно рис. 5.1, уравнение расходов для отдающей полости 5, из которой в гидродвигатель направляется расход , имеет вид

, (5.3)

а для приемной полости 6

, (5.4)

где и - утечки через уплотняющие щели;

- коэффициент расхода для рабочей щели золотника.

Так как в, золотниковых щелях большей частью существует развитый турбулентный поток (Re > 1000), принимают .

Ввиду малой ширины уплотняющих щелей поток в них обычно ламинарный, поэтому коэффициент расхода , зависящий от давления, может быть получен из выражения для течения через эксцентрическую кольцевую щель. При неизношенном золотнике высокого качества изготовления утечки и малы и ими часто пренебрегают. Рассмотрим характеристику симметричного золотникового распределителя, образующего равные перекрытия со всеми кромками. Для него открытия рабочих и протяженность уплотняющих щелей одинаковы и поэтому потери давления , утечки и, следовательно, . На рис. 5.2 изображена характеристика золотникового распределителя.

Рис. 5.2. Характеристика золотникового распределителя

Линейность связи между расходом Q и смещением х_b является важнейшим свойством золотникового распределителя, как регулирующего устройства. Питание гидроприводов осуществляется большей частью насосными установками с переливным клапаном. Они подают жидкость при р_н  р  const. Если к штоку гидроцилиндра приложена постоянная сила F = S р_Г, то скорость поршня будет линейной функцией смещения х_b золотника. Если сила F или, что то же, р_Г переменны в не слишком больших пределах, то связь между силой F и смещением х_b при постоянной скорости поршня v = Q_Г /S также близка к линейной. Таким образом, золотниковый распределитель как регулирующий гидроаппарат позволяет осуществить простейшую наиболее удобную связь между х_b, v, и F при управлении гидродвигателями.

На рис. 5.3 показаны запорно-регулирующие элементы трех возможных типов: с «положительным» (t > m), нулевым (t = т) и отрицательным (t < m) перекрытиями.

а – положительным; б – нулевым; в - отрицательным

Рис. 5.3. Запорно-регулирующие элементы с перекрытием

При положительном перекрытии (рис. 5.1) образуются наиболее протяженные уплотняющие щели х_ с гильзой. Это уменьшает утечки или при выбранных допустимых утечках позволяет использовать распределители с большими зазорами , что снижает трудоемкость изготовления и уменьшает износ золотника. Распределители со значительными положительными перекрытиями и зазорами   0,01 мм широко используют для позиционного перекрытия гидролиний. Для регулирования работы гидродвигателей они малопригодны, так как при переходе через нейтральное положение благодаря значительному х₀ (рис. 5.3, а) создают ощутимую зону нечувствительности, в которой гидродвигатель практически не реагирует на изменение смещения. Наиболее благоприятно для систем регулирования нулевое перекрытие, которое допускает отсутствие зоны нечувствительности. По причине технологических ограничений при изготовлении оно неосуществимо. Поэтому, как правило, для регулирующих золотниковых распределителей используют малое положительное перекрытие.

Золотниковые распределители с отрицательным перекрытием применяют сравнительно редко. Управление работой гидродвигателя при помощи такого распределителя возможно, но связано со значительными утечками, а регулировочные характеристики системы при этом нелинейны. Преимуществом негерметичного золотникового распределителя является большая плавность регулирования, исключающая возможность появления автоколебаний в гидропередаче, а также свободный перепуск жидкости через щели при нейтральном положении золотника и неработающем гидродвигателе, благодаря чему снижается потребление энергии насосом во время холостого хода гидропередачи.

В следящих гидросистемах, например, в гидроприводах станков золотниковые распределители выполняют функции чрезвычайно точного и чувствительного элемента управления работой гидродвигателей. При этом управление работой самих золотников производится маломощными электромагнитами, включенными в электронную систему, задающую процесс управления. Для таких золотниковых распределителей, кроме точности изготовления, необходимыми требованиями является, во-первых, стабильность пропускной способности щелей и, во-вторых, легкость перемещения.

Причиной нарушения стабильности пропускной способности щелей может являться облитерация - нарастание слоев поляризованных молекул жидкости на поверхностях, образующих щель. Из-за этого пропускная способность щели при одинаковом смещении золотника постепенно уменьшается. Если ширина щели мала (0,01- 0,02 мм) и ее стенки неподвижны, может произойти полное заращивание щели. Общепринятым методом борьбы с облитерацией является сообщение одной из поверхностей осцилляции в виде возвратно-поступательного или возвратно-поворотного движения с высокой частотой и малой амплитудой.

При перемещении золотника преодолеваются силы трения золотника о гильзу и силы гидродинамического происхождения, возникающие из-за перераспределения давления жидкости по поверхностям, образующим щели во время течения жидкости, по сравнению с распределением давлений в закрытом распределителе.

Силы трения могут быть велики при граничном трении в случае отжима золотника силами давления к одной из стенок. Отжим является следствием неизбежных при изготовлении и сборке конусности и перекосов, из-за которых закономерности падения давления в разных местах периметра уплотняющих щелей различны. Наиболее распространенный способ ослабления влияния этого явления - устройство канавок, выравнивающих распределение давления по периметру щели.

Явление отжима, усиливающего трение, не характерно для плоских золотников, в которых сравнительно просто достигается гидростатическое уравновешивание подвижного элемента. Золотник, показанный на рис. 5.4, состоит из торцовых гидростатических опор 2 и 6, разжатых между плоскостями 1 и 5 пружиной 3.

Рис. 5.4. Плоский гидростатический уравновешенный золотник

Гидростатические элементы центрируются кольцом 4 и уплотняются 0-образными резиновыми кольцами 9. Жидкость от питающей установки подводится по каналу 7 и при смещении золотника ухватом 11 направляется в одно из окон 12, ведущих к управляемому объекту. При этом областью слива жидкости из другого окна является полость, в которой расположен золотник. Размеры полостей и уплотняющих поверхностей на торцах 8 и 10 золотника выбирают так, чтобы силы давления на него сверху и снизу были одинаковы, и трение было обусловлено в основном лишь незначительным начальным поджатием пружиной. Согласно сказанному, плоские золотники относятся к числу наиболее чувствительных и применяются в точных следящих гидроприводах.

Цилиндрические и плоские золотниковые распределители удобны как для позиционного переключения, так и для регулирования работы гидродвигателей. Их главным недостатком являются утечки, которые не позволяют удерживать гидродвигатель под нагрузкой в неподвижном состоянии. В таких случаях для позиционного переключения предпочтительны клапанные распределители (рис. 5.5), имеющие увеличенные по сравнению с золотниками размеры и массу, но позволяющие герметично перекрывать гидролинии.

а - гидростатически уравновешенный запирающий элемент;

б - блок клапанных запирающих элементов с механическим

приводом для управления работой гидроцилиндра

Рис. 5.5. Клапанный распределитель

В закрытом положении клапан удерживает пружина 1 (рис. 5.5, а), а открытие производится надавливанием на головку 5. Чтобы силы, требуемые для открытия и удержания клапана в закрытом положении, были малы, запирающий элемент 3 помещен между разгрузочными поршнями 2 и 4 с уплотняющими кольцами. Схема клапанной коробки, обслуживающей гидроцилиндр с управлением работой клапанов при помощи кулачкового вала показана на рис. 5.5, б.

В менее ответственных случаях и при ограничении размеров для позиционного переключения используют малогабаритный крановый гидрораспределитель (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Крановый пробковый распределитель

Он имеет пробку 3, тщательно подогнанную по цилиндрической или конической поверхности к отверстию в корпусе 6, имеющем каналы 5 подвода, 7 отвода и 1 и 4 питания гидродвигателя. В пробке на двух уровнях выполнены отверстия 2. Между плоскими срезами пробки находятся уплотняющие перемычки 8. При повороте на 45° соединение гидролиний изменяется и может, в частности, осуществляться реверс гидродвигателя. При размещении мест присоединения гидролиний учтена необходимость гидростатического уравновешивания пробки: давления жидкости на две противоположные грани пробки всегда одинаковы. Этим уменьшается момент трения, преодолеваемый при повороте крана. Пробковые краны из-за значительных утечек и моментов трения для работы при высоких давлениях (р > 10 МПа) не применяют.