2. Классификация и характеристики рабочих жидкостей гидроприводов.

Жидкость гидропривода — его рабочий элемент, поэтому к ней предъявляются требования обеспечения прочности и долговечности. Она, как и всякий иной конструктивный элемент, подвержена механическому и химическому разрушению (деструкции), имеет ограниченный срок службы, причем последний во многом зависит от типа жидкости, условий и режима эксплуатации. Помимо этого жидкость служит смазывающим материалом (должна обеспечивать смазку мехнизмов гидропривода), а также охлаждающей средой.

В качестве рабочих жидкостей в гидросистемах станков применяют минеральные масла, изготовленные на нефтяной основе как с присадками, так и без них, а также синтетические жидкости, основу которых составляют эфиры, кремний- и фтороуглеродистые полимеры. Иногда, в частности для гидроприводов кузнечно-прессовых машин, используют масляно-водные эмульсии.

Существуют два вида присадок для жидкости: 1) изменяющие химические свойства основы — антиокислители и ингибиторы коррозии; 2) изменяющие физические свойства — вязкость, температуру застывания, смазочные способности и др.

Контроль за состоянием жидкости в процессе эксплуатации ведут по стабильности химического состава и вязкости, по уровню загрязнения.

Стабильность состава характеризуется постоянством содержания водорастворимых кислот, осадков, соответствующим кислотным числом. Под кислотным числом подразумевают количество КОН (едкого кали) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации свободных кислот в одном грамме масла. Само по себе кислотное число о пригодности жидкости к дальнейшей эксплуатации не свидетельствует. Чтобы оценить работоспособность жидкости, надо знать величину, на которую оно изменилось. В свежем минеральном масле, например, кислотное число составляет 0,1...0,2 мг КОН. Жидкость считается непригодной к эксплуатации, если кислотное число достигнет значений 4... ...5 мг КОН.

Окисление масел кислородом воздуха, молекулярно-структурные изменения в них от воздействия меняющихся давлений и температур, электрогальванические процессы, возникающие из-за различия электрических зарядов на смачиваемых поверхностях деталей, изготовленных из разнородных материалов, и ряд других факторов являются причинами старения жидкости. Этот процесс сопровождается изменением вязкости и однородности жидкости, ухудшением ее смазывающей способности, образованием осадков, а также усиливает коррозионные процессы деталей элементов гидропривода. В практике принято заменять рабочую жидкость в гидросистеме, если ее вязкость в процессе эксплуатации изменилась по сравнению с первоначальной на 20... ...25%.

Загрязнение масла частицами органического и неорганического происхождения размерами более 200 мкм не допускается.

В гидроприводах машин, предназначенных для работы в ста­бильных температурных условиях, обычно применяют рабочие жид­кости минерального происхождения с диапазоном вязкости при темпе­ратуре 50 °С примерно 10—40 сСт, а именно: трансформаторное, веретенное АУ, индустриальное, тур­бинное и другие масла. Применение ме­нее вязких жидкостей приводит к уве­личению утечек, а более вязких — к увеличению гидравлических потерь.

Для работы в условиях широкого температурного диапазона от 333 до 213 К (±60 °С) применяют специаль­ные смеси минеральных масел, обеспе­чивающих вязкость в диапазоне темпе­ратур от 320 до 220 К (±50 °С) в пре­делах от 10 до 1200 сСт. Этим требованиям отвечает масляная смесь АМГ-10.

Для работы при температурах около 450—500 К (180—230 °С) применяют синтетические жидкости на кремнийорганической основе. Последние годы из-за увеличивающегося дефицита нефтепродуктов " и стремления к использованию негорючих материалов все более широкое применение в гидросистемах находят водомасляные эмульсии и синтетические негорючие жидкости на водяной основе. Используя такие материалы, надо учитывать их повышенную склонность к де­струкции, коррозионную и кавитационную активность. Как пра­вило, при этом

следует снижать рабочие давления р и частоту вра­щения п гидромашин в 1,5—2 раза.

В практике часто используют понятия относительный удельный вес и относитель­ная плотность, являющиеся безразмерными величинами. Первая характеризует отношение удельного веса жидкости, взятой при определенной температуре, к удельному весу ди­стиллированной воды при температуре около 4 °С и нормальном атмос­ферном давлении, вторая — отношение плотностей исследуемой жи­дкости и дистиллированной воды.

Плотность часто называют характеристикой инерционности жи­дкости, поскольку она определяет значения ударных явлений в замк­нутых объемах, а также сопротивления перемещению жидкости с раз­личными ускорениями.

Вязкость жидкостей. Силы поверхностного натяжения жидкостей. При движении реальных жидкостей различные слои потока имеют раз­ные скорости перемещений В 1686 г. И. Ньютон высказал предположение, что разность в скоростях перемещений слоев жидкости вызвана наличием между ними сил Р внутреннего трения, которые прямо пропорциональны скорости относительного движения слоев и площади соприкосновения.

Динамическая вязкость равна силе трения, приходя­щейся на единицу поверхности соприкасающихся слоев жидкости, градиент скорости которых равен единице. Числовое значение коэф­фициента вязкости выражается в паскаль-секундах (Па • с).

Изучая характер движения жидкости, принимают во внимание, наряду с вязкостью, и ее инерционность. Отношение динамической вяз­кости к плотности жидкости называют кинематической вязкостью. В СИ кинематическую вязкость измеряют в квадратных метрах в секун­ду (м²/с). Известно из опыта, что на поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объ­ему жидкости сферическую формуй вызывающие некоторое дополни­тельное давление в объеме. Заметно это давление лишь в малых объ­емах (каплях) жидкости.

Это дополнительное давление вызывает подъем жидкости в трубах малого диаметра.

Влияние температуры и давления на характеристики рабочих жи­дкостей В процессе эксплуатации гидросистем жидкость подвергает­ся воздействию нагрева и охлаждения, меняющихся давлений. Это существенно изменяет ее характеристики.

Влияние температуры. Повышение температуры уве­личивает объем большинства рабочих жидкостей. Эта зависимость ха­рактеризуется температурным коэффициентом объемного расшире­ния, который равен отношению относительного изменения иссле­дуемого объема к изменению температуры Т при постоянном давлении

Практика показывает, что температурный коэффициент объемно­го расширения зависит от природы жидкости и ее исходной плот­ности. Нагревание жидкости, находящейся в закрытой жест­кой емкости (резервуаре, силовом цилиндре и так далее), может привести к возникновению недопустимо высоких давлений. Для предотвращения таких аварийных ситуаций в гидросистемах устанавливают гидро­аппараты управления давлением жидкости.

С повышением температуры уменьшается вязкость капельных жидкостей. Обычно эта зависимость выражается эмпирическими фор­мулами, используя которые, можно получить близкие к эксперимен­тальным значения коэффициентов вязкости.

Считается, что жидкость пригодна для эксплуатации, если ее вяз­кость в диапазоне температур ±50 °С изменяется не более чем в 100 раз.

Влияние давления. Реальные рабочие жидкости (ка­пельные) в отличие от «идеальных» с увеличением давления умень­шают первоначально занимаемые ими объемы. Для объемного гидро­привода эффект сжимаемости жидкости — явление, как правило, от­рицательное, так как не позволяет реально использовать энергию, затраченную на ее сжатие.

Степень сжатия жидкости зависит от ее природы. Так, у воды она незначительна, а у жидкостей, являющихся продуктами перегонки нефти или полученных синтезом, достигает весьма больших зна­чений.

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объем­ного сжатия р, равного отношению относительного изменения ее объ­ема к изменению давления при постоянной температуре.

Величину Е_ж, обратную коэффициенту объемного сжатия, называют объемным модулем упругости жидкости

Объемный модуль упругости жидкости Е_ж зависит от ее физической природы, температуры, давления и количества растворенного возду­ха, что вызывает трудности при аналитическом определении значений Е_ж. Особенно сказываются на значениях Е_ж тепловые условия, при которых происходит сжатие. В связи с этим находят изотермиче­ский и адиабатический модули упругости.

Поскольку в объемных гидроприводах тепловое процессы проте­кают значительно медленнее, чем процессы изменений давлений, то под объемным модулем упругости, как правило, подразумевают адиа­батический модуль упругости. Значение его определяют эксперимен­тально.

С увеличением давления коэффициент объемного сжатия жи­дкостей уменьшается, а модуль упругости повышается. Отмечается при этом неравномерность изменения упомянутых характеристик с возрастанием давления. Наиболее интенсивно объемный мо­дуль упругости повышается при сравнительно низких давлениях — до 100...120 МПа. В общем случае для маловязких жидкостей объемный модуль упругости при атмосферном давлении и 20 °С составляет не более 135 МПа, вязких — 170 МПа.

Увеличение давления изменяет вязкость жидкости, что особенно заметно при высоких давлениях. Так, при росте давления от 0 до 150 МПа вязкость повышается в среднем в 15 раз, а при росте его от 0 до 200 МПа — в 50... 1000 раз. Большинство минеральных масел затвердевает при давлениях около 2500 МПа и температуре 20 °С, вода —при 840 Мпа.

Газы в жидкостях. Кавитация. Рабочие жидкости, применяемые в гидравлическом приводе, обладают способностью растворять в себе газы, в том числе и воздух.

Как показывает практика, пузырьки газа (пара) размером менее 10 мкм на поверхность не всплывают, а задерживаются в толще жидкости, оседают на стенках каналов, заполняют микротрещины де­талей гидросистемы. Когда давление меняется, количество пузырьков также изменяется, одновременно происходит их деформация, сопро­вождающаяся локальным выделением тепла и, следовательно, местным в микрообъеме повышением температуры жидкости.

Явление, связанное с выделением газа (пара) из жидкости в зонах низкого давления и последующим разрушением (конденсацией) этих пузырьков при повышении давления, т. е. образование в жидкости полостей с газом (паром), называют кавитацией. Кавитационные яв­ления, характеризующиеся гидравлическими микроударами и локаль­ными повышениями температуры, становятся причиной разрушения элементов гидроагрегатов. Такие разрушения носят форму эрозионных раковин, рыхлостей поверхностей трубопроводов и других устройств гидравлических систем. Кавитация, механизм ее действия и в настоя­щее время детально изучаются.

Теплоемкость и теплопроводность жидкостей. Рабочие жидкости, как и другие физические тела, характеризуются удельной теплоемко­стью и теплопроводностью, которые определяют интенсивность про­цесса поглощения и отвода от них избыточного тепла.

В практике расчетов гидравлических объемных систем наиболее часто используют удельную теплоемкость с, с помощью которой опре­деляют количество теплоты, затрачиваемой на нагревание на 1 °С одного килограмма жидкости. Для рабочих жидкостей, применяемых в гидросистемах станков

Под теплопроводностью понимают процесс переноса энергии теп­лового движения частиц от более нагретых частей тела (жидкости) к менее нагретым, вследствие чего температура всей массы тела вырав­нивается. Скорость передачи тепла

внутри тела характеризуется ко­эффициентом теплопроводности X. В практике станкостроения максимальные температуры нагрева рабочих жидкостей допускаются не выше 70 °С.

Рекомендации по выбору рабочих жидкостей для объемных гидро­приводов. Жидкость в объемных гидроприводах выполняет функ­цию не только энергоносителя. Она должна также: эффективно сма­зывать трущиеся поверхности, защищать детали гидравлических агре­гатов от коррозии (и, тем более, не оказывать разрушающего воздей­ствия на них), быть нетоксичной, пожаро- и взрывобезопасной, де­шевой.

3. ВЫБОР ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ САУ

1. Двигатель

На автомобилях КамАЗ установлен четы­рехтактный восьмицилиндровый V-образный дизельный двигатель, отличаю­щийся высокой надежностью и повышенным ресурсом благодаря применению: поршней, отлитых из высококремнистого алюминиевого сплава с чугунной упрочняю­щей вставкой под верхнее компрессионное кольцо и коллоидно-графитным приработочным покрытием юбки; поршневых колец с хромовым и молибде­новым покрытием боковых поверхностей; азотированного или упрочненного индук­ционной закалкой коленчатого вала; трехслойных тонкостенных сталебронзовых вкладышей коренных и шатунных подшип­ников; закрытой системы охлаждения, заполняе­мой низкозамерзающей охлаждающей жид­костью, с автоматическим регулированием температурного режима, гидромуфтой приво­да вентилятора и термостатами;высокоэффективной фильтрации масла, топлива и воздуха бумажными фильтрующими элементами; гильз цилиндров, объемнозакаленных и обработанных плосковершинным хонингованием;

Рисунок 7 Продольный разрез двигателя КамАЗ-740

1- генератор; 2- топлвный насос низкого давления; 3- ручной топливоподкачивающий насос; 4- топливный насос высокого давления; 5- автоматическая муфта опережения впрыска топлива; 6- ведущая полумуфта привода топливного насоса высо­кого давле­ния; 7- соединительный патрубок впускных воздухопроводов; 8-фильтр тонкой очистки топлива; 9-датчик тахометра; 10-маховик; 11

3.2Система питания топливом.

Обеспечивает очистку топлива и равномерное распределе­ние его по цилиндрам двигателя строго до­зированными порциями. На двигателях КамАЗ применена система питания топливом раз­деленного типа, состоящая из топливного насоса высокого давления, форсунок, филь­тров грубой и тонкой очистки, топливоподкачивающего насоса низкого давления, топ­ливопроводов низкого и высокого давлений, топливных баков, электромагнитного клапана и факельных свечей электрофакельного пускового устройства.

Ниже приводится характеристика топлив­ной аппаратуры.

Топливный насос высокого давления

Порядок работы секций . 8—4—5—7—3—6—2- 1

Направление вращения ку­лачкового вала (со стороныпривода) ...... правое

Диаметр плунжера, мм . . 9

Ход плунжера, мм ... 10

Цикловая подача при (1300+10) об/мин кулач­кового вала, мм3/цикл . 78,5—80.0

Частота вращения кулачко­вого вала насоса при упоре рычага управления регуля­тором в болт ограничения максимального скоростного режима, об/мин:

при полном выключении регулятором подачи топ­лива через форсунки . 1480—1555

в начале выключения . . 1335—1355

Угол начала подачи топли­ва восьмой секцией насоса до оси симметрии кулачка, град........42—43

Чередование начала подачи топлива по углу поворота кулачкового вала . . . 0—45—90—135—180— 270—315°

Максимальное усилие на рычаге управления регуля­тором при номинальном ре­жиме работы насоса на пле­че 50 мм, кгс .... 13

Топливоподкачивающий насос низкого давления

Диаметр поршня, мм . . 22

Ход поршня, мм .... 8

Номинальная производи­тельность*, л/мин, не менее 2,5

Давление, создаваемое топ-лиьюлодкачивающим насо­сом при закрытом нагнета­тельном трубопроводе к фильтру тонкой очистки и при частоте вращения ку­лачкового вала 1290— 1310 об/мин, кгс/ом2, не менее........4

Форсунка

Число распыливающих отверстий......4

Диаметр распыливающих отверстий, мм.....0,300—0,308

Давление начала подъема иглы, кгс/см2

при эксплуатации . . 180—185

первоначальное при за­водском регулировании . 195—202

Система питания работает следующим об­разом. Топливо из бака 15 (рис. 15) через фильтр 18 грубой очистки засасывается топли-воподкачивающим насосом и через фильтр тонкой очистки по топливопроводам 16, 21, 4, 12 низкого давления подается к топ­ливному насосу высокого давления; соглас­но порядку работы цилиндров двигателя на­сос распределяет топливо по трубопроводам / высокого давления к форсункам 20. Фор­сунки распыляют и впрыскивают топливо в камеры сгорания. Избыточное топливо, а вмес­те с ним и попавший в систему воздух через перепускной клапан топливного насоса высо­кого давления и клапан-жиклер фильтра тон­кой очистки по дренажным топливопрово­дам 10, 13 отводится в топливный бак. Топ­ливо, просочившееся через зазор между корпусом распылителя и иглой, сливается в бак через сливные топливопроводы 8, 14, 19.

Фильтр грубой очистки (отстойник) пред­варительно очищает топливо, поступающее в топливоподкачивающий насос низкого давле­ния. Он установлен на всасывающей маги­страли системы питания с левой стороны автомобиля на раме.

Стакан 2 (рис 16) фильтра соединен с кор­пусом 10 четырьмя болтами 7 и уплотнен кольцом 9. Снизу в бобышку колпака ввер­нута сливная пробка /. Топливо, поступающее из топливного бака через подводящий шту­цер, стекает в стакан. Крупные частицы и вода собираются в нижней части стакана. Из верхней части через фильтрующую сетку 4 по отводящему штуцеру и топливопрово­дам топливо подается к топливоподкачиваю-щему насосу.

Фильтр тонкой очистки, окончательно очи­щающий топливо перед поступлением в топ­ливный насос высокого давления, установлен в самой высокой точке системы питания для сбора и удаления в бак проникшего в систе­му питания воздуха вместе с частью топлива через клапан-жиклер, установленный в кор­пусом 10 четырьмя болтами 7 и уплотнен кольцом 9. Снизу в бобышку колпака ввер-сти А, равном 0,25—0,45 кгс/см2, а начало перепуска топлива из полости А в полость Б — при давлении в полости А, равном 2,0— 2,4 кгс/см2. Регулируется клапан подбором регулировочных шайб / внутри пробки кла­пана.

Топливный насос высокого давления (ТНВД) предназначен для подачи к форсункам двигателя в определенные моменты време­ни дозированных порций топлива под высо­ким давлением.

В корпусе / (рис. 18) установлены восемь секций. Каждая состоит из корпуса 17, втулки 16 плунжера, плунжера //, поворот­ной втулки 10, нагнетательного клапана 19, прижатого через уплотнительную прокладку 18 к втулке плунжера штуцером 20. Плунжер совершает возвратно-пост/пательное движе­ние под воздействием кулачка вала 48 и пружины 8. Толкатель от проворачивания в корпусе зафиксирован сухарем 6. Кулачко­вый вал вращается в роликоподшипниках 50, установленных в крышках и прикреплен­ных к корпусу насоса. Осевой зазор .кулач­кового вала регулируется прокладками 44. Величина зазора должна быть не более 0,1 мм.

Для увеличения подачи топлива плунжер поворачивают втулкой 10, соединенной через ось поводка с рейкой 15 насоса. Рейка перемещается в направляющих втулках 35. Выступающий ее конец закрыт пробкой 38. С противоположной стороны насоса находит­ся винт, регулирующий подачу топлива всеми секциями насоса. Этот винт закрыт пробкой и запломбирован.

Топливо к насосу подводится через спе­циальный штуцер, к которому болтом крепит­ся трубка низкого давления. Далее по кана­лам в корпусе оно поступает к впускным отверстиям втулок 16 плунжеров.

На переднем торце корпуса, на выходе топлива из насоса установлен перепускной клапан 36, открытие которого происходит при давлении 0,6—0,8 кгс/см2. Давление от­крытия клапана регулируется подбором регу­лировочных шайб внутри пробки клапана.

Смазка насоса — циркуляционная, пуль­сирующая, под давлением от общей системы смазки двигателя.

Предложенная схема содержит: электрогидравлический исполнительный привод, который включает в себя двухкаскадный усилитель типа сопло-заслонка. Заслонка приводится в движение с помощью электромеханического преобразователя, на который подается электрический сигнал из блока управления через цифро-аналоговые преобразователи.

Двухкаскадный усилитель приводит в движение гидропоршень, шток которого связан с рейками ТНВД и с возвратной пружиной.

Обратную связь обеспечивают датчики: положения рейки ТНВД и датчик частоты вращения коленчатого вала. Питание усилителя обеспечивает шестеренчатым насосом, который запитывается от насоса низкого давления ТНВД. Рабочей жидкостью будет являться дизельное топливо.

В системах автоматического управления электрогидравличе­ские сервомеханизмы получили широкое распространение при управлении положением или скоростью перемещения различных объектов. На вход сервомеханизма системы управления положе­нием подается сигнал, соответствующий необходимому располо­жению объекта или его регулирующего органа. Входной сигнал сравнивается с сигналом обратной связи, величина которого пропорциональна положению выходного органа сервомеханизма (например, штока исполнительного механизма). Разность между этими двумя сигналами — сигнал ошибки между требуемым и действительным положениями — усиливается электрическими и гидравлическими (или только гидравлическими) усилителями до такой величины, мощность которой достаточна для управления исполнительным механизмом. Последний устанавливает объект или его регулирующий орган в заданное положение. В системах

управления скоростью перемещения входной сигнал сервомеха­низма соответствует заданной скорости движения объекта и сравнивается с сигналом обратной связи, пропорциональным действительному значению скорости.