Введение в инженерное образование

к одному, но и к нескольким исполнительным механизмам, ревер­ сировать их движение и ступенчато изменять величину скорости и крутящего момента на ведомом валу.

Ввиду невозможности бесступенчатого регулирования скорости вращения и крутящего момента, возникновения динамических на­ грузок при колебании внешних возмущений, громоздкости и слож­ ности конструкции механические передачи часто заменяются ком­ бинированными - гидромеханическими или электромеханическими.

На крупных машинах и базовых тягачах, мощность силовой уста­ новки которых составляет более 150 кВт, могут применяться элек­ трические передачи постоянного и переменного тока. Эти передачи состоят из генератора и одного или нескольких электродвигателей. Генераторы, как правило, приводятся во вращение дизельными двига­ телями и образуют с ними один агрегат. Режимы работы генератора согласовываются с характеристикой приводного двигателя в направ­ лении полного использования мощности силовой установки даже при изменении внешней нагрузки в широком диапазоне. Эта задача ус­ пешно решается в случае, когда электрическая передача позволяет бесступенчато регулировать скорость ведомого элемента.

В электрических передачах постоянного тока изменение угловой скорости и крутящего момента электродвигателя производится регу­ лированием тока возбуждения. При этом применяют схемы с параялельным, последовательным и смешанным включением обмоток воз­ буждения электромапшн. В электрических передачах переменного то­ ка эта же задача решается введением преобразователей частоты питания электродвигателей. Регулируемые электропередачи сложны и обладают большой массой. Поэтому чаще применяют более простые и дешевые нерегулируемые электропередачи переменного тока, хотя по своим характеристикам они близки к механическим передачам.

Большое распространение в приводах дорожных машин получи­ ли гидродинамические передачи, к числу которых относят гидро­ муфты и гидротрансформаторы. У них движение ведомых звеньев осуществляется без жестких связей - посредством рабочей жидкости. Гидродинамические передачи обеспечивают разгон и торможение, хорошо гасят крутильные колебания, вьшолняют функщ1и автомати­ ческих бесступенчатых коробок скоростей, согласовывают работу нескольких механизмов, получающих энергию от одного приводно­ го двигателя. Поэтому они широко применяются в трансмиссиях

70

землеройно-транспортных машин, одноковшовых экскаваторов, погрузчиков, камнедробилок и т. п., приводимых в движение двига­ телями внутреннего сгорания или асинхронными короткозамкну­ тыми электродвигателями.

Если гидродинамическую передачу, конструктивная схема кото­ рой изображена на рис. 4.14, заполнить рабочей жидкостью, а ве­ дущий вал 7 с насосным колесом 2 привести во вращение, исполь­ зуя энергию приводного двигателя, то под действием центробежных сил начнется движение жидкости, сопровождаемое «закруткой» ее потока. При этом происходит преобразование механической энер­ гии ведущего вала в энергию движущейся жидкости.

Рис. 4.14. Конструктивная схема гидромуфты

После прохождения сечения б-б и межлопаточного зазора поток жидкости попадает в лопастную систему турбинного колеса 3. На этом колесе поток «раскручивается», энергия движущейся жидко­ сти уменьшается, постепенно преобразуясь в механическую энер­ гию ведомого вала 4. Гидродинамические передачи такого типа на­ зываются гидромуфтами.

Гидротрансформаторы (рис. 4.15) состоят из трех рабочих эле­ ментов - насосного колеса 1, закрепленного на ведущем валу, тур­ бинного колеса 2, жестко посаженного на ведомый вал, и непод­ вижного направляющего аппарата (реактора) 3. Межлопаточные каналы этих рабочих элементов, так же как в гидромуфте, образуют кругщ1ркулящ1И жидкости. Ввиду наличия реактора при изменении внешней нагрузки в гидротрансформаторе происходит преобразо­ ваниене только скорости вращения, но и крутящего момента.

71

Рис. 4.15. Конструктивные схемы гидротрансформаторов:

а - реактор после насосного колеса; б ~ реактор перед насосным колесом; I - ведущий вал; II - ведомый вал

Всистемах управления и в маломощных приводах машин широ­ ко применяют гидрообъемные передачи. Их используют также в машинах, на циклично работающих приводах, имеющих сложную пространственную кинематику движения.

Распространению объемных гидропередач способствует ком­ пактность конструкции даже при реализации больших передаточ­ ных отношений (1; 1000 и более), простота средств бесступенчатого регулирования скорости исполнительного механизма и преобразо­ вания вращательного движения в возвратно-поступательное. При их использовании возможна автоматизация процесса работы, унифи­ кация и стандартизация элементов привода. Однако работа гидро­ объемных передач зависит от температуры окружающей среды. Эти передачи имеют невысокий КПД (0,7...0,75) и требуют квалифици­ рованного обслуживания.

Вгидрообъемных передачах геометрические и силовые связи ус­ танавливаются замкнутым объемом рабочей жидкости, располо­ женной в напорной магистрали между насосом и гидродвигателем.

Внасосе механическая энергия приводного двигателя преобразует­ ся в гидравлическ)то энергию рабочей жидкости, которая затем пе­ реходит в механическую энергию гидродвигателя и расходуется на

преодоление внешнего сопротивления.

72

Ъ отличие от насосов, которые являются роторными гидрома­ шинами вращательного типа, гидродвигатели бывают трех видов: одромоторы, поворотники и гидроцилиндры. Гидромоторы обес­ печиваютвращательное движение ведомого вала с неограниченным углом поворота. Поворотники (их часто называют моментными гидроцилиндрами) поворачивают ведомый вал только на ог­ раниченный угол. Гидроцилиндры относятся к группе очень рас­ пространенных на дорожных машинах гидродвигателей, совер­ шающих возвратно-поступательное движение. В качестве насосов и гидромоторов применяют шестеренчатые, винтовые, пластинчатые (пшберные), аксиально-поршневые и радиально-поршневые гидро­ машины (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Конструктивные схемы насосов и гидромоторов: а - шестеренчатого; б - винтового; в - лопастного;

г - аксиально-поршневого; д - радиально-поршневого

При вращении вала шестеренчатого насоса (рис. 4.16, а) захва­ тывается некоторый объем рабочей жидкости из всасывающей ка­ меры / и переносится в напорную камеру //. Этот перенос становится

73

возможным благодаря образованию геометрически замкнутых про­ странств мела^ впадинами зубьев ведущей 1 и ведомой 2 шестерен и корпусом 3. Линия контакта шестерен отделяет напорную камеру от всасывающей, препятствуя обратному движению жидкости.

В винтовом насосе (рис. 4.16, б), состоящем из винтов i и 2, а также корпуса 3, перенос рабочей жидкости обеспечивается распо­ ложенными между этими элементами запертыми пространствами, которые в виде «жидкостной гайки» перемещаются из всасываю­ щей камеры I в напорную II.

Пластинчатые насосы (рис. 4.16, в) строятся на основе кулисного механизма. На ведущем валу 1 закреплен ротор 2, в пазах которого совершают возвратно-поступательное движение шиберы 3, опи­ рающиеся на цилиндрическую поверхность корпуса 4, геометриче­ ская ось которой расположена эксцентрично относительно ротора на величину е. При вращении ротора по часовой стрелке простран­ ства между шиберами, работающими справа от вертикальной оси, а также ротором и статором уменьшаются, в связи с чем рабочая жидкость вьщавливается в напорную полость //.

В то же время аналогичные пространства, расположенные слева от вертикальной оси, увеличиваются, обеспечивая захват рабочей жидкости из всасывающей полости I.

На валу I аксиально-поршневого насоса (рис. 4.16, г) закреплен ци­ линдрический блок 2, в цилиндрах которого совершают возвратно­ поступательное движение поршни 3, опирающиеся на упорный под­ шипник диска 4. Цилиндрический блок упирается в распределитель 5, закрепле1шый в неподвижном корпусе б. Благодаря распределителю полости цилиндров периодически соединяются с напорной или со всасьшающей камерами, в зависимости от направления движения поршней.

Радиально-поршневой гидромотор (рис. 4.16, д) состоит из блока цилиндров 1, в расточках которого помещены поршни 2. Поршни имеют катки 3, которые обкатываются по направляющей поверхно­ сти корпуса 4. Рабочая жидкость поступает под поршни через рас­ пределитель 5. Расположение окон распределителя согласуется с положением рабочих и холостых участков направляющей корпуса. При развиваемом поршнем усилии Р сила давления катка на на­ правляющую N будет тем больше, чем больше угол давления у. Возникающее при взаимодействии катка с направляющей тангенци­ альное усилие Т формирует крутящий момент ротора.

74

Все перечисленные типы гидромашин относятся к классу ротор­ ных, одним из основных свойств которых является принципиальная обратимость, т. е. способность работать как в качестве насоса, так и в качестве гидромотора.

Аксиально-поршневые гидромашины работают при давлении 16...35 МПа с объемным расходом 5...20 л/с, их долговечность состав­ ляет 5...8тыс. ч чистой работы, а общий КПД достигает 0,9...0,93.

иЬфокое применение находят шестеренчатые и пластинчатые насо­ сы, максимальные значения параметров которых при долговечности 4...6ТЫС. ч примерно одинаковы: ртах = 14...18 МПа и = 8...10л/с.

Пластинчатые насосы чаш;е используют в системах управления, подпитки и централизованной смазки дорожных машин. В этих случаяхих работа протекает при давлениях 0,3...1,2 МПа.

Наряду с низкомоментными высокооборотными гидромашинами пе­ речисленных типов все большее распространение получают высокомомешные радиально-поршневые гидромоторы, рассчитанные на работу при давлениях до 35 МПа. Если со < 10 рад/с, или М > 1000 Н • м, или Шф > 100, то гидромашину относят к разряду высокомоментных. Высокомоментные гидромоторы устанавливают непосредственно на рабочий орган или передают ему движение через простейшую редукторную систему. Однако удельные энергетические показателивысокомоментных гидромоторов (кВт/кг) в 2.. .5 раз хуже низкомоментных гидромоторов. Поэтому высокомоментным гидромото­ рам часто предпочитают низкомоментные, скомпонованные в одно целое с планетарными или червячными передачами.

Простота исполнения, хорошая компонуемость, сравнительно небольшая масса на единицу передаваемой мощности, способность встраиваться непосредственно в рабочие органы машин определили большое разнообразие конструктивных схем гидроцилиндров. Кон­ троль и управление параметрами гидравлической энергии осущест­ вляется с помощью распределительной, регулирующей и контроль­ ной аппаратуры.

Распределители направляют рабочую жидкость от насоса к гидродвигателям, обеспечивают их реверсирование и остановку. По конструкции различают пробковые, клапанные и золотниковые рас­ пределители. Последние имеют наибольшее распространение. Они многопозиционны, уравновешены от статических сил давления и имеют сравнительно небольшие сопротивления от сил трения. Схе­

75

ма трехпозиционного золотникового распределителя, забавляюще­ го направлением движения штока гидроцилиндра, изображена на рис. 4.17. Его рабочими элементами являются цилиндрический гшунжер 1, снабженный поясными и кольцевыми проточками, и корпус 2, имеющий окна или отверстия, через которые подводится и отводится рабочая жидкость.

/ /

/

Г /

S '

Рис. 4.17. Конструктивная схема золотникового распределителя

Рассматриваемый распределитель является четырехходовьш, так как связьгеает четыре элемента системы - напорную и сливную ма­ гистрали и две магистрали, ведущие к полостям гидроцилиндра. Различают три основных типа золотниковых распределителей; с по­ ложительным, нулевым и отрицательным перекрытиями. У золот­ ников с положительным перекрытием ширина пояска о на плунжере больше отверстия б в корпусе. Они хорошо фиксируют положение исполнительных механизмов. Когда плунжер такого распределите­ ля устанавливается в нейтральное положение, исполнительный ме­ ханизм отсекается от напорной и сливной магистралей, а рабочая жидкость запирает его. Этот тип золотника применяется в разомкну­ тых системах управления для лучшей динамической устойчивости гидропривода. Применение его в системах управления с обратной

76

связью нежелательно, так как наличие перекрытия определяет большую зону нечувствительности. Этого недостатка лишены зо­ лотники с нулевым перекрытием, когда ширина пояска плунжера равнаширине канавки или отверстия корпуса. Достигнуть нулевого перекрытия при изготовлении золотника сложно, поэтому в следя­ щихприводах, как правило, применяют золотники с отрицательным перекрытием. У таких золотников при нейтральном положении плунжера по обеим сторонам его пояска имеются начальные зазоры (4...6) ■10"^ м, через которые жидкость, подаваемая насосом, посту­ паетв сливную магистраль.

Золотники с отрицательным перекрытием имеют меньшую зону нечувствительности, но не могут применяться тогда, когда утечки и жесткость являются важными для системы факторами.

Регулирующие органы гидросистемы подразделяют на регулято­ ры давления и регуляторы расхода. Регуляторы давления предна­ значены для предохранения гидросистемы от перегрузок, а также для поддержания в ее магистралях давления заданной величины. К первой группе этих устройств относятся предохранительные клапа­ ны, а ко второй - подпорные, редукционные и обратные клапаны и клапаны разгрузки насосов. Конструктивно регуляторы расхода вы­ полняются шариковыми, конусными, плунжерными и комбиниро­ ванными. Шариковые клапаны являются наиболее простыми и бы­ стродействующими ввиду малой инерционности подвижных эле­ ментов. Однако при непрерывной работе они из-за износа седла быстро выходят из строя. Поэтому их применяют в качестве эпизо­ дически работающих предохранительньсс и обратных клапанов. Чащеприменяют плунжерные и комбинированные клапаны.

Чтобы избежать влияния режимов нагружения на скорость дви­ жения исполнительного механизма, применяют дроссели с регуля­ торами. Регуляторы являются такими устройствами, которые с по­ мощью гидравлической обратной связи независимо от условий на­ гружения поддерживают на дросселе постоянный перепад давления. Дроссельные устройства устанавливают на входе или выходе гид­ родвигателя, а в некоторых случаях - параллельно ему. В первом случае рабочая жидкость от насоса поступает к гидродвигателю че­ рез дроссель. При этом некоторый избыток объемного расхода жидкости насоса сливается через предохранительный клапан. Чем меньше проходное сечение дросселя, тем меньше скорость враще­

77

ния гидромотора и тем большая доля расхода поступает на слив че­ рез предохранительный клапан. Запускается такая система в работ) плавно, без толчков. Однако если нагрузка на валу гидродвигател» меняет свою величину, то из-за отсутствия подпора на сливе трудно получить устойчивую скорость движения этого вала. Этот недоста­ ток отсутствует, когда дроссель установлен на выходе из гидродви­ гателя. По КПД оба эти варианта уступают системам, в которых дроссель установлен параллельно гидродвигателю, так как при их использовании насос независимо от нагрузки работает при давлении срабатывания предохранительного клапана. Однако когда дроссель установлен параллельно гидродвигателю, в системе трудно получить устойчив)то скорость движения исполнительного механизма, осо­ бенно при небольших ее значениях. К вспомогательным устройствам гидросистем относятся средства борьбы с различными помехами. Они подразделяются на средства очистки рабочей жидкости - фильт­ ры, средства стабилизации теплового режима - теплообменники, на­ копители гидравлической энергии - гидроаккумуляторы.

Фильтры улавливают попавшие в гидросистему посторонние меха­ нические примеси. По тонкости очистки различают фильтры: грубой очистки id> 1,0 • м), нормальной очистки {d> 1,0 • 10'^ м), тонкой очистки id > 0,5 • 10'^ м) и особо тонкой очистки (d>\,Q - 10“®м). По методу отделения механических частиц различают фильтры меха­ нического действия и силовые очистители. В фильтрах механиче­ ского действия поток жидкости пропускается через фильтрующий материал, в котором задерживаются механические частицы. Дейст­ вие силовых очистителей основано на разделении рабочей жидко­ сти и примесей под влиянием силового поля, которое может быть гравитационным, центробежным, магнитным, электростатическим или вибрационным. Наибольшее распространение в гидросистемал дорожных машин получили фильтры механического действия. В ба­ ках, картерах и отстойниках широко применяют магнитные очистите­ ли. Устанавливают фильтры чаще всего на нагнетательном трубопро­ воде после предохранительного клапана. При такой установке фильт ры наиболее надежно защищают распределительные устройства от загрязнений. Распространены также схемы с установкой фильтров на сливе. В этом случае они работают под небольшим давлением.

Теплообменники отводят выделившуюся в гидросистеме тепло­ вую энергию, а при низких температурах воздуха нагревают рабочук

78

жидкость. На дорожных машинах применяют теплообменники с принудительным обдувом воздухом, направляемым вентиляторной установкой.

Гидравлические аккумуляторы служат для компенсации кратко­ временных пиковых нагрузок. Они являются также демпферами колебаний, возникающих при пульсации давления.

Рабочая жидкость гидросистем сочетает свойства рабочего тела со (жойствами смазочных материалов. В гидросистемах широко приме­ няют минеральные масла, полученные смешиванием маловязких нефтепродуктов с высоковязкими компонентами. Углеводородные полимеры, входящие в состав минеральных масел, образуют во взаи­ модействиис поверхностью металла граничные адсорбционные слои, обладающие высокой механической прочностью и малым сопротив­ лением поперечному скольжению. Присадки, содержащиеся в рабо­ чих жидкостях гидросистемы, улучшают их свойства. Основными показателями качества рабочих жидкостей служат их вязкость, тем- пфатурно-вязкостная характеристика, физргческая и химическая ста­ бильность, антикоррозионнью свойства, агрессивность по отношеШйо к резиновым уплотняющим устройствам, смазочная способность и температура замерзания. Рабочая жидкость должна быть достаточ­ но густой, чтобы снизить объемные потери в гидросистеме, но не слишком, чтобы избежать явлений кавитации и повышенных гидро­ механическихпотерь в гидроагрегатах и трубопроводах.

Физическая стабильность характеризует способность рабочей жидкости сопротивляться деформациям сдвига и не терять своей вязкости и смачивающих свойств. При работе высокооборотных гидромашин и распределительно-регулирующей аппаратуры вяз­ кость жидкости постепенно уменьшается. При этом чем более вы­ сокомолекулярные присадки использованы для улучшения вязкост­ ных свойств, тем сильнее влияние деформаций, вызванных трением и мятием рабочей жидкости.

Химическая стабильность рабочих жидкостей, или их стойкость к окислению, зависит от химического состава и строения компонен­ тов. В процессе окисления, когда прекращается действие антиокислительных присадок, из жидкости выпадают осадки в виде смолы, которые засоряют элементы сопряжений гидроагрегатов и могут вывести их из строя. Лучшими катализаторами, вызывающими ускорение процесса окисления, являются металлические частицы,

79