Будова систем гідравлічного керування

У

Рис. 8.6. Будова системи гідравлічного керування

гідравлічній системі передача енергії розпочинається від помпи, яка перетворює електричну або механічну енергію в гідравлічну. Клапани тиску, розподілу рідини, регулювання подачі а також клапани протікання впливають на об'єм подачі рідини (рис. 8.6). Остаточно гідравлічна енергія перетворюється механічну в гідроциліндрі або в гідродвигуні.

Г

Рис. 8.7. Характеристика помпи

ідравлічним перетворенням енергії можна керувати за допомогою механічних, електричних, пневматичних або гідравлічних сигналів, наприклад, змінюючи керувальний вплив на помпу змінної подачі, можна змінити інтенсивність протікання, а тим самим швидкість поршня. Розподільними клапанами можна змінювати напрям протікання, а клапанами для регулювання тиску обмежувати зусилля, яке розвиває гідроциліндр.

Гідравлічні помпи.

В помпах проходить перетворення механічної енергії в гідравлічну. Це відбувається шляхом неперервного проштовхування рідини з всмоктувального каналу в нагнітальний (напірний).

В залежності від виду елементів, з яких складається нагнітальні помпи, розрізняють: зубчасті (шестеренні), пластинчаті і поршневі помпи. Об'єм рідини, яка, проштовхується через помпу за один оберт, називається одиничною продуктивністю помпи V, яка при множенні на частоту обертання дає подачу помпи Q. У помпах постійної подачі подача Q є постійною. У помпі змінної подачі величною подачі Q можна керувати. Якщо вільному протіканню рідини створюються перешкоди, наприклад, від звуження труби або внаслідок навантаження на поршень гідроциліндра, то у нагнітальному каналі помпи створюється тиск.

З

Рис. 8.8. Зубчаста помпа з зовнішніми зубами

алежність подачі від інших величин показана на характеристиці помпи (рис. 8.7). Вона розраховується для постійної швидкості обертання помпи, коли рідина нагнітається через запобіжний клапан і тече до резервуару. Величина тиску регулюється клапаном, а інтенсивність протікання вимірюється. Збільшуючи тиск, можна довести помпу до граничного навантаження, що призведе до значного просочування рідини з помпи і зменшення

продуктивності.

При виборі помпи необхідно враховувати: подачу, допустимий найвищий тиск, створюваний шум а також коефіцієнт корисної дії. Потужність, яку розвиває помпа, виражається залежністю: Р_гідр = p • Q • η.

З Рис. 8.9. Зубчаста помпа із зовнішнім зачепленням убчасті (шестеренні) помпи

Зубчаста помпа з зовнішнім зачепленням складається з пари зубчастих коліс (шестерень), з яких одне приводиться в рух (рис. 8.8). При обертанні коліс гідравлічна рідина переноситься по пазах, які є між зубами вздовж стінок корпуса зі всмоктувальної частини помпи в нагнітальну. Зуби, які перебувають в зачепленні, не допускають зворотного протікання рідини. Вони відсікають простір пазів від навколишнього середовища раніше, ніж з них випливуть рештки рідини. Відбувається стискання цих решток, що викликає шум при роботі помпи.

Ц

Рис. 8.10. Створення тиску в героторовій помпі

ей шум можна ліквідувати за допомогою спеціальних осьових канавок, які вифрезерувані в кришках помпи. Зубчасті помпи з зовнішнім зачепленням стійкі до забруднення рідини, до несприятливих умов всмоктування а також до коливань в’язкості оливи. Їх виготовляють на тиск до 300 бар і застосовують у тих випадках, коли термін служби є важливішим фактором, ніж шум, що створюється при роботі такої помпи, наприклад, в гідравліці транспортних засобів.

У зубчастих помпах з зовнішнім зачепленням зубчасте колесо приводить в рух шестерню з внутрішніми зубами (рис. 8.9), яка утримується за допомогою серпоподібної вкладки і втулки підшипника. Рідина протікає між пазами зубчастого колеса і серповидною вкладкою або між цією вкладкою і шестернею з внутрішніми зубами з всмоктувальної сторони до нагнітальної. Завдяки значній довжині відрізка контакту і відсутності бокових зазорів, помпа створює незначний шум.

До помп з внутрішнім зачепленням відносяться також героторові помпи, які складаються з ротора, корпус якого обертається не співвісно з зовнішнім диском. Зовнішній диск має внутрішні зубці (рис. 8.10). Обидва елементи помпи мають зубці у вигляді півкуль і різну їх кількість. Під час одного обороту в правій частині помпи виникає простір розрідження, у який через ниркоподібний канал впливає гідравлічна рідина, а в лівій частині помпи відбувається зменшення цього простору і рідина виштовхується у нагнітальний канал. Завдяки рівномірній зміні об’єму, який виштовхує помпа, подача рідини відбувається з незначною пульсацією. Тиск, який створюють героторові помпи становить коло 160 бар, при швидкості біля 1500 об/хв.

Рис. 8.11. Гвинтова помпа

Зубчасті помпи з внутрішнім зачепленням, завдяки низькому рівневі шуму, які вони створюють при роботі, відносяться до стаціонарної гідравліки. Вони мають усі переваги помп з зовнішнім зачепленням, проте дорогі.

Г

Рис. 8.12.Пластинчата помпа

постійної подачі

винтові помпи. Їх застосовують перш за все в системах з низьким тиском і великою подачею. Помпи оснащені роторами, у вигляді гвинтів з косими зубцями, які працюють як шестерні з косими зубцями – проштовхують рідину вздовж стінок корпусу (рис. 8.11). Завдяки взаємному пересуванню бічних поверхонь гвинтів, які мають ущільнювальну форму, рідина не може протікати назад. У зв’язку з тим, що відрізок контактування поверхонь гвинтів таких помп є постійним, вони працюють дуже тихо, а подача рідини не має пульсації.

Пластинчаті помпи. Ротор помпи постійної подачі має пластини, які встановлені в радіально вифрезерувані у ньому пази і притискаються до корпуса відцентровою силою. Пластини разом із стінками ротора і корпуса створюють робочі (напірні) камери (рис. 8.12). Для розвантаження вала нагнітальний і всмоктувальний канали (сторони) дублюються і розміщуються симетрично. У помпах із змінною подачею величину подачі можна змінювати (рис. 8.13). Пластини опираються на внутрішню поверхню кільця, яке розташоване ексцентрично відносно осі обертання ротора і може пересуватися. Подача помпи змінюється пропорціонально до пересуван

Рис. 8.13. Пластинчаста помпа

змінної продуктивності

ня кільця.

Я

Рис. 8.14. Поршнева помпа зі

скошеною віссю

кщо кільце притиснене до корпуса пружиною, то тиск, який виникає в помпі, може регулювати подачу самостійно. А саме: на початку пружина пересуває кільце в максимально ексцентричне положення, помпа видає максимальну подачу, наповнює під’єднаний до неї резервуар рідиною і створює в ньому тиск. Зростання тиску діє на кільце , пересуває його і зменшує величину ексцентриситету, аж до майже нульової подачі (помпа з регулюванням нульового ходу). Якщо робочий тиск в системі знижується, наприклад, поршень гідроциліндра висувається, то пружина пересуває кільце в ексцентричне положення і подача знову зростає.

У діапазоні середніх тисків (до 160 бар) пластинчаті помпи витісняють в системах стаціонарної гідравліки зубчасті помпи . Це обумовлено меншою пульсацією подачі, меншим шумом а також і тим, що пластинчаті помпи складаються з елементів, які легко замінюються. Такі помпи можуть працювати з іншими типами помп. Зубчасті помпи, як помпи змінної подачі, мають хороші регулювальні властивості. Їх недоліком є: чутливість до завад, які погіршують умови всмоктування, перевищення допустимої швидкості обертання, зміни в’язкості і забруднення рідини.

Поршневі помпи. Робочі (нагнітальні) камери в поршневих помпах утворюються завдяки високоточному виготовленню, а також допасовуванню поршнів і циліндрів. Тому навіть при високих тисках просочування рідини є незначним. У зв’язку з цим поршневі помпи застосовуються в гідравлічних системах середнього і високого тиску. За розміщенням поршнів відносно осі вала привода помпи розділяються на осьові (аксіальні) і радіальні помпи. В осьових помпах поршні рухаються па

Рис. 8.15. Поршнева помпа

зі скошеним диском

ралельно до осі обертання або відхиляються від неї на кут до 40°. Поршні радіальної помпи розміщені перпендикулярно до осі обертання. В осьових помпах виділяють ще помпи з нахиленим диском або з нахиленим ротором.

Помпи з нахиленим (скошеним) диском складаються з ротора, в якому рухаються поршні. Ротор можна нахиляти до 40° по відношенню до осі обертання. Під час обертання вала помпи поршні, які знаходяться в правій половині ротора, витягуються з нього і всмоктують рідину. У так званій мертвій точці їх руху дана камера від’єднана від системи відсікальною площиною диска. При подальшому обертанні, коли поршні опиняться в лівій половині ротора, рідина виштовхується у нагнітальний канал.

П

Рис. 8.16. Осьова поршнева помпа з обертальним диском

оршні із сферичним (кулястим) закінченням (поверхнею) кріпляться в обертальних дисках і приводять в рух ротор (рис. 8.14).

Особливості поршневих помп зі скошеною віссю :

• вони самозасмоктувальні і легко запускаються,

• чутливість до забруднень рідини,

• пристосовуються до змінних тисків,

• кут нахилу не впливає на термін роботи,

• при запуску і гальмуванні мають схильність до вібрації,

• мають низьку швидкодію при зміні налаштування.

П

Рис. 8.17. Поршнева помпа з

обертальними поршнями та змінною продуктивністю

оршнева помпа зі скошеним (нахиленим) диском складається з циліндрів, які розміщені паралельно до осі обертання. На кінцях поршнів є ковзні кулачки, які дотикаються до нерухомого диска і ковзають по ньому (рис. 8.15). Нахил нерухомого диска може змінюватися. Враховуючи поперечні сили, які діють на поршень і передають весь обертальний момент, кут їх нахилу не може перевищувати 20°.

Особливості поршневих помп з нахиленим диском:

• мають малі габарити,

• пристосовані до тривалої роботи,

• мають високу швидкодію в каналі керування,

• допоміжні пристрої можна легко змонтувати на валі, який приводить в рух помпу,

• мають погані всмоктувальні властивості ,

• у зв’язку з наявністю тертя ковзання мають погані умови запуску,

• чутливі до забруднення рідини,

• мають малий кут нахилу диска.

У помпах з обертальним диском поршні не обертаються (рис. 8.16). Відокремлення простору нагнітання від всмоктувального відбувається за допомогою клапанів. Помпа має просту і міцну конструкцію, проте у зв’язку з розбалансованістю може бути рекомендована для роботи тільки при низьких швидкостях обертання. У зв’язку з наявністю клапанів дана помпа не може застосовуватися як двигун.

Поршневі помпи придатні до роботи при середніх і високих тисках, від 150 до 500 бар. У багатьох випадках вони можуть працювати як гідравлічні двигуни .

В радіальних поршневих помпах поршні рухаються перпендикулярно до осі обертання. Завдяки надійній опорі поршнів, такі помпи можуть працювати при високих тисках. Розрізняють помпи з поршнями, які обертаються і які не обертаються. В першому випадку із зовнішньою опорою, коли поршні впираються у кільце, яке їх втискає „всередину", а в другому - з внутрішньою опорою, коли поршні випихаються „назовні" за допомогою ексцентричного вала.

Р

Рис. 8.18. Поршнева помпа з необертальними поршнями

адіальні поршневі помпи із зовнішньою опорою є помпами із змінною подачею, якщо вони мають пересувне кільце (рис. 8.17). Ротор з поршнями, який розміщений всередині кільця, обертається від привідного вала. Разом з ротором обертаються поршні, які впираються ковзними кулачками в пересувне кільце. В середині помпи знаходиться нерухома роздільна заслінка, яка відокремлює всмоктувальну частину помпи від нагнітальної (внутрішнє живлення). Пересуваючи кільце помпи, можна змінювати її подачу а також напрям протікання.

Особливості помп із зовнішньою опорою:

• великий коефіцієнт підсилення,

• низький рівень шуму,

• висока швидкодія переналагоджування,

• високий допустимий робочий тиск,

• значні габарити і мала продуктивність.

В

Рис. 8.19. Поршнева помпа з розміщеними в ряд поршнями

радіальній помпі з внутрішньою опорою переміщення поршнів здійснює вал з ексцентриками (рис. 8.18). Перевагою регулювання тиском всмоктування і тиском нагнітання за допомогою зворотних клапанів, які діють самостійно (зовнішнє живлення), є те, що помпа може складатися з декількох окремих секцій. Завдяки цьому подачу можна змінювати стрибкоподібно шляхом відмикання або вмикання груп помп. Поршні з’єднуються в зірку або в ряд (рис. 8.19). Обидва способи з’єднання помп можуть використовуватися одночасно.

Особливості ексцентрично-клапанного регулювання:

• високий коефіцієнт корисної дії,

•

Рис. 8.20. Гідравлічні акумулятори

нечутливість до забруднення рідини і перевантажень,

• можливість сумісного використання з іншими помпами,

• у зв’язку з високою щільністю клапанів гніздодібного типу вони можуть працювати при високих допустимих тисках, які сягають до 1200 бар .

Гідравлічні акумулятори. Гідравлічну енергію можна зберігати, стискаючи пружину або піднімаючи вантаж, які при необхідності віддадуть накопичену енергію назад в гідравлічну систему. Проте найчастіше акумуляція гідравлічної енергії відбувається шляхом стискання певного об'єму газу.

До найважливіших завдань гідравлічного акумулятора відносяться :

• акумуляція енергії, • доповнення втрат оливи (просочування),

• демпфування коливань, • резервування енергії для рухів в аварійному стані.

• згладжування пульсацій інтенсивності протікання,

А

Рис. 8.21. Компенсація втрат рідини гідроакумулятором

кумулятори мають різну конструкцію (рис.8.20).

Мембранний акумулятор. Він служить для нагромадження малих об'ємів (від 0,1 літра до 4 літрів) і має в камері з газом відкриту, півкулясту мембрану.

Кульовий акумулятор. В закритій еластичній кулі (міхурі), з синтетичного матеріалу знаходиться азот, відокремлений від рідини. Тарілчастий вентиль захищає кулю від пошкоджень в режимі витікання рідини. Робочий об'єм становить до 200 літрів.

Поршневий акумулятор. Рухомий поршень відділяє газ від рідини. Для покращання властивостей до об’єму, в якому знаходиться газ, може бути додатково приєднана ємність з азотом.

Приклад застосування акумулятора. У багатьох гідравлічних системах має місце просочування рідини, яке при вимкненій помпі знижує тиск в системі. Гідравлічний акумулятор може зменшити (компенсувати) ці втрати , так само як і зміни об'єму рідини, спричинені змінами температури (рис. 8.21).

Рис. 8.22. Величина акумулятора і

використовуваний об’єм

Розрахунок акумулятора. Величина акумульованої енергії залежить від об'єму газу в гідроакумуляторі. Тиск, температура і об'єм є величинами, які характеризують стан газу. Кожен акумулятор має певний газовий об’єм V₀, який визначається його геометричними розмірами (рис. 8.22).

Газовий об’єм, який називається також величиною акумулятора, наповнений азотом з початковим тиском p₀. Величина р_о повинна становити найвище 90 % від величини найнижчого робочого тиску p в системі. Ця умова запобігає руйнуванню перегородки акумулятора в режимі надшвидкого розрідження. Якщо температура газу залишається у міру постійною (ізотермічні газові процеси), то виконується закон Бойля-Маріотта:

При швидких процесах стиснення і розрідження газу, обміну тепла з зовнішнім середовищем практично не відбувається (адіабатична зміна стану газу). Газ при цьому нагрівається або охолоджується. У таких випадках виконується залежність:

Реальна поведінка газу в замкненому об'ємі описується політропними змінами стану газу, які викликані ситуаційними змінами, тобто ізотермічними i адіабатичними. Для вибору акумулятора вихідними даними є: величина акумулятора V₀ і використовуваний об'єм V.

ізотермічна зміна адіабатична зміна