материалы по дисциплине РиПрГМиГПА / РиП ГМиГПАЛекция 3м

9

Лекция № 3м

Структура и особенности работы силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов

Силовые регулируемые аксиально-поршневые гидроприводы являются составной частью рабочих машин и механизмов. Они приводят в движение их рабочие органы с определённой закономерностью. В большинстве случаев обеспечивают необходимую скорость движения, заданное положение либо необходимую силу на рабочем органе.

Обобщённую структурную модель АПРГ можно представить в виде четырёх составных частей (рис. 1).

УПРАВЛЯЮ ЩИЕ, ВСПОМОГАТ.УСТРОЙСТВАА.

ИСТОЧНИК

РАБОЧЕЙ

СРЕДЫ

(НАСОС)

(НАСОС)

ОБЪЁМНЫЙ

ДВИГАТЕЛЬ

И МЕХАНИЧ. ПЕРЕДАЧА

ИСТОЧНИК

МЕХАНИЧЕ

СКОЙ

ЭНЕРГИИ

НАСОС)

(насос)

ИИ(Н

Рис. 1. Обобщённая структурная модель АПРГ

Источником механической энергии в большинстве случаев служит тепловой (внутреннего сгорания) или электрический двигатель. Для преобразования механической энергии приводного двигателя в энергию потока жидкости под давлением в этих гидроприводах используют аксиально-поршневые насосы с наклонным блоком цилиндров либо наклонным диском. В качестве исполнительных двигателей в АПРГ нашли широкое применение гидродвигатели поступательного движения – гидроцилиндры и вращательного движения – аксиально–поршневые гидромоторы с наклонным блоком цилиндров и, значительно реже, с наклонным диском. Вспомогательные устройства в данных гидроприводах обеспечивают кондиционирование рабочей жидкости (очистку, охлаждение и т. п.), предохраняют от поломок узлы и трубопроводы, контролируют процесс эксплуатации и выполняют другие функции. Наиболее важным квалификационным признаком АПРГ является тип управляющего устройства. От него зависит способ регулирования скорости, потери энергии и многие характеристики. По управляющему устройству различают гидропривода с объёмным, дроссельным и объёмно – дроссельным регулированием. Выбор той или иной схемы регулирования скорости гидропривода определяется многими факторами, основным из которых является величина мощности.

В гидроприводах объемного регулирования изменения объемов рабочей жидкости, поступающей в исполнительный гидродвигатель, а, следовательно, и его скорости осуществляется путем изменения рабочего объема насоса и, в отдельных случаях, гидродвигателя. Насосы в соответствии с сигналами управления производят преобразование механической энергии, поступающей от приводного двигателя, в энергию рабочей жидкости. Величины расхода и давления рабочей жидкости на выходе насоса являются функциями положения его регулирующего органа и нагрузки. Изменение положения регулирующего органа насоса производится механизмом управления, преобразующим, например, электрический сигнал управления в механическое перемещение.

Механизм управления регулирующим органом насоса состоит из электромеханического преобразователя и пропорционального или интегрирующего гидроусилителя. Для преобразования электрического сигнала в перемещение регулирующего элемента гидроусилителя применяются управляющие электродвигатели малой мощности или электромагниты.

В настоящее время особенно широкое применение получили системы с малогабаритными поляризованными управляющими электромагнитами и двухкаскадным гидроусилителем типа сопло-заслонка, обеспечивающие изменение положения или движения регулирующего органа насоса.

Гидроприводы объемного регулирования обладают достаточно высоким К.П.Д. (70%-75%), жесткой механической характеристикой, широким диапазоном регулирования, обеспечивают более плавное реверсирование и торможение гидродвигателя по сравнению с распределением рабочей жидкости с помощью гидрораспределителей. Недостатками этих гидроприводов являются сложность системы автоматического изменения рабочих объёмов гидромашин и меньшее быстродействие по сравнению с гидроприводами дроссельного регулирования. Данные гидроприводы, как правило, имеют замкнутую циркуляцию жидкости (жидкость совершает замкнутый цикл: насос – гидродвигатель – насос) и находят применение в системах мощностью от 1 до 100 кВт и более.

В гидроприводах дроссельного регулирования частота вращения (перемещение рабочего органа) исполнительного гидродвигателя определяется сопротивлением управляющих дросселей, включенных последовательно или параллельно с гидродвигателем. Конструктивное выполнение дросселирующих устройств весьма разнообразно. Наибольшее распространение получили золотниковые распределители, управляемые непосредственно от электромеханических преобразователей или с помощью промежуточных гидравлических каскадов усиления.

Рабочая жидкость от источника питания в этих гидроприводах поступает в дроссельный регулятор, осуществляющий регулирование расхода жидкости, поступающей в исполнительный гидродвигатель. Перемещение управляющего элемента дроссельного регулятора производится гидроусилителем, который вместе с электромеханическим преобразователем малой мощности образует электрогидравлический усилитель.

В данных гидроприводах обычно используют насосы постоянной производительности. При этом избыточное количество жидкости удаляется через переливной клапан, поддерживающий давление источника питания постоянным.

Так как в таком источнике питания производительность насоса и давление постоянны, то и подводимая к источнику мощность также остается постоянной, независимо от мощности, потребляемой нагрузкой.

Гидроприводы дроссельного регулирования работают по схеме с открытой циркуляцией жидкости и отличаются высокой чувствительностью и большим быстродействием, малыми усилиями, требующимися для перемещения запорно-регулирующих элементов гидрораспределителей, простотой конструкции гидравлических устройств и невысокой их стоимостью. Однако они имеют низкий К.П.Д., обусловленный самим принципом дросселирования потока рабочей жидкости, большой нагрев рабочей жидкости в дросселирующих элементах и малую жесткость механических характеристик. Основной областью их применения являются быстродействующие системы мощностью не более 3 - 5 кВт .

В гидроприводах объемно-дроссельного регулирования, в отличие от гидроприводов дроссельного регулирования, в источнике питания используют насосы переменной производительности обычно с обратной связью по давлению. Эти насосы управляются таким образом, что текущая их производительность приблизительно равна расходу рабочей жидкости, поступающему в исполнительный гидродвигатель. Основное регулирование скорости здесь осуществляется также как и в приводе с дроссельным регулированием: дросселированием жидкости в золотниковом распределителе. Такие гидроприводы обладают достаточно высоким К.П.Д., достигающим значения 60%, меньшим нагревом жидкости и упрощённой системой кондиционирования рабочей жидкости.

АПРГ эксплуатируются в различных условиях: в помещениях и на открытом воздухе в широком диапазоне изменения температуры, в условиях, характеризуемых различной степенью запылённости и влажности воздуха. При этом условия их эксплуатации определяются климатическими факторами внешней среды – температурой, влажностью и давлением воздуха, солнечным излучением, дождём, ветром, пылью, инеем и соляным морским туманом.

Так, например, специфика условий эксплуатации АПРГ наведения вооружений и военной техники и техники двойного назначения заключается в многообразии климатических и географических условий работы, что определяет большое количество требований к работоспособности гидроприводов и их элементов (нормали «Мороз-5» и «Мороз-6»). Это обеспечение работоспособности при температуре окружающей среды от минус 50 ^оС до + 60 ^оС (температуре рабочей жидкости от – 60 ^оС до + 90 ^оС); запыленности воздуха до 3г/м³(чистоте рабочей жидкости не хуже 12 класса по ГОСТ 17216-2001); относительной влажности воздуха 100% при температуре до + 35 ^оС; ветре со скоростью до 30м/с; размещении в горах на высоте до 3000 метров над уровнем моря; устойчивости к воздействию инея, росы, солнечного излучения, средств дегазации и т.д.

Режимы эксплуатации АПРГ определяются величиной и интенсивностью внешней нагрузки, характером рабочего процесса и другими факторами. Основные режимы работы строительно-дорожных машин с данными гидроприводами разделены на три вида: лёгкий, средний и тяжёлый. Лёгкий режим – это эпизодическая работа, не связанная с технологическим циклом машины, например, установка выносных опор самоходных кранов. Средний режим – это периодическая работа, связанная с технологическим циклом машины, например, привод рабочего оборудования скреперов, кранов и т.д. Тяжёлый режим – это постоянная работа при выполнении технологического цикла машины или её передвижении, например, привод рабочего оборудования экскаваторов, погрузчиков и т.д.

На основе анализа технологических процессов, осуществляемых АПРГ наведения вооружений и военной техники, установлено несколько типовых режимов их эксплуатации, например:

- режим работы с чередованием циклов: разгон - рабочий ход - торможение - холостой ход;

- режим работы периодического действия: длительная стоянка - продолжительный холостой ход – режим работы с предельной мощностью;

- следящий режим работы (с высокой частотой чередования рабочих циклов). Таким образом, характерными режимами работы АПРГ (особенно в системах наведения вооружений и в военной технике) можно считать режимы с максимальными мощностью и угловой скоростью вала; с минимальной мощностью при максимальной угловой скорости вала (холостой ход); с высокой частотой чередования рабочих циклов.

Особенности работы силовых регулируемых аксиально-поршневых гидроприводов

Скоростные и силовые характеристики АПРГ в значительной мере зависят от потерь мощности. Эти потери в данных гидроприводах равны сумме объёмных и механических потерь, а, следовательно, полный К.П.Д. передачи будет равен в основном произведению соответствующих К.П.Д. насоса и гидромотора. Объёмные потери определяют соотношения кинематических, а механические потери – соотношения нагрузочных показателей режима. Следует иметь в виду, что объёмные потери иногда обусловлены не только утечками, но и отбором части подачи насоса на обслуживание систем контроля и управления. Кроме того, потери мощности, например в гидроприводах раздельного исполнения, могут быть вызваны гидравлическим сопротивлением магистралей, по которым циркулирует жидкость, и в особенности при больших их длинах.

Процесс регулирования с учётом потерь мощности и величины нагрузки гидромотора может происходить лишь в определённом диапазоне рабочих объёмов гидромашин, входящих в состав АПРГ.

Известно, что при уменьшении рабочего объёма гидромотора без учёта влияния утечек скорость его гиперболически увеличивается, а развиваемый им расчётный крутящий момент линейно уменьшается. Минимальный рабочий объём гидромотора при подобном регулировании и соответствующая ему максимальная скорость гидромотора ограничивается даже при нулевой нагрузке вала явлением самоторможения, наступающим в гидромоторах при известном уменьшении его рабочего объёма до величины, при которой момент сил трения превышает средний момент, развиваемый гидромотором. При этом скорость вращения и крутящий момент гидромотора снижаются до нулевых значений. С учётом же нагрузки минимальная величина рабочего объёма гидромотора ограничена значением, при котором развиваемый им крутящий момент способен преодолеть при заданном давлении не только сопротивление трения в самом гидромоторе, но и нагрузку, приложенную к его валу.

При некоторой малой величине рабочего объёма насоса, т.е. малом угле γ наклона его блока цилиндров или диска, вращение вала нагруженного гидромотора может прекратиться вследствие перетекания жидкости из рабочих полостей насоса и гидромотора в нерабочие, а также утечек её в бак. Это наступит при такой величине рабочего объёма насоса, при которой подача насоса будет равна утечкам жидкости через зазоры элементов гидропривода при данном давлении. Таким образом, данный гидропривод будет иметь зону нечувствительности «ѕ» в этом положении регулируюшего узла насоса, при проходе которой гидромотор не будет вращаться (рис. 1).

Рис. 1. Скоростные характеристики АПРГ

При работе в режиме холостого хода, когда давление в гидроприводе близко к нулю, скоростная характеристика (кривая а) близка к линейной, проходящей через начало координат. При нагружении мотора и соответственно повышении давления в скоростной характеристике (кривая б) появляется, в результате утечек, зона нечувствительности «s», характеризуемая для аксиально-поршневых гидромашин углами ± γ, в пределах которых изменения параметра регулирования (угла наклона люльки или диска) насоса не сопровождается вращением вала гидромотора. Однако частота вращения вала гидромотора задолго до полной остановки станет неустойчивой вследствие колебаний величин трения и утечек и влияния при малой частоте вращения пульсации подачи и крутящего момента. Следовательно, диапазон регулирования в режиме постоянного крутящего момента зависит также от минимально устойчивой скорости вращения вала гидромотора.

Силовые регулируемые гидроприводы (в том числе следящие) при работе должны обеспечивать необходимую чувствительность, точность и быстродействие при достаточной устойчивости.

Под чувствительностью будем понимать отношение величины приращения сигнала на выходе привода к величине приращения сигнала на входе. Например, при слежении по перемещению у копировальных систем мера чувствительности соответствует отношению приращения скорости слежения к величине смещения следящего золотника из нейтрального положения. Увеличение чувствительности привода увеличивает его точность. Однако очень большая чувствительность привода ухудшает его устойчивость (вызывает колебания).

Для рассматриваемых гидроприводов особенно следящего типа большое значение имеет их быстродействие, определяемое временем регулирования, т.е. промежутком времени между моментом приложения импульса на входе привода и моментом достижения регулируемым параметром (на выходе привода) установившегося значения с некоторым небольшим отклонением, равным ± 2% - 5%. Чем выше быстродействие и меньше колебательность переходных процессов, тем выше качество регулирования гидроприводов. Вследствие запаздывания реагирования по времени происходит некоторое запаздывание выходного сигнала по отношению к входному сигналу и отклонения по фазе, определяющие ошибку (рассогласование). Необходимо учитывать скорость и время передачи сигналов и время срабатывания элементов привода. Скорость передачи импульсов давления в гидроприводах составляет 700 - 1100 м/с, причем меньшие скорости соответствуют трубам малого диаметра и более вязким жидкостям. Величина пути распределителя из нейтрального положения, необходимого для начала перемещения ведомого исполнительного звена, соответствует величине нечувствительности привода. Наличие значительной нечувствительности привода снижает точность и устойчивость его работы.

Нечувствительность АПРГ зависит от нагрузки, жёсткости звеньев, наличия люфтов и зазоров в элементах и механизмах гидропривода, давления рабочей жидкости, а также герметичности узлов и соединений. Действительно, гидродвигатель не придёт в движение, пока к нему не будет подведён объём жидкости требуемого давления, превышающий утечки в приводе.

Таким образом, утечки и перетечки жидкости в АПРГ увеличивают их демпфирование, но одновременно они замедляют реагирование привода на управляющий сигнал, уменьшают чувствительность и точность, снижают КПД и уменьшают жёсткость системы. Повышение давления жидкости увеличивает тяговую силу, скорость, точность слежения и мощность гидропривода, даёт возможность уменьшить габариты и массу комплектующих гидроэлементов и АПРГ в целом. Однако увеличение давления уменьшает устойчивость привода, усложняет герметизацию узлов и соединений, снижает долговечность и надёжность насосов и гидродвигателей.