2.10. Основы проектирование гидросистем технологического оборудования

Типовые схемы переключения скоростей [1, рис.37, 38, 41], последовательного включения гидродвигателей с путевым управ­лением [1, рис.61, 62а] и с управлением по давлению [1, рис.55, 60]. разгрузки насосов [1, рис.46, 47а, 50; 2, с.388]. Устройство и принцип действия гидроприводов технологического оборудова­ния различного назначения [1, рис. 61; 2, с.338]. Расчет и выбор рабочих параметров, выбор аппаратуры, расчет потерь и КПД гидравлической системы [1,2].

2.11. Гидроусилители и гидравлические следящие приводы

Золотниковые гидроусилители. Дросселирующий распреде­литель Г-68-1. [2, с.246]. Струйный гидроусилитель [3, рис.3.115]. Гидроусилитель «сопло-заслонка» [3, рис.3.113; 2, с.252] . Гидро­усилители крутящего момента с поворотным золотником [2, с.257, 258] и с осевым золотником [2, с.261] . Следящий гидропривод токарного станка [3, рис. 3.110]. Следящий гидропривод фрезерного станка [2, с.241]. Электрогидравлические шаговые и следящие приводы [2, с.255, 269]. Гидроаппаратура с пропорцио­нальным управлением [2, с.254 2-е изд. 1988 г.].

Примечание. Ссылки на справочник [2] даны для первого издания 1982 г. Для последующих изданий страницы по указанным разделам могут не совпадать.

2.12. Пневмопривод и пневмоавтоматика [6|

Принцип действия и структура пневматических систем управления. Особенности пневмосистем. Воздух как рабочее тело пневмосистем. Основные параметры пневматических устройств. Аппаратура подготовки воздуха. Распределительная и регули­рующая аппаратура.

Логико-вычислительные элементы. Исполнительные устройства: пневмоцилиндры различных типов, пневмодвигатели с вращательным движением, вакуумные устройства. Типовые схемы управления и пневмоприводы транспортно-технологических машин.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина «Гидропривод и гидропневмоавтоматика» имеет прикладное значение и призвана научить студентов грамотно проектировать и эксплуатировать станочный гидропривод.

Студент должен освоить принципы работы как всего объемного гидропровода, так и отдельных его элементов. Справочник [2] содержит описание конструкций, технические характеристики, области применения гидромашин и аппаратов, выпускаемых отечественной промышленностью. Здесь же коротко даются не­которые теоретические основы объемного гидропривода. Учеб­ное пособие [1] содержит описание машин и аппаратов, расчет­ные зависимости параметров гидравлических систем, принципи­альные схемы и элементы гидроприводов, работающих в автома­тическом цикле. В пособии встречаются устаревшие термины и небольшие отклонения от стандартов, не носящие, впрочем, принципиального характера. Поэтому желательно при изучении курса ознакомиться с ГОСТ [11, 12]. При отсутствии ГОСТ сле­дует пользоваться выдержками из них, приведенными в прило­жении к справочнику [2]. В качестве дополнительной можно ис­пользовать любую литературу, содержащую описание объемного гидропривода и его элементов.

Приступая к изучению дисциплины, необходимо уяснить ос­новные понятия и законы гидравлики. Жидкость может нахо­диться в состоянии покоя или движения. Давление - это напряже­ние сжатия, возникающее под действием только внешних сил.

Основное уравнение гидростатики определяет гидростатиче­ское давление от поверхностных и массовых сил. Разность между абсолютным и атмосферным давлением называется избыточным давлением.

В гидроприводе атмосферное давление не учитывается, и под давлением понимают только давление избыточное.

Передача энергии в гидроприводе осуществляется движущей­ся жидкостью. Движение жидкости характеризуется скоростями частиц в отдельных точках потока, давлениями и формой потока. Вследствие вязкости жидкости скорости по сечению распределя­ются неравномерно, а давление уменьшается по длине трубопро­вода. Основными параметрами движущейся жидкости являются давление и расход.

Расходом называется количество жидкости, проходящее через сечение потока в единицу времени. В любом сечении потока несжимаемой жидкости расход ее постоянен. Уравнение Бернулли выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости: сум­ма трех удельных энергий - положения, давления и кинетической - остается неизменной для идеальной жидкости (т.е. жидкости с отсутствием вязкости). В реальной жидкости вязкость создает сопротивление движению жидкости в трубе, которое обусловли­вает появление дополнительных потерь давления.

При изучении разд. 2.2 необходимо уяснить, что давление в гидросистеме является силовой характеристикой. При движении рабочего органа гидродвигателя, например поршня гидроцилиндра, давление в его напорной полости определяется преодолеваемой нагрузкой. Если же поршень находится на жестком упоре, то давление в напорной линии ограничивается самой системой. В этом случае сила, создаваемая гидродвигателем, будет опреде­ляться давлением. Расход же является скоростной характеристи­кой - определяет скорость гидродвигателя. Эти параметры со­вершенно различны и влиять друг на друга могут только через гидравлические сопротивления (дроссели).

Гидропривод, использующий гидростатическое давление рабочей жидкости, называется объемным. В общем случае гидропривод состоит из гидромашин, направляющей, регулирующей, вспомогательной аппаратуры и гидролиний. К гидромашинам относятся насосы и гидродвигатели (гидроцилиндры, гидромоторы и поворотные гидродвигатели). В них происходит преобразование энергии. Направляющая аппаратура - распределители и обратные клапаны. К регулирующей аппаратуре относят напор­ные и редукционные клапаны, дроссели и регуляторы потока. Вспомогательная аппаратура - аккумуляторы, фильтры, очисти­тели, манометры, реле давления и др..

Знакомясь с рабочими жидкостями и их свойствами, особое внимание следует обратить на вязкость как одну из наиболее важных характеристик минерального масла. С увеличением вяз­кости возрастают потери давления в гидросистеме, однако одно­временно уменьшаются утечки. Поэтому, как правило, более вяз­кие масла применяются в гидроприводах, работающих при по­вышенном давлении.

Изучая гидравлические машины (разд. 2.4), следует уяснить общий принцип действия всех объемных гидромашин, заклю­чающийся в циклическом изменении объемов рабочих камер, ко­торые поочередно сообщаются посредством распределительных окон с гидролиниями всасывания и нагнетания у насосов и нагне­тания и слива у гидродвигателей.

Производительность насоса зависит от его рабочего объема и частоты вращения ротора. Рабочее давление на выходе из насоса зависит от гидравлической системы, а не от параметров насоса. Поэтому в технической характеристике насоса указывается мак­симальное давление, которое он может создавать.

Частота вращения вала гидромотора прямо пропорциональна проходящему через него расходу и обратно пропорциональна ра­бочему объему. Перепад давления на гидромоторе пропорциона­лен моменту нагрузки на валу, так как ротор в гидромоторе (как и поршень в гидроцилиндре) находится в равновесии под действи­ем моментов от давления в напорной линии, от противодавления в сливной линии и нагрузки.

Работа гидромашин сопровождается объемными, механиче­скими и гидравлическими потерями, которые характеризуются соответствующими КПД. Объемные потери обусловлены внут­ренними и внешними утечками, а также сжимаемостью рабочей жидкости. Механические потери связаны с затратами энергии на трение движущихся частей. Гидравлические потери возникают в связи с наличием трения жидкости о стенки внутренних каналов. Последние в серийных гидромашинах малы, и ими пренебрегают или относят к механическим.

При изучении гидроклапанов давления (разд. 2.5) обратите внимание на следующие общие для них всех особенности. В про­цессе работы гидроклапана, когда через него проходит поток жидкости, запорно-регулирующий элемент клапана находится всегда в равновесном состоянии под действием поддерживаемого им давления и пружины. Щель клапана, которой создается сопро­тивление потоку жидкости, самоустанавливается в зависимости от расхода, проходящего через нее. Следовательно, давление все­гда пропорционально усилию пружины и изменяется в зависимо­сти от расхода. В гидроклапане непрямого действия установлена пружина малой жесткости, так как с ее стороны на золотник до­полнительно действует постоянное давление, настраиваемое вспомогательным клапаном. Поэтому такой аппарат способен поддерживать давление значительно точнее, чем гидроклапан прямого действия.

Расход через дроссель зависит от формы щели, ее размера, плотности жидкости и перепада давления на нем. Давление перед и за дросселем зависит от системы. В зависимости от этих давле­ний расход через дроссель неизбежно будет изменяться, даже ес­ли его настройка будет неизменной. В регуляторах потока преду­смотрен клапан, поддерживающий практически постоянным перепад давления на дросселе. Это достигается за счет уравновешивания золотника клапана давлением за дросселем и пружиной, с одной стороны, и давлением перед дросселем, - с другой. За счет этого регуляторы потока способны поддерживать и расход с большой точностью при изменяющемся перепаде давления.

При изучении регулирующей аппаратуры необходимо разо­браться в работе каждого аппарата и понять взаимное влияние его элементов и параметров гидросистемы (давления и расхода).

Скорость объемного гидродвигателя (разд. 2.9) может изме­няться регулируемыми насосом и гидромотором или обеими гид­ромашинами (машинное регулирование), а также с помощью ап­паратов, регулирующих расход (дроссельное регулирование).

При машинном регулировании расход гидродвигателя мень­ше производительности насоса на величину объемных потерь (утечек) в системе. Давление на выходе из насоса устанавливает­ся в соответствии с преодолеваемой гидродвигателем нагрузкой и гидравлическими потерями в напорной и сливной линиях. Так как объемные и гидравлические потери в гидроприводе с машин­ным регулированием скорости (как и в нерегулируемом приводе) минимальны, то и КПД его остается высоким при различных ско­ростях и нагрузках.

Одной из основных характеристик любого привода является механическая (нагрузочная) характеристика - зависимость скоро­сти двигателя от нагрузки на нем. Машинное регулирование не может обеспечить жесткую механическую характеристику, осо­бенно при малых скоростях, так как с повышением давления от нагрузки объемные потери в элементах системы возрастают, а это приводит к уменьшению скорости.

При дроссельном регулировании производительность насоса постоянна и всегда превышает расход на гидродвигателе, даже при максимальной скорости. При дроссельном регулировании «на входе» и «на выходе» давление на выходе из насоса должно быть всегда больше рабочего давления на гидродвигателе на ве­личину перепада давления на дросселе и гидравлических потерь напорной и сливной линий. Это давление поддерживается посто­янным переливным клапаном, так как через него от насоса посто­янно сливается в бак избыток жидкости. Таким образом, при дроссельном регулировании объемные и гидравлические потери значительны и увеличиваются с уменьшением скорости и на­грузки.

При параллельном дроссельном регулировании скорости гидродвигателя напорный клапан работает в предохранительном режиме (закрыт) и давление на выходе из насоса устанавливается, как и при машинном регулировании (или в приводе нерегулируе­мом), в соответствии с нагрузкой и гидравлическими потерями в гидролиниях.

Примечание. Если материал разд. 2.9 не поддается осмыслению, вернитесь к изучению разд. 2.1, 2.2, 2.5.

Механическая характеристика привода при регулировании простым дросселем не жёсткая, так как с изменением нагрузки изменяется перепад давления на дросселе, а следовательно, рас­ход и скорость гидродвигателя. Для обеспечения жесткой меха­нической характеристики при дроссельном регулировании при­меняют регуляторы потока, в которых клапан разности давления поддерживает на дросселе постоянный перепад.

Освоение разд. 2.10 предусматривает параллельное выполне­ние расчетно-графической (контрольной) работы. Это позволит лучше усвоить материал и приобрести практические навыки в проектировании гидравлических приводов.

В основе гидравлических и электрогидравлических следящих приводов (разд. 2.11), применяемых в программных, адаптивных, копировальных системах управления, лежат гидроусилители или дросселирующие распределители. В следящем приводе обяза­тельно наличие обратной связи. Гидроусилители же могут быть двух типов: без обратной связи (дросселирующие распределите­ли) и с обратной связью. В системе с обратной связью (замкну­той) отработанный сигнал непрерывно сравнивается с управ­ляющим и разность их вызывает действие системы таким обра­зом, чтобы рассогласование (ошибка) сводилось к нулю. В гидро­системах в основном применяются гидроусилители с жесткой связью выхода с входом, когда какое-то звено системы соединено с предыдущим звеном. Особенностью гидроусилителя с обратной связью является то, что он непрерывно реагирует на рассогласо­вание между входной и выходной величиной.

Аппараты с пропорциональным управлением, как и дроссели­рующие распределители, используются либо для дистанционного управления параметрами гидропривода, либо в качестве звеньев замкнутых систем автоматического регулирования.