6.5. Гідравлічні виконавчі механізми

Загальні відомості про гідравлічні системи й елементах

У цей час гідравлічні системи й елементи автоматики в основному використовуються в силових пристроях і приводах керування. Наприклад, у системах автоматики піднімальних механізмів. Будь-яку гідросистему можна розділити на наступні складові частини:

• енергетична частина, у яку входять ємності з робочою рідиною (насоси, фільтри, гідроакумулятори, гідробаки і т.д.);

• агрегати - споживачі гідравлічної енергії (гідропідсилювачі органів керування, силові циліндри й гідромотори);

• комунікації й агрегати гідросистеми (трубопроводи, шланги, поворотні з'єднання, крани, перемикачі, сигналізатори тиску і т.д.).

Розміщення (компонування) гідросистеми визначається необхідністю безпосередньої близькості її енергетичної частини до джерел енергії, якими служать основні двигуни, що здійснюють привод гідравлічних насосів, і безпосередньому зв'язка агрегатів - споживачів гідравлічної енергії з органами керування й вузлами механізації.

Застосування гідравлічних приводів обумовлене вимогами мінімізації маси й габаритних розмірів агрегатів і систем. Гідравлічні насоси, двигуни, силові пристрої в 4 - 5 раз легше аналогічних електричних пристроїв таких же потужностей і зусиль.

Позитивними якостями гідравлічних систем є також простота, надійність, довговічність, широкий температурний режим роботи.

Гідравлічні системи в «чистому» виді в цей час знаходять усе більш рідке застосування, оскільки уступають електричним схемам у зручності передачі командних імпульсів і необхідній масі трубопроводів при передачі однакової потужності ( у порівнянні з електропроводами). З метою мінімізації маси розвиток гідравлічних систем пішов по шляху створення електрогідравлічних командних і виконавчих агрегатів. Тому сучасна гідросистема по суті є електрогідравлічною.

Гідравлічну систему в загальному випадку характеризують:

• состав функціональних споживачів;

• застосовувана робоча рідина й величина її тиску;

• тип застосовуваних насосів (плунжерні, шестерні, лопатеві і т.д.);

• виконавчі силові приводи (гідроциліндри й підсилювачі, гідродвигуни, т.д.);

• пристрою, що перетворять вступники командні сигнали (електричні, пневматичні, механічні й ін.) у гідравлічні командні впливи (відкриття й закриття кранів, переміщення плунжерів, відкриття або закриття клапанів);

• пристрій і ємність баків для робочої рідини;

• фільтри для захисту агрегатів від впливу забрудненої рідини і її очищення;

• спосіб ущільнення рухливих і нерухливих з'єднань (марка застосовуваної гуми, конструкцією ущільнювальних кілець, манжет і т.д.);

• припустимий температурний режим роботи агрегатів, робочої рідини, ущільнень і способи захисту від теплового впливу, спосіб охолодження робочої рідини (застосування теплообмінних радіаторів, природнє розсіювання теплоти від гідробака).

Усі агрегати, що входять у гідросистему, можна об'єднати в наступні функціональні групи: насоси, виконавчі гідравлічні приводи, гідравлічні баки, агрегати керування, запобіжні пристрої, фільтри, трубопроводи.

Характеристики робочих рідин

Робочим тілом у гідравлічній передачі є рідина, властивості якої визначають робочий процес передачі гідравлічної енергії. Фізичні властивості робочої рідини характеризуються питомою вагою, стискальністю, в'язкістю, стійкість до механічних впливів, хімічну стійкість при високих і низьких температурах робочого діапазону гідросистеми, що змазують якості і їх стабільність, ступінь агресивності до металів і ущільнювальним елементам конструкції, рівні пожежонебезпеки й токсичності при впливі на людину (самої рідини і її пар).

При нагріванні гідравлічна рідина розширюється, як і всі рідини, змінюючи питому вагу й щільність:

де γ_t - шукана питома вага при заданій температурі t, γ₁₅ - питома вага при t = 15 °С; βt - коефіцієнт об'ємного розширення ( для гідрорідин β_t = 0,0007).

По графіках зміни щільності масла АМГ-10 і робочої рідини 7-50С, залежно від температури (рис. 6.17.) можна визначити збільшення обсягу залитої в гідросистему рідини й оцінити зміну рівня рідини в баку при нагріванні. Щільність гідрорідини змінюється приблизно на 7 % при зміні температури на 100 °С.

Стискальність рідини визначається об'ємним модулем пружності Е, який для гідрорідин перебуває в межах від 1350 до 1750 МПа. Для води при відносно невеликих тисках модуль пружності прийнятий рівним 1962 МПа. При зміні тиску на 10₅ Па відносна зміна обсягу ΔV/V= 0,00007. У багатьох розрахунках стискальністю рідини можна зневажити у зв’язку з її малим значенням.

Рис. 6.17. Залежність щільност олії АМГ-10 та робочої рідини від температури.

Одне з найважливіших властивостей рідини називається в'язкістю. В'язкість - це здатність рідини пручатися ковзанню її шарів друг щодо друга при русі.

Коефіцієнт динамічної в'язкості (μ) - сила тертя, яка припадає на одиницю поверхні зіткнення двох ковзних шарів рідини, за умови, що градієнт швидкості по нормалі дорівнює одиниці.

Відношення коефіцієнта динамічної в'язкості μ до щільності ρ називається коефіцієнтом кінематичної в'язкості v:

В'язкість рідини обумовлена силами молекулярного зчеплення, які зі збільшенням температури зменшуються, зменшується при цьому й в'язкість (табл. 6.1).

Табл. 6.1. Кінематична в’язкість олії АМГ-10 та робочої рідини 7-50С-3 при різних температурах

Механічні властивості, що змазують і інші, мінеральних масел і їх сумішей, застосовуваних у гідросистемах, погіршуються в процесі експлуатації внаслідок їхнього окиснення при контакті з повітрям, емульсування й вспінюювання при влученні в них повітря й вологи. Це погіршення властивостей проявляється в зменшенні їх в'язкості, забрудненні відкладаннями у вигляді смол, часточками металу, пили і т.д. При цьому найбільш ефективним способом продовження експлуатаційних якостей рідини є її безперервна й ретельна фільтрація.

Крім того, гідравлічні рідини розчиняють гази, які в дисперсному стані практично не виявляють механічного впливу на роботу гідросистеми. Однак при зменшенні тиску в якій-небудь зоні розчинені гази виділяються у вигляді дрібних пухирців, поєднуючись у більші й утворюючи газові порожнини, які погіршують механічні властивості гідросистеми.

Засмічення рідини повітрям погіршує умови роботи насосів і всієї гідросистеми в цілому, порушує плавність руху гідроприводів, погіршує змащення й викликає корозію деталей гідроагрегатів.

Гідравлічні насоси й двигуни

У системах гідроавтоматики для створення тиску й витрати робочої рідини для гідроприводів, а також для перетворення напору робочої рідини в механічну енергію використовуються поршневі роторні насоси й двигуни з аксіальним розташуванням циліндрів. Роторні насоси й двигуни є механізмами оборотної дії, тобто насос може працювати як двигун, якщо до нього підводити робочу рідину під тиском, а з вала знімати корисну потужність.

Вимога зменшення маси й обсягу агрегатів гідросистеми обумовила застосування високих тисків і більших швидкостей обертання насосів гідросистеми. Насоси створюють тиск робочої рідини 20...30 МПа при швидкості обертання ротора до 5000 про/хв, забезпечуючи швидкість подачі рідини від 4 до 90 л/хв. Крім забезпечення необхідного тиску й витрати при мінімальних масі й обсязі насоси повинні забезпечити на виході мінімальну пульсацію тиску й витрати, щоб не викликати вібраційні напруги в трубопроводах і агрегатах, а також надійно працювати в широкому діапазоні температур від -65 до 180 °С.

Силові циліндри

Силовий циліндр є двигуном, що перетворять енергію рідини або газу в механічну енергію переміщення поршня. Поршень у силовому циліндрі робить зворотно-поступальний рух.

По конструкції силові циліндри можна об'єднати в наступні групи.

Гідравлічні підсилювачі

Гідравлічним підсилювачем (ГП) – пристрій, що переміщає золотник або інший керуючий пристрій гідравлічного виконавчого механізму й одночасно посилююче потужність вхідного сигналу. ГУ забезпечує в системах регулювання односпрямоване проходження сигналу від електромеханічного перетворювача до вихідного гідравлічного виконавчого механізму великої потужності.

ГП використовуються для побудови високоякісних швидкодіючих гідравлічних і електрогідравлічних систем, що стежать, і САР.

Тиск рідини в напірній магістралі гідропідсилювачів може варіюватися від 7 до 300 кг/див². Вага ГП перебуває в межах від 0,3 до 20 кг. Потужність потоку рідини, керована гідропідсилювачем, може змінюватися в діапазоні від 1 до 206 кВт, а коефіцієнт підсилення по потужності - у межах 300... 300000.

ГП (бустер) має наступні переваги перед іншими підсилювальними пристроями:

• високу чутливість до переміщення вхідної ланки керування;

• високу швидкість виконання, практичне узгодження динаміки вхідного й вихідного ланок;

• величина максимального зусилля залежить тільки від тиску гідрорідини й діаметра циліндра виконавчого механізму.

Для здійснення спостереження в гідропідсилювачах застосовується твердий зворотний зв'язок виходу із входом так, що будь-яка неузгодженість приводить до рівноваги, але вже в новому погодженому стані провідного й відомого ланок.

Гідравлічні розподільні пристрої

Розподільні пристрої призначені для напрямку потоку рідини до робочих порожнин силових агрегатів, запобігання агрегатів і трубопроводів системи від підвищення тиску понад припустиме, а також регулювання доступу рідини до агрегатів. Основні конструктивні вузли розподільників бувають трьох типів: клапанні, золотникові й кранові.

У клапанному розподільнику напрямок потоку рідини до робочих агрегатів здійснюється шляхом відкриття прохідного отвору клапаном (конусним, тарілчастим, кульковим) під дією зусилля, необхідного для переміщення клапана.