Материал: Гидроприводы. Основные понятия и определения

·        С приводом от ДВС;

·        С турбиной.

Рисунок 4 - Классификация объемных насосов по типу вытесняющего элемент.

4. Преимущества и недостатки гидравлического привода

Широкое распространение гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин. Вот основные из них.

. Бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена гидропередачи и обеспечение малых устойчивых скоростей. Минимальная угловая скорость вращения вала гидромотора может составлять 2…3 об/мин.

. Небольшие габариты и масса. Время разгона, благодаря меньшему моменту инерции вращающихся частей не превышает долей секунды в отличие от электродвигателей, у которых время разгона может составлять несколько секунд.

. Частое реверсирование движения выходного звена гидропередачи. Например, частота реверсирования вала гидромотора может быть доведена до 500, а штока поршня гидроцилиндра даже до 1000 реверсов в минуту.

. Большое быстродействие и наибольшая механическая и скоростная жесткость. Механическая жесткость - величина относительного позиционного изменения положения выходного звена под воздействием изменяющейся внешней нагрузки. Скоростная жесткость - относительное изменение скорости выходного звена при изменении приложенной к нему нагрузки.

. Автоматическая защита гидросистем от вредного воздействия перегрузок благодаря наличию предохранительных клапанов.

. Хорошие условия смазки трущихся деталей и элементов гидроаппаратов, что обеспечивает их надежность и долговечность. Так, например, при правильной эксплуатации насосов и гидромоторов срок их службы доведен в настоящее время до 5…10 тыс. ч работы под нагрузкой. Гидроаппаратура может не ремонтироваться в течение долгого времени (до 10…15 лет).

. Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотные без применения каких-либо механических передач, подверженных износу.

Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту автоматизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе.

Гидроприводу присущи и недостатки, которые ограничивают его применение. Основные из них следующие.

. Изменение вязкости применяемых жидкостей от температуры, что приводит к изменению рабочих характеристик гидропривода и создает дополнительные трудности при эксплуатации гидроприводов (особенно при отрицательных температурах).

. Утечки жидкости из гидросистем, которые снижают КПД привода, вызывают неравномерность движения выходногозвена гидропередачи, затрудняют достижение устойчивой скорости движения рабочего органа при малых скоростях.

. Необходимость изготовления многих элементов гидропривода по высокому классу точности для достижения малых зазоров между подвижными и неподвижными деталями, что усложняет конструкцию и повышает стоимость их изготовления.

. Взрыво- и огнеопасность применяемых минеральных рабочих жидкостей.

. Невозможность передачи энергии на большие расстояния из-за больших потерь на преодоление гидравлических сопротивлений и резкое снижение при этом КПД гидросистемы.

. Рабочие жидкости для гидросистем

В гидроприводе рабочая жидкость является энергоносителем, благодаря которому устанавливается связь между насосом и гидродвигателем. Кроме того, рабочая жидкость обеспечивает смазку подвижных частей элементов гидропривода.В качестве рабочих жидкостей в гидравлическом приводе применяют минеральные масла, водомасляные эмульсии, смеси и синтетические жидкости. Выбор типа и марки рабочей жидкости определяется назначением, степенью надежности и условиями эксплуатации гидроприводов машин

Выбор рабочих жидкостей для гидросистемы машины определяется:

·        Диапазоном рабочих температур;

·        Давление в гидросистеме;

·        Скоростями движения исполнительных механизмов;

·        Конструкционными материалами и материалами уплотнений;

·        Особенностями эксплуатации машины (на открытом воздухе или в помещении, условиями хранения машины, возможностями засорения и т.д.).

Диапазон рекомендуемых рабочих температур находят по вязкостным характеристикам рабочих жидкостей. Верхний температурный предел для выбранной рабочей жидкости определяется допустимым увеличением утечек и снижением объемного КПД, а также прочностью пленки рабочей жидкости.

Нижний температурный предел определяется работоспособностью насоса, характеризующейся полным заполнением его рабочих камер или пределом прокачиваемости жидкости насосом. При безгаражном хранении машин в зимнее время вязкость жидкостей становится настолько высокой, что в периоды пуска и разогрева гидросистемы насос некоторое время не прокачивает рабочую жидкость. В результате возникает "сухое" трение подвижных частей насоса, кавитация, интенсивный износ и выход насоса из строя. Таким образом, при применении рабочих жидкостей в условиях отрицательных температур пуску гидропривода в работу должен непременно предшествовать подогрев рабочей жидкости. Максимальные и минимальные значения вязкости рабочих жидкостей в зависимости от типа насоса приведены в табл.2.[3]

гидравлический привод двигатель циркуляция

Таблица 2

Значения вязкости при крайних температурных пределах

. Гидроприводы с дрюссельным управлением

Общие сведения. Гидроприводом с дроссельным управлением называется гидропривод, в котором управление параметром движения выходного звена гидродвигателя осуществляется при помощи регулируемого дросселя или регулятора расхода, дросселирующего распределителя или гидроусилителя.

По источнику подачи рабочей жидкости гидроприводы с дроссельным управлением могут быть насосными, аккумуляторными и магистральными. В насосных гидроприводах применяют обычно нерегулируемые насосы. При этом подача насоса должна превышать максимальный расход гидродвигателя. По циркуляции рабочей жидкости гидроприводы с дроссельным управлением являются гидроприводами с разомкнутым потоком. Они могут быть поступательного, поворотного и вращательного движения.

В зависимости от схемы гидроприводы с дроссельным управлением разделяют на гидроприводы с постоянным и переменным давлением. Для гидроприводов с постоянным давлением характерно наличие переливного клапана, который поддерживает в напорной линии постоянное давление путем непрерывного слива рабочей жидкости. В гидроприводе с переменным давлением в напорной линии давление изменяется в зависимости от нагрузок гидродвигателя. В таких гидроприводах дроссель устанавливают параллельно гидродвигателю.

Изменение скорости движения выходных звеньев гидродвигателей осуществляется изменением расхода рабочей жидкости путем дросселирования. При этом лишняя часть потока рабочей жидкости непроизводительно сливается в бак либо через переливной клапан, либо через регулируемый дроссель (при его параллельном включении в гидроприводах с переменным давлением).

В гидроприводе с дроссельным управлением в каждый момент времени соблюдаются следующие равенства (без учета потерь):

_н = Q_гд + Q_п.к; Q_н = Q_гд + Q_др,                             (1)

где Q_н - подача нерегулируемого насоса; Q_гд - расход жидкости, поступающей в гидродвигатель; Q_п.к, Q_др - расход жидкости, проходящей через переливной клапан, дроссель.

В гидроприводах с регулируемыми дросселями и регуляторами расхода изменение направления движения выходных звеньев гидродвигателей (реверсирование) осуществляется при помощи направляющих распределителей.

Основными преимуществами гидроприводов с дроссельным управлением являются высокая чувствительность и большое быстродействие, простота конструкции гидроустройств и невысокая их стоимость; возможность автономного управления гидродвигателями, работающими от одного насоса. К недостаткам относятся: сложность обеспечения дистанционного управления гидроприводом или объемной гидропередачей, в состав которых входят регулируемые дроссели и регуляторы расхода; более низкий по сравнению с гидроприводом с машинным управлением КПД, обусловленный самим принципом дросселирования рабочей жидкости. Поэтому гидроприводы и объемные гидропередачи с дроссельным управлением обычно применяют при мощности не более 5 кВт.

Гидроприводы с постоянным давлением. В таких гидроприводах регулируемые дроссели устанавливают либо в напорной линии перед направляющим распределителем (дроссель на входе), либо в сливной линии после направляющего распределителя (дроссель на выходе).

На рис. 5, а показана гидравлическая принципиальная схема гидропривода с дросселем, установленным на входе гидродвигателя (гидроцилиндра). Гидропривод состоит из нерегулируемого насоса Н с приводящим электродвигателем ЭД, бака Б, переливного клапана К, регулируемого дросселя ДР, направляющего распределителя РН и поршневого гидроцилиндра Ц.

На рис. 5, б показаны механические характеристики гидроприводов с регулируемым дросселем на входе с постоянным давлением -зависимости скорости движения штока цилиндра от нагрузки.

Гидроприводы и объемные гидропередачи с дросселями, установленными на входе гидродвигателей, нельзя использовать для работы с отрицательной нагрузкой, т.е. с нагрузкой, направление действия которой совпадает с направлением движения штока цилиндра. Под действием отрицательной нагрузки скорость штока может увеличиться настолько, что произойдет разрыв сплошности потока в рабочей полости цилиндра, и движение поршня цилиндра станет неуправляемым, так как в сливной линии отсутствуют тормозные или демпфирующие устройства.

Рисунок 5 - Гидропривод с дросселем на входе а - гидравлическая принципиальная схема; б - характеристика

Расход Q_ц жидкости, подводимой к цилиндру, равен расходу жидкости через дроссель Q_др:

,                  (2)

где  - коэффициент расхода; μ = 0,6 ... 0,7; S_др - площадь рабочего проходного сечения, м²; Δр - перепад давлений, Па; ρ - плотность жидкости, кг/м³.

Излишек жидкости, равный Q_н - Q_др, сливается в бак через переливной клапан, который поддерживает давление р₁ постоянным. Давление р₂ в линии после дросселя, зависящее от нагрузки, определяют из условия равновесия цилиндра (без учета сил трения и инерции)

,                             (3)

где  - рабочая площадь поршня цилиндра, м²; F - нагрузка на штоке цилиндра, Н; р_с - давление жидкости в сливной линии, Па.

Средняя скорость штока цилиндра:

,            (4)

Скорость движения штока цилиндра

,                   (5)

Преимущества рассматриваемого гидропривода: возможность управления скоростью движения выходных звеньев гидродвигателей при знакопеременной нагрузке, быстрое торможение выходного звена гидродвигателя; отвод теплоты, выделяющейся при дросселировании рабочей жидкости, в бак, минуя гидродвигатель, К недостаткам относятся зависимость скорости движения выходного звена гидродвигателя от нагрузки, а также меньшая экономичность по сравнению со схемой гидродвигателя с дросселем на входе (часть мощности гидродвигателя затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления в сливной линии).

Такой гидропривод получил широкое применение в следящих гидроприводах с автоматическим управлением. Для этой схемы характерны быстродействие и точность отработки управляющих сигналов. К недостаткам можно отнести зависимость скорости движения выходных звеньев гидродвигателя от нагрузки, а также нагрев жидкости в результате двойного дросселирования потока жидкости.[4]

. Гидроприводы с машинным управлением

Гидроприводом с машинным управлением называется гидропривод, в котором управление параметрами движения выходного звена гидродвигателя осуществляется регулируемым насосом пли регулируемым гидромотором, или обеими регулируемыми гидромашинами (насосом и гидромотором).

Теоретическую (расчетную) частоту вращения вала гидромотора в таких гидроприводах определяют из условий равенства подача насоса Q_н и расхода Q_м гидромотора:

_н = Q_м или V_он*п_н = V_ом*п_м,              (6)

где V_он и V_ом - рабочие объемы насоса и гидромотора; п_н и п_м - частоты вращения насоса и гидромотора:

п_м = Q_м / V_ом = п_н* V_он / V_ом.                     (7)

Частота вращения вала насоса для гидроприводов с машинным управлением постоянна. Следовательно, осуществлять управление частотой вращения вала гидромотора можно тремя способами: изменять рабочий объем насоса или гидромотора или одновременно изменять рабочие объемы и насоса, и гидромотора. Первый способ применяют в гидроприводах поступательного, поворотного и вращательного движения, второй и третий - только в гидроприводах вращательного движения.

На рис.6 приведены простейшие схемы гидроприводов с машинным управлением. Гидропривод с регулируемым насосом и нерегулируемым гидромотором (см.рисунок,6а) является самым распространенным. Принцип его работы следующий. При включении приводящего электродвигателя ЭД насос Н нагнетает рабочую жидкость по напорной линии 1 в гидромотор М, вал которого под действием крутящего момента вращается в определенном направлении. Из гидромотора рабочая жидкость по сливной линии 2 снова поступает в насос.

Рисунок 6 - Простейшие принципиальные схемы и характеристики гидроприводов с машинным управлением:а, б - с регулируемым насосом; в, г - с регулируемым гидромотором

Давление р_н гидропривода в напорной линии зависит от нагрузки гидромотора:

,                                      (8)

где  - вращающий момент гидромотора, Н×м;  - перепад давлений в гидромоторе, Па;  - потери давления в гидролиниях, Па.