105

_______________________________________________________________________

Лекція 8

Тема: Гідравлічне керування.

1. Фізичні основи.

2. Гідравлічні рідини.

3. Будова систем гідравлічного керування.

4. Гідравлічні помпи: зубчасті (шестеренні), гвинтові, лопатеві, поршневі.

5. Гідравлічні акумулятори.

6. Гідравлічні приводи: гідроциліндри з коливним рухом, гідравлічні двигуни.

7. Гідравлічні клапани: тиску, розподільчі, відсікальні, які керують інтенсивністю протікання, неперервної дії, пропорційні, сервоклапани.

Під поняттям „гідравліка" розуміють галузь техніки, яка займається привідними пристроями, в яких за допомогою рідини під тиском створюються або передаються сили і моменти. Гідравліку застосовують перш за все у важкому машинобудуванні, в пресах, вантажопідіймальних кранах і мобільних робочих машинах. Іншою важливою сферою застосування гідравліки є верстатобудування, в якому елементи гідравліки застосовується для кріплення інструментів або оброблюваних деталей а також для здійснення транспортних рухів.

Особливості гідравліки:

- легкість і малі габарити елементи, які можуть створювати значні зусилля,

- можливість швидкої, точної і плавної зміни швидкості двигунів і сервоприводів,

- простий захист від перевантажень за допомогою клапанів, які обмежують тиск,

- в'язкість гідравлічної оливи залежить від температури,

- просочування оливи викликає втрати,

- втрати, пов'язані з протіканням перетворюються в тепло,

- можливість до вібрації і шуму.

Ф Рис. 8.1. Передача тиску в нерухомій рідині ізичні основи.

Передавання сили і енергії здійснюється за допомогою рідини у стані спокою, або в русі .

Рідина у стані спокою

Якщо сила діє на рухомий поршень і створює в рідині тиск, то він діє у рідині в усіх напрямках, тобто діє на всі поверхні пристрою (рис. 8.1). Якщо сила F діє на площу поверхні А₁, то виникає статичний тиск p:

Рис. 8.2. Проштовхування рідини

Цей тиск може зрівноважувати значно більшу силу за умови, що відповідним чином підібрано площу поверхні А₂. При цьому виконується залежність:

При рівному тиску зусилля, які створюються на поршнях, пропорційні до їх активних площ.

Рухома рідина: Підіймання ваги F1 вимагає переміщення рідини, яка перебуває під тиском (рис. 8.2). Для здійснення цього поршень помпи проштовхує через гідравлічний канал об'єм ΔV і пересуває поршень підіймача вгору. Проштовхнута рідина створює круглий стовп основою А і висотою l. Цей об’єм був проштовхнутий через гідропровід і простір гідравлічної системи за час t, створюючи об'ємну інтенсивність протікання Q.

У замкненій системі інтенсивність протікання є скрізь однакова. У зв’язку з цим гідравлічна рідина вимушена протікати швидше в тих місцях, де площа перерізу каналу А₁ менша, і повільніше там, де площа перерізу А₂ більша. При цьому дотримується залежність:

Швидкість протікання рідини або швидкість поршня є обернено пропорційною до площі перерізу, через яку протікає рідина під поверхнею поршня.

Крім переборювання сили F₂, рідині, що рухається під тиском, необхідно перебороти опір, який чинять її протіканню трубопровід і інші частини гідравлічної системи. Поршень помпи, крім створення статичного тиску P_стат = F₂ / A₂, повинен створити також динамічний приріст тиску Δp для переборювання опору протіканню рідини (тертя) і створення енергії руху (кінетичної). Умовою протікання (руху) гідравлічної рідини є дотримання наступної залежності

Різниця тисків Δp, яка пов’язана з рухом рідини, є пропорційна до квадрату швидкості її руху v. Інша частина тиску Δp, яка не використовується на створення енергії руху, перетворюється в тепло і нагріває гідравлічну рідину і елементи системи.

Чим швидше рухається рідина або чим менші площі, через які вона рухається, тим більшими є втрати і тим більше виділяється тепла. Енергія, яку передає гідравлічна система, наприклад, на поршень гідроциліндра, є добутком сили, яка діє на поршень, на його переміщення. Це відповідає добуткові тиску, який створюється в гідроциліндрі, на об’єм рідини, яка втікає в нього.

Отже потужність виражається залежністю:

Рис. 8.3. Створення інтенсивності протікання і тиску

Тиск і об'ємна інтенсивність протікання визначають потужність гідравлічної системи.

Об'ємна інтенсивність протікання (об'ємна продуктивність). Як правило для створення інтенсивності протікання застосовують відцентрову помпу (рис. 8.3). Вона засмоктує гідравлічну рідину з резервуару і проштовхує її через гідропровід в гідроциліндр, переборюючи навантаження F₂. Помпа проштовхує за один оберт рідину об'ємом V , тобто при швидкості обертання n створює об'ємну інтенсивність протікання Q:

Створення тиску. Величина тиску, який створюється в пристрої чи системі під час процесу переборювання навантаження, залежить від величини цього навантаження. Чим більший опір, який протидіє протіканню рідини, тим більший тиск потрібно створювати в гідропроводах. Якщо поршень повністю висунутий з циліндра і загальмований, то тиск зростає і виникає можливість пошкодження обладнання. Щоб запобігти цьому, застосовується запобіжний (аварійний) клапан, який відкривається при граничному тискові (максимальному тиску p_max) і розвантажує систему (рис. 8.4). При цьому помпа проштовхує рідину через клапан під максимальним тиском, повертаючи її у резервуар.

Щоб забезпечити постійну продуктивність помпи і зменшити швидкість поршня, в гідропроводі, який веде до нього, встановлюють регулювальний дросельний клапан. Інтенсивність протікання рідини через такий клапан визначається з залежності:

В початковому стані такий дросельний клапан прикритий, що викликає зростання тиску p₁, на його вході. Через це зростає спадок тиску Δp = p₁ – p₂, що призводить до зростання швидкості протікання рідини в місці дроселювання. Наслідки зменшення перерізу дросельного клапана нівелюються підвищенням швидкості рідини, а тому інтенсивність протікання залишається незмінною.

Якщо дросельний клапан закритий таким чином, що тиск p перед запобіжним клапаном зро

Рис. 8.4. Різниця тисків під час

перетікання

сте до p_max, тоді останній відкриється і відводить частину рідини назад у резервуар. Лише у цьому випадку тиск рідини, яка подається в гідроциліндр не збільшується і швидкість поршня зменшується.

Гідравлічні рідини.

Завданням гідравлічної рідини є передавання зусиль, покращення ковзання елементів, захист металевих частин від корозії а також відведення тепла і забруднювальних часток, які утворюються під час роботи. В основному застосовуються мінеральні оливи, властивості яких можна формувати залежно від конкретного застосування.

Стисливість. Гідравлічні оливи мають властивість стискуватися (рис. 8.5). Згідно з простою, практичною формулою приймають, що стисливість оливи, в якій відсутнє повітря, при зростанні тиску на 100 бар призводить до зменшення об’єму оливи приблизно на 0,65 % від початкового. У довгих гідропроводах стисливість може призводити до коливань стовпа рідини.

П

Рис. 8.5. Вплив тиску і

температури на властивості

гідравлічної рідини

риріст об'єму. Зростання температури призводить до зростання об'єму оливи. При зростанні температури на 10°C об'єм оливи зростає приблизно на 0,65% по відношенню до початкового. В замкнених гідропроводах це може призвести до небажаного зростання тиску. Наприклад, у закритому резервуарі при зростанні температури на 10°C тиск зростає на 100 бар.

В’язкість. Найважливішою особливістю гідравлічних олив є їх в’язкість (клейкість). Вона є мірою внутрішнього тертя в оливі. Від в’язкості рідини в значній мірі залежить ККД (ефективність) гідравлічної системи.

При густій оливі (велика в’язкість) зростають втрати на протікання і тертя, сповільнюється реакція системи, не виділяються бульбашки повітря, погіршується ефективність системи.

При рідкій оливі (мала в’язкість) збільшуються втрати, викликані ковзанням і просочування, зменшується товщина змащувального шару, а отже зростає її споживання .

Зростання температури призводить до зменшення в’язкості. Як показник залежності між в’язкістю і температурою використовують коефіцієнт в’язкості. Чим більшою є величина цього коефіцієнта для даної рідини, тим менше змінюється в’язкість при змінах температури.

Мінеральні оливи

Гідравлічні рідини за використання мінеральних олив діляться на групи, які позначаються наступним чином:

H - гідравлічні оливи, схильні до старіння, без спеціальних домішок (активних субстанцій - ушляхетнювальних домішок),

HL - гідравлічні оливи з вмістом ушляхетнювальних домішок, які збільшують їх опірність до старіння i захищають від корозії. Вони застосовуються у випадках високих температур або загрози корозії,

HLP - гідравлічні оливи з домішками, які зменшують їх споживання. Це особливо важливо в гідравлічних системах, які починють працювати після тривалої перерви або таких, які перебувають в середовищі змішаного тертя,

HV - гідравлічні оливи, з домішками, які покращують їх температурні властивості. Їх рекомендують застосовувати при низьких температурах і при великих діапазонах її зміни, наприклад в будівельних машинах.

HLPD - гідравлічні оливи, які можуть емульгувати воду (створювати емульсії з водою), яка з’являється в оливі i завдяки цьому запобігати корозії.

Важкозаймисті гідравлічні рідини

Важкозаймисті гідравлічні рідини, які позначаються HF, застосовується завжди там, де існує загроза вибуху або є небезпека контакту з відкритим полум'ям, наприклад, в гірничій вугільній галузі або при ковальських роботах.

До важкозаймистих рідин, які найчастіше застосовуються, належать:

- рідини HFA - це емульсії з вмістом води від 80 % до 90 %. Вони дешеві і безпечні для навколишнього середовища, проте мають низьку в’язкість і через те високий рівень споживання при роботі а також великі втрати об’єму від просочування. Крім цього, такі рідини мають тенденцію до збереження бактерій і є чутливими до морозу. Застосовуються тільки у випадку низьких тисків.

- рідини HRC - водні розчини поліглюколю з домішками, які зменшують їх споживання.

- рідини HFD - дорогі, безводні синтетичні рідини (естери фосфорної кислоти), які добре захищають устаткування від спрацювання, але мають погане співвідношення в’язкість - температура.