Объемный гидропривод, принцип действия и основные понятия

Гидроприводы в зависимости от типа используемых в них гид­ромашин делятся на объемные гидроприводы и гидродинамические передачи.

Объемный гидропривод — это гидропривод, в котором использу­ются объемные гидромашины. Принцип действия объемного гид­ропривода основан на практической несжимаемости рабочей жид­кости и на ее свойстве передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.

Рассмотрим работу простейшего объемного гидропривода, прин­ципиальная схема которого приведена на рис. 5.1. Он состоит из двух гидроцилиндров 1 и 2, расположенных вертикально. Нижние полости в них заполнены жидкостью и соединены трубопроводом.

Пусть поршень гидроцилиндра 1, имеющий площадь S₁, под действием внешней силы F₁ перемещается вниз с некоторой ско­ростью V₁. При этом в жидкости создается давление р = F₁/S₁. Если пренебречь потерями давления на движение жидкости в трубопро­воде, то это давление передается жидкостью по закону Паскаля в гидроцилиндр 2 и на его поршне, имеющем площадь S₂, создает силу, преодолевающую внешнюю нагрузку F₂ = pS₂.

Считая жидкость несжимаемой, можно утверждать, что коли­чество жидкости, вытесняемое поршнем гидроцилиндра 1 (расход Q = v₁S₁), поступает по трубопроводу в гидроцилиндр 2, поршень которого перемещается со скоростью v₂ = Q/S₂, направленной вверх (против внешней нагрузки F₂).

Если пренебречь потерями энергии в элементах гидропривода, то можно утверждать следующее. Механическая мощность N1 = F₁v₁, затрачиваемая внешним источником на перемещение поршня гид­роцилиндра 1, воспринимается жидкостью, передается ею по тру­бопроводу и в гидроцилиндре 2 совершает полезную работу в еди­ницу времени против внешней силы F₂ со скоростью v₂ (реализу­ется мощность N₂ = F₂v₂). Этот процесс можно представить в виде следующего уравнения мощностей:

Таким образом, гидроцилиндр 1 в рассмотренном случае рабо­тает в режиме насоса, т.е. преобразует механическую энергию при­вода в энергию потока рабочей жидкости, а гидроцилиндр 2 со­вершает обратное действие — преобразует энергию потока жидко­сти в механическую работу, т.е. выполняет функцию гидродвига­теля.

На основание анализа работы этого простейшего объемного гидроприво-да, а также принимая во внимание задачи, которые

Рис. 5.1. Принципиальная схема простейшего объемного гидропривода: 1- гидроцилиндр, работающий в режиме насоса; 2- гидроцилиндр, работающий в режиме гидравлического двигателя

необходимо решать по управлению гидроприводом и обеспечению его работоспособности, можно заключить, что реальный объем­ный гидропривод обязательно должен включать в себя следующие элементы или группы элементов (число перечисленных ниже эле­ментов в составе гидропривода не ограничивается):

энергопреобразователи — устройства, обеспечивающие преоб­разование механической энергии в гидроприводе: гидромашины, гидроаккумуляторы и гидропреобразователи;

гидросеть — совокупность устройств, обеспечивающих гидрав­лическую связь элементов гидропривода: рабочая жидкость, гид­ролинии, соединительная арматура и т.п.;

кондиционеры рабочей среды — устройства для поддержания за­данных качественных показателей состояния рабочей жидкости (чистота, температура и т.п.): фильтры, теплообменники и т.д.;

гидроаппараты — устройства для изменения или поддержания заданных значений параметров потоков (давления, расхода и др.): гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.

По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа.

1. Насосный гидропривод — в нем источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидко­сти (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, из которо­го всасывается насосом) и с замкнутой циркуляцией жидкости

(жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гид­ ролинию насоса).

2. Аккумуляторный гидропривод — в нем источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумуля­тор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с крат­ковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например гидропривод рулей ракеты).

3. Магистральный гидропривод — в этом гидроприводе рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с заданным располагаемым напором (энергией).

Гидроприводы подразделяются также по виду движения выходного звена. Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу. По этому признаку выделяют следующие объемные гидроприводы:

поступательного движения — в них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение;

вращательного движения — в них выходное звено совершает вращательное движение;

поворотного движения — в них выходное звено совершает огра­ниченное (до 360°) возвратно-поворотное движение (применяют­ся крайне редко).

Если в гидроприводе имеется возможность изменять только на­правление движения выходного звена, то такой гидропривод на­зывается нерегулируемым. Если в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым.

Основные преимущества и недостатки объемных гидроприводов

Регулируемые объемные гидроприводы широко используются в качестве приводов станков, прокатных станов, прессового и ли­тейного оборудования, дорожных, строительных, транспортных и сельскохозяйственных машин и т. п. Такое широкое их применение объясняется рядом преимуществ этого типа привода по сравне­нию с механическими и электрическими приводами. Основные из этих преимуществ следующие.

1. Высокая удельная мощность гидропривода, т.е. передаваемая мощность, приходящаяся на единицу суммарного веса элементов. Этот параметр у гидравлических приводов в 3...5 раз выше, чем у электрических, причем данное преимущество возрастает с ростом передаваемой мощности.

2. Относительно просто обеспечивается возможность бесступен­чатого регулирования скорости выходного звена гидропривода в широком диапазоне.

3. Высокое быстродействие гидропривода. Операции пуска, ре­верса и останова выполняются гидроприводом значительно быст­рее, чем другими приводами. Это обусловлено малым моментом инерции исполнительного органа гидродвигателя (момент инер­ции вращающихся частей гидромотора в 5... 10 раз меньше соот­ветствующего момента инерции электродвигателя).

4. Высокий коэффициент усиления гидроусилителей по мощ­ности, значение которого достигает «10⁵,

5. Сравнительная простота осуществления технологических опе­раций при заданном режиме, а также возможность простого и на­дежного предохранения приводящего двигателя и элементов гид­ропривода от перегрузок.

6. Простота преобразования вращательного движения в возврат­но-поступательное.

7. Свобода компоновки агрегатов гидропривода.

Наряду с отмеченными достоинствами гидропривода, при его проектировании или решении вопроса о целесообразности его использования следует помнить также и о недостатках, присущих этому типу привода. Эти недостатки обусловлены в основном свойствами рабочей среды (жидкости). Отметим основные из этих не­достатков.

1. Сравнительно невысокий КПД гидропривода и большие по­тери энергии при ее передаче на большие расстояния.

2. Зависимость характеристик гидропривода от условий эксплуатации (температура, давление). От температуры зависит вязкость рабочей жидкости, а низкое давление может стать причиной воз­никновения кавитации в гидросистемеиливыделения из жидкости растворенных газов.

3. Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и необхо­димость достаточно высокой культуры обслуживания. Загрязнение рабочей жидкости абразивными частицами приводит к быстрому износу элементов прецизионных пар в гидравлических агрегатах и выходу их из строя.

4.Снижение КПД и ухудшение характеристик гидропривода по мере выработки им или его элементами эксплуатационного ресурса. Прежде всего происходит износ прецизионных пар, что приводит к увеличению зазоров в них и возрастанию утечек жидкости, т. е. снижению объемного КПД.

Таким образом, гидравлические приводы имеют, с одной сторо­ны, неоспоримые преимущества по сравнению с другими типами приводов, а с другой стороны — существенные недостатки. В связи с этим перед специалистами, связанными с проектированием, изготовлением и обслуживанием гидроприводов, ставятся определенные задачи.

Задачами конструктора при проектировании гидропривода яв­ляются оптимизация его схемы, обеспечивающей выполнение приводом функциональных требований, и обоснованный выбор элементов гидропривода.

Задачами технолога при изготовлении элементов гидропривода являются обеспечение требуемого высокого качества изготовления, так как это оказывает колоссальное влияние на эксплуатаци­онные характеристики гидропривода. Так, в прецизионных парах, современных гидравлических агрегатов зазоры составляют 5 мкм и г менее. Обеспечить такую точность достаточно сложно.

В задачи обслуживающего персонала во время эксплуатации гидропривода входит выполнение технических условий и требова­ний по его эксплуатации, заключающееся прежде всего в выпол­нении правил монтажа гидропривода, регулярной смене фильтру­ющих элементов фильтров и замене рабочей жидкости, а также при необходимости в ее доливке. Выполнение этих требований по­зволяет значительно продлить срок службы как отдельных элемен­тов гидропривода, так и всего гидропривода в целом.