3 Гидропривод
В гидроприводах в качестве энергоносителя выступает сжатая гидравлическая жидкость, потенциальная энергия которой преобразуется в механическую работу путем воздействия на рабочий орган гидродвигателя. Гидропривод, как современное техническое средство автоматизации машин, находит самое широкое применение. Различают стационарные и мобильные, используемые на движущихся машинах, гидравлические установки. Стационарные установки имеют, как правило, автоматическое или полуавтоматическое управление, мобильные установки чаще управляются вручную. Свойства гидропривода определяют области его преимущественного применения: авиационная, судовая, горная, строительная, военная техника, станки и многое другое.
По сравнению с электроприводом гидропривод имеет следующие преимущества:
возможность создания больших усилий при малых собственных габаритах;
возможность создания «прямого», без механизмов преобразования, привода линейных перемещений;
гидродвигатели, в отличие от электродвигателей, не выходят из строя при перегрузке, они просто останавливаются;
гидродвигатели можно запускать под максимальной, длительно действующей нагрузкой;
гидродвигатели легко регулируются по усилию и скорости; обеспечивают плавное движение;
гидродвигатели надежно работают в условиях повышенной влажности и загрязненности окружающей среды, не требуют дополнительного охлаждения;
в гидроприводе не используются высокие, опасные для человека, напряжения электрического тока;
Гидроприводы имеют и недостатки, ограничивающие их применение:
для работы гидропривода необходим индивидуальный, сложный и дорогой, источник сжатой жидкости – насосная станция;
утечка рабочей жидкости из гидросети загрязняет окружающую среду, создает опасность возникновения пожара;
высокие давления рабочей жидкости опасны для обслуживающего персонала; в случае разрушения каких-либо элементов конструкции возможны механические травмы персонала;
работа гидропривода существенно зависит от колебаний температуры из-за изменения вязкости рабочей жидкости;
коэффициент полезного действия гидропривода, как правило, относительно невысокий;
гидравлические механизмы чувствительны к загрязнению рабочей жидкости;
в отличие от электричества, рабочая жидкость под высоким давлением плохо аккумулируется .
3.1 Гидростанция
Структура гидропривода в целом выглядит, как показано на рис. 3.1.
Гидростанция
Аппаратура управления гидродвигателем
Гидродвигатель
Рис. 3.1. Укрупненная структура гидропривода
Гидростанция является энергообеспечивающим устройством гидропривода. Аппаратура управления включает регуляторы давления рабочей жидкости, распределители потоков жидкости, регуляторы расхода, индикаторы давления и другие приборы. В качестве гидродвигателей используются поступательные гидроцилиндры, поворотные гидродвигатели и гидромоторы.
Для передачи энергии на рабочий орган гидродвигателя используются гидравлические жидкости. В качестве таковой могла бы подойти любая жидкость, однако, помимо функции передачи давления, от рабочей жидкости в гидроприводе требуется:
смазка движущихся частей привода;
охлаждение, т. е. отвод тепла, выделяющегося в процессах течения жидкости через гидравлические сопротивления;
демпфирование колебаний, вызываемых гидравлическими ударами;
защита устройств привода от коррозии;
удаление продуктов износа;
точная передача на двигатель и другие устройства гидравлического управляющего воздействия.
В соответствии с перечисленными функциями и конкретными условиями эксплуатации привода рабочая жидкость должна обладать следующими свойствами:
малая сжимаемость и эффективное отделение воздуха, увеличивающего сжимаемость;
оптимальная вязкость;
минимальная зависимость вязкости от температуры и давления;
устойчивость против старения;
слабая воспламеняемость;
хорошая совместимость с материалами деталей привода и т. п.
Сжимаемость гидравлической жидкости – уменьшение объема при повышении давления – составляет несколько процентов, что позволяет создавать гидравлические сервоприводы, иметь так называемую пропорциональную гидравлику высокой точности.
Вязкость или текучесть важнейшая характеристика рабочей жидкости. Она отражает внутреннее трение в жидкости, т. е. сопротивление, которое приходится преодолевать, чтобы сместить два соседних слоя жидкости один относительно другого. Существуют понятия «динамическая вязкость» (, Па/с) и «кинематическая вязкость» (, м2/с или мм2/с). Вязкость измеряют вискозиметрами при стандартной температуре. Низкая вязкость гидравлической жидкости приводит к большим утечкам и плохому смазыванию деталей привода. Высокая вязкость приводит к большому трению, нагреву и потерям давления по пути течения жидкости. Из высоковязкой жидкости плохо удаляется воздух, затрудняется пуск привода в холодное время.
Вязкость большинства гидравлических жидкостей существенно зависит от температуры и давления. С понижением температуры и увеличением давления вязкость повышается. Поэтому в гидравлические баки установок, работающих в широком диапазоне температур, встраивают холодильники (теплообменники) и нагреватели, стабилизирующие температуру рабочей жидкости. Исходя из функций и требуемых свойств рабочей жидкости, в качестве таковой в гидравлических приводах применяют, в большинстве случаев, минеральное и/или синтетическое масло с присадками.
В установках с повышенной пожароопасностью, например, на металлургических производствах, применяют трудновоспламеняемые гидравлические жидкости в виде масляно-водянистых и водомасляных эмульсий и других, подобных по свойствам, жидкостей. В особых случаях в качестве гидравлических жидкостей применяются и другие жидкости, например топливо, воду и пр.
Источником сжатой гидравлической жидкости в гидроприводе является гидростанция. Она содержит устройства, показанные на рис. 3.2.
Гидравлический бак 2 служит для хранения гидравлической жидкости, отвода тепла, выделяющегося в приводе, удаления воздуха из рабочей жидкости, отвода воды и загрязнений, монтажа на баке насоса и других компонентов гидростанции.
|
5 4 3 2 11 6 7 10 8 9 1 |
Рис. 3.2. Гидростанция:
1 – рабочая жидкость; 2 – гидробак; 3 – указатель уровня жидкости; 4 – гидравлический насос; 5 – двигатель привода насоса; 6 – предохранительный клапан; 7 – прибор индикации давления; 8 – сапун; 9 – фильтр; 10 – заливная горловина; 11 – сливная пробка
Бак снабжен успокоительной перегородкой, разделяющей камеры всасывания и слива, сливной пробкой 11, заливной горловиной 10 с встроенным приемным фильтром, указателем уровня масла 3, внешними ребрами для отвода тепла. Внутренность бака сообщается с атмосферой через сапун 8 с встроенным воздушным фильтром.
Насос 4 является главной частью энергообеспечивающего устройства. Он преобразует механическую энергию, подводимую к насосу со стороны приводного двигателя 5, в потенциальную энергию сжатой рабочей жидкости – гидравлическую энергию или энергию давления. Насос засасывает рабочую жидкость из гидробака и нагнетает ее в устройство гидропривода. Наличие гидравлических сопротивлений, противодействующих течению жидкости, создает давление. Величина давления равна суммарному гидравлическому сопротивлению сисети, которое складывается из внешних и внутренних гидросопротивлений и зависит от объемного расхода. Внешние гидравлические сопротивления возникают как следствие статических и динамических сил, нагружающих привод извне. Внутренние гидравлические сопротивления вызываются трением жидкости о поверхности, по которым она течет, и трением внутри жидкости, зависящим от режима течения жидкости (ламинарного или турбулентного). Таким образом, давление жидкости в гидравлической сети не задается насосом, а возникает вследствие гидравлического сопротивления. Чтобы при большом гидравлическом сопротивлении давление не превысило максимально допустимое для насоса и других элементов, на выходе насоса ставят предохранительный напорный клапан 6.
Другой важной характеристикой насоса, кроме рабочего давления, является его объемная подача или объемный расход. Так как большинство насосов имеет вращающийся вал и связанные с ним рабочие органы, то расход (Q, см3/мин или л/мин) вычисляется по формуле:
Q
= nV,
где n – частота вращения вала насоса, 1/мин (об/мин);
V – рабочий объем насоса – объем жидкости, нагнетаемой насосом за один оборот вала, см3 (л).
При работе насоса
возникают утечки и перетечки жидкости,
снижающие объемную подачу насоса. Они
увеличиваются с ростом давления и
износом насоса и приводят к потери
мощности насоса. Потери мощности,
связанные с утечками, характеризуются
объемным КПД насоса
.
Другие потери в насосе связаны с
механическим и гидравлическим трением
в насосе и характеризуются
гидравлико–механическим КПД
.
Полный КПД насоса
составляет для разных насосов значения
в пределах 0,7…0,9. По конструктивному
исполнению гидравлические насосы
разнообразны, но все они работают по
принципу вытеснения. Вытеснение рабочей
жидкости к выходу насоса осуществляется
посредством шестерен, поршней, винтов,
лопастей.
Самым распространенным гидравлическим насосом является шестеренный насос, схема которого изображена на рис. 3.3.
|
|
Рис. 3.3. Шестеренный насос:
1 – ведущая шестерня; 2 – камера; 3 – полость нагнетания; 4 – щека камеры; 5 – полость между зубцами; 6 – ведомая шестерня; 7 – полость всасывания
Насос имеет две шестерни 1 и 6 в плотном зацеплении. Одна из шестерен является ведущей, другая вращается свободно. Шестерни находятся в гнездах камеры 2. По торцам шестерен камеры закрыты щеками 4. Зазоры между вершинами зубьев шестерен и камерами и зазоры между торцами шестерен и щеками минимальны. Все детали насоса выполнены из стали и чугуна, иногда бронзы. При вращении шестерен в указанном стрелками направлении зубья шестерен в полости всасывания 7 создают разрежение. Рабочая жидкость заполняет полости между зубьями и снаружи вдоль корпуса насоса подается в полость нагнетания. Там жидкость при вхождении зубьев одной шестерни во впадины другой выдавливается из полостей между зубьями и нагнетается в трубопровод. В зазорах между зубьями в области между полостью всасывания и полостью нагнетания остается защемленная жидкость. Через специальный паз она подается в полость нагнетания, так как в противном случае из-за сжатия жидкости в замкнутом пространстве возникли бы пиковые давления, которые вызвали бы шум и разрушение насоса.
Полость всасывания 7 и патрубок всасывания из-за меньших допустимых скоростей течения жидкости во всасывающих трубопроводах всегда больше по размерам полости нагнетания 3. Скорость в патрубках насоса V = Q/A, где A – площадь поперечного сечения патрубка.
Помимо шестеренных насосов с внешним зацеплением в гидравлике применяются шестеренные насосы с внутренним зацеплением, винтовые насосы, пластинчатые насосы, аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы. Наибольшее номинальное давление (до 300 бар) и наибольший расход (до 500 л/мин) обеспечивают аксиально-поршневые насосы.
Если требуется получить давление большее, чем у данного насоса, насосы соединяют последовательно. Если же требуется получить расходы больше, чем у одного насоса, насосы соединяют параллельно. Если гидропривод работает в разных режимах, отличающихся расходом рабочей жидкости, ставят регулируемые по рабочему объему насосы или, что проще, регулируют частоту вращения вала насоса.
Двигатель привода насоса 5 (см. рис. 3.2) в стационарных устройствах, как правило, электрический. Двигатель в мобильных устройствах, в том числе в транспортных средствах, может быть как электрическим, так и двигателем внутреннего сгорания (дизель, бензиновый мотор). Электрический двигатель – это, чаще всего, асинхронный электромотор с синхронной частотой вращения вала 1500 1/мин. Двигатель обычно не регулируемый, но иногда его регулируют по частоте вращения в функции давления в гидросети, что существенно повышает КПД гидростанции и улучшает работу гидродвигателей.
Предохранительный клапан 6 (см. рис. 3.2) предназначен для защиты насоса от чрезмерного повышения давления. Он настраивается на максимально допустимое для насоса давление и последующей регулировке не подлежит. Предохранительный клапан является разновидностью напорных клапанов. Схема простейшего напорного клапана изображена на рис. 3.4, а, а схема его включения – на рис. 3.4, б.
Давление р на входе клапана (рис. 3.4, а) воздействует на поверхность запорно–регулирующего элемента (ЗРЭ) и создает усилие F = рA, где A – площадь перекрываемого отверстия.
|
|
|
|
а |
б |
||
Рис. 3.4. Предохранительный клапан (а) и схема его включения (б):
1 – гидробак; 2 – насос; 3 – манометр; 4 – клапан
Усилие пружины, которым ЗРЭ клапана прижимается к седлу, можно настраивать на нужную величину. Если сила F превышает усилие пружины, клапан начинает открываться. Благодаря этому часть потока, создаваемого насосом, начинает через отверстие Т стекать в гидробак 1 (рис. 3.4, б). Если давление возрастает до предельной для насоса величины, клапан открывается полностью и в гидробак сливается весь создаваемый насосом поток. Для первоначальной настройки клапана и последующего контроля давления к клапану присоединяется манометр 3.
Фильтр 9 (см. рис. 3.2) предназначен для снижения уровня загрязнений масла до допустимого значения и, тем самым, защиты отдельных конструктивных элементов гидравлической установки от чрезмерного износа. Фильтр характеризуется рабочим давлением, расходом и тонкостью фильтрации, т. е. размером частичек загрязнений, задерживаемых фильтром.
Фильтрующий элемент фильтра изготавливают из металлокерамики, различных тканей, бумаги, стекловолокна и т. п. Тонкость фильтрации для разных фильтров колеблется от 1 до 100 мкм в зависимости от того, какие элементы гидросети фильтр защищает от загрязнений. Прежде всего, фильтр устанавливают на линии слива, на линии всасывания или в напорной линии. Степень засорения фильтра определяют измерением перепада давления на нем. Фильтр меняют по мере его засорения или периодически, в зависимости от времени работы гидропривода.
На гидравлических схемах гидростанцию изображают в виде символов и их соединений, как показано на рис. 3.5.
напорная линия
линия слива
9
8
7
6
5
4
2
3
1
Рис. 3.5. Схема гидростанции:
1 – гидростанция (насосная станция); 2 – фильтр; 3 – резервуар (бак); 4 – электродвигатель; 5 – насос; 6 – предохранительный напорный клапан; 7 – указатель уровня масла; 8 – трубопроводы (линии); 9 – манометр