Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)

движется по профилю копира, считывая с него информацию, необходимую для управления движением фрезы. Однако движение ролика передается не фрезе, а поршню золотникового распределителя, который открывает доступ жидкости от насоса в ту или иную полости большого (силового) гидроцилиндра. При подаче жидкости под давлением в левую полость гидроцилиндра из правой полости она будет выходить, а весь стол вместе с роликом и фрезой будет двигаться влево. Одновременно со столом, несущим фрезу, начинает перемещаться цилиндр золотника. Таким образом, начинает действовать цепь обратной связи, связывающая ведущую и ведомые части устройства в единую следящую систему с обратной связью. Устройства и механизмы для реализации слежения и усиления получили название сервомеханизмов, от латинского корня “серво”, означающего в переводе “раб” или “рабский”.

В20-е годы гидравлический и пневматический приводы стали широко использоваться в металлорежущих станках.

Впервые гидравлический привод для управления самолетом начали применять в конце 30-х годов для уменьшения усилия летчика и улучшения маневренности в целом. В начале 50-х годов летательные аппараты перешли на автоматическое управление: созданы следящие гидроприводы с электрическим управлением.

Встроительных и дорожных машинах гидропривод применяется с 50-х годов.

Гидрофицированные горные машины стали интенсивно производиться после 1960 г.

Гидрофикация тракторных агрегатов во многом определилась успехом испытания в 1979 г. тракторов К-701 и Т-150 в Небраске (США), которые показали высокое тяговое усилие и экономичность. Сейчас практически на всех тракторах применяются гидроприводы в навесных системах для подъема и опускания орудий.

В1958 г. на ВДНХ был представлен макет биоэлектрического манипулятора. Силовая часть – насос с двигателем, клапаны и соленоиды были заимствованы из узлов для станков с программным управлением. Клапаны управляются биотоками, которые отводятся от предплечья оператора с помощью специального браслета. Слегка напрягая мышцы, оператор управляет потоками жидкости, которые приводят в движение искусственную кисть человеческой руки. Напомним, что кисть руки является универсальным механизмом, обладающим 27 степенями свободы.

Очевидно, следующим шагом может стать гидравлический или пневматический привод с системой управления, понимающей человеческую мысль.

Создание гидродинамических передач связано с именем немецкого инженера Г.Фетингера (H. Föttinger), который в 1902 г. поместил в один корпус два подвижных лопастных колеса (насосное и турбинное) и неподвижный направляющий аппарат, которые находились в непосредственной

11

близости друг от друга. Поток жидкости из одного колеса в другое поступает без трубопроводов, образуя круг циркуляции. При расположении направляющего аппарата на выходе из насоса за счет соответствующего профилирования можно изменять не только величину момента, передаваемого гидротрансформатором, но и направление вращения. В 1910 г. Феттингер исключил из схемы направляющий аппарат, предложив гидромуфту, которая имеет коэффициент полезного действия до 98%. Как правило, гидромуфта применяется в сочетании с зубчатым редуктором.

К основным достоинствам гидродинамических передач следует отнести возможность передачи больших мощностей при сравнительно малых габаритах и отсутствие жестких связей, что обеспечивает гибкость в передаче энергии. Удельная масса гидродинамической передачи составляет от 10 до 20% от массы электромеханических систем.

Преимущества гидродинамических передач способствовали их широкому применению в различных областях техники.

В1928 г. фирмой “Лисхольм & Смит” в Швеции был создан первый гидротрансформатор для автобуса. С 1947 г. гидротрансформаторы в сочетании с механическими передачами стали устанавливать на серийных легковых автомобилях.

ВСССР первая гидромуфта была создана в 1929 г. профессором А.П.Кудрявцевым для судовых силовых установок, первый гидротрансформатор – в начале 30-х годов в МВТУ им. Н.Э.Баумана.

Впоследние годы все большее распространение получают пневматические и электропневматические системы. Так, по сведениям фирмы ФЕСТО, более 60% инвестиций для автоматизации в промышленно развитых странах приходится на электропневматические системы, управляемые контроллерами.

12

Такие гидросистемы, как правило, относятся к классу замкнутых гидросистем. Метод их аналитического расчета базируется на уравнении

где ∑h – суммарная величина потерь напора в трубопроводе.

При решении задачи графоаналитическим методом следует искать рабочую точку как точку пересечения характеристики насоса с суммарной характеристикой потерь в трубопроводе.

В литературе встречается термин гидропередача, под которым, как правило, понимается силовая часть гидропривода, включающая насос, гидродвигатель и соединительные трубопроводы с рабочей жидкостью.

Гидроприводы в зависимости от типа используемых в них гидрома-

шин делятся на объемные гидроприводы и гидродинамические передачи.

1.2. Рабочие жидкости

Рабочая жидкость, использующаяся в гидроприводе, прежде всего является энергоносителем, или рабочим телом (рабочей средой), т.е. обеспечивает передачу механической энергии от насоса к гидродвигателю.

Рабочая жидкость выполняет и другие важные функции:

•обеспечивает смазку трущихся поверхностей деталей гидравлических устройств и уплотнений, в результате чего уменьшается сила трения и интенсивность износа;

•отводит тепло от нагретых элементов гидромашин и других устройств;

•уносит продукты износа и другие частицы загрязнения;

•защищает детали гидравлических устройств от коррозии. Перечисленные функции рабочей жидкости играют важную роль в

обеспечении работоспособности гидропривода, его надежности и увеличивают срок службы гидравлических устройств. Поэтому одной из задач, решаемых при проектировании гидропривода, является поддержание постоянства свойств рабочих жидкостей, определяющих выполнение этих функций.

Условия эксплуатации рабочей жидкости в гидроприводах могут быть очень сложными. Состояние рабочей жидкости определяет диапазон возможных рабочих температур, наличие примесей, большие скорости движения, высокие давления и т.д. Например, температура рабочей жидкости в некоторых гидроприводах может колебаться от –60 до +90 °С и более, скорости потока жидкости при дросселировании достигают 50 м/с, а давление 32 МПа и более.

Рабочие жидкости, применяемые в гидроприводах, подразделяют на четыре типа: нефтяные, синтетические, водополимерные и эмульсионные.

Нефтяные жидкости получают из нефти обычными методами переработки. Они имеют сравнительно низкую верхнюю границу температурного диапазона. В гидроприводах применяют (ГОСТ 26191-84) следую-

14

щие нефтяные рабочие жидкости: масло гидравлическое единое МГЕ-10А; авиационное гидравлическое масло АМГ-10; всесезонное гидравлическое масло ВМГЗ (зимнего сорта) и др. [3, 4, 18].

Синтетические жидкости – жидкости, основу которых составляют продукты, полученные в результате химических реакций (диэфиры, силоксаны, фосфаты и др.). Как правило, они негорючие, стойкие к окислению, имеют низкую температуру застывания, обладают стабильностью вязкостных характеристик в течение длительного срока работы и в широком диапазоне температур. Однако каждая из синтетических жидкостей обладает тем или иным недостатком (несовместимостью с резиновыми уплотнителями, высокой текучестью, плохой смазывающей способностью, токсичностью и т. д.).

Водополимерные растворы – рабочие жидкости, представляющие собой водный раствор различных полимеров (содержат до 35% воды). Так, например, жидкость ПГВ (ГОСТ 25821-83) – водный раствор глицерина и полиэтилен гликоля с различными присадками (массовая доля воды около 32%). Жидкость ПГВ относится к негорючим жидкостям. Она нетоксична, инертна к некоторым конструкционным материалам (в том числе к резиновым уплотнителям).

Эмульсионные рабочие жидкости делятся на водомасляные и масло-

водяные.

Водомасляные эмульсии – эмульсии типа «масло в воде» представляют собой смеси воды и нефтяных жидкостей (не более 20%). Их применяют в гидроприводах, работающих в пожароопасных условиях, и при необходимости использовать большое количество рабочей жидкости (например, в гидроприводах шахтных крепей и т. п.). Недостаток водомасляной эмульсии – плохая смазывающая способность, малый диапазон рабочих температур (от +5 до +55 °С).

Масловодяные эмульсии – эмульсии типа «вода в масле» представляют собой смеси нефтяной жидкости и воды (не более 40%).

Рабочие жидкости, применяемые в гидроприводах, характеризуют большое количество эксплуатационных свойств и показателей [3, 4, 18]. Эти свойства рабочих жидкостей неравноценны, поэтому при выборе обращают внимание на наиболее важные из них. К ним относятся вязкость, температура вспышки, температура застывания и окисляемость.

Как известно, вязкость рабочей жидкости зависит от температуры. При использовании рабочей жидкости с малой вязкостью увеличиваются внешние и внутренние утечки в гидромашинах и других гидравлических устройствах, ухудшается смазка. С другой стороны, чем больше вязкость у выбранной жидкости, тем больше потери давления на ее движение в трубопроводах.

Температурой вспышки жидкости называется минимальная температура, при которой происходит кратковременное воспламенение паров жидкости в условиях испытания (в открытом тигле). Температура вспыш-

15

ки является показателем, характеризующим пожаро- и взрывоопасность смеси паров жидкости с воздухом. Маловязкие жидкости обычно имеют более низкую температуру вспышки из-за содержания легколетучих продуктов распада, которые в открытом тигле рассеиваются раньше, чем их окажется достаточно для вспышки. Максимальная температура нагрева нефтяной рабочей жидкости при работе гидропривода должна быть на 10

... 15 °С ниже температуры вспышки в открытом тигле.

Температурой застывания называется температура, при которой рабочая жидкость теряет подвижность в условиях испытаний. Температуру застывания определяют по ГОСТ 20287-74. Для нефтяной рабочей жидкости она должна быть на 10 ... 17 °С ниже наименьшей температуры гидропривода при его работе.

Окисляемость рабочей жидкости характеризуется кислотным числом, под которым понимается количество гидрата оксида калия (КОН) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации 1 г жидкости (например, кислотное число КОН жидкости АМГ-10 должно быть не более 0,05 мг).

1.3. Гидролинии и элементы их соединения

Гидролиниями называются устройства, предназначенные для объединения отдельных элементов объемного гидропривода в единую гидросистему. По ним происходит движение рабочей жидкости от одного гидроаппарата к другому в процессе работы объемного гидропривода.

В гидроприводе различают следующие типы гидролиний:

•всасывающая – это гидролиния, по которой рабочая жидкость движется к насосу;

•напорная – это гидролиния, по которой рабочая жидкость движется от насоса или гидроаккумулятора к гидродвигателю;

•сливная – это гидролиния, по которой рабочая жидкость сливается в гидробак;

•управления – это гидролиния, по которой рабочая жидкость движется к устройствам управления и регулирования;

•дренажная – это гидролиния, предназначенная для отвода утечек

рабочей жидкости от гидроагрегатов в гидробак.

Гидролинии выполняются либо в виде трубопровода, соединяющего агрегаты и устройства гидропривода, либо в виде каналов, полученных сверлением, литьем или штамповкой в корпусе агрегата (устройства).

Под расчетом гидролиний на этапе проектирования гидропривода понимается определение конструктивных размеров проходных сечений трубопроводов или каналов; расчет потерь давления в гидролинии, а также расчет труб или каналов на прочность.

Для труб и каналов круглого проходного сечения диаметр сечения определяется экономически приемлемыми и технологически допустимыми скоростями Vд рабочей жидкости.

16

На основании опыта проектирования гидросистем рекомендуется выдерживать среднюю скорость движения рабочей жидкости Vд в гидролинии не выше следующих значений:

•для напорной гидролинии – 6 м/с;

•для всасывающей гидролинии – 1,5 м/с;

•для сливной гидролинии – 2 м/с;

•для гидролиний управления – 5 м/с.

Расчетное значение внутреннего диаметра трубы dp или канала определяется по формуле

где Q – заданная величина расхода рабочей жидкости через трубу или канал.

Полученный в результате расчета диаметр dp используется при окончательном выборе внутреннего диаметра трубы d из стандартного ряда в соответствии с ГОСТ 8734-75 на выпускаемые промышленностью трубы (шланги). При этом должно выполняться условие: d ≥ dp (d – ближайший больший стандартный диаметр).

Потери давления в гидролиниях на трение по длине и в местных гид-

равлических сопротивлениях определяются по формулам, приведенным в

главе 15 первой части учебника.

Расчет труб на прочность сводится к определению толщины δ их сте-

нок.

Для тонкостенных труб толщина стенки определяется по формуле:

σд = 200…250 МПа. При искажении цилиндрической формы трубы σд должно быть снижено на 25%. Коэффициент запаса прочности при расчете обычно выбирают равным 3.

Если расчетная толщина стенки δ получилась малой, то, учитывая возможность внешних механических повреждений, ее не следует выбирать менее 0,8…1 мм для цветных металлов и 0,5 мм для сталей. Величина δ для труб, как и внутренний диаметр, выбирается в соответствии с ГОСТ

8734-75.

По конструкции трубопроводы, из которых монтируют гидролинии в гидроприводах, можно разделить на жесткие и гибкие.

К жестким трубопроводам относятся стальные бесшовные холоднотянутые трубы или трубы из цветных металлов (меди или алюминия).

17

Соединение трубопроводов, а также их присоединение к гидроагрегатам должно быть надежным, а именно: прочным и герметичным.

Соединение жестких трубопроводов производится с помощью специальных деталей, называемых соединительной арматурой. В гидроприводах применяют следующие типы соединений (рис. 1.1):

Рис. 1.1. Соединения жестких трубопроводов:

а) пайка (сварка); б) соединение с развальцовкой; в) соединение по внутреннему конусу; г) соединение с врезающимися кольцами; д) фланцевое соединение.

а) Пайка (сварка) в машиностроении применяется редко, только для трубопроводов, не подлежащих демонтажу. При пайке (сварке) труб – 1 пользуются переходными втулками – 2, как это показано на рис. 1.1,а.

б) Соединение с развальцовкой (рис. 1.1,б) применяется для труб диаметром до 30…35 мм, изготовленных из цветных металлов или ковкой стали, допускающих развальцовку в холодном состоянии. Соединение с развальцовкой отличается простотой, но может применяться при давлении не более 30 МПа и имеет ограниченное число повторного монтажа вследствие затвердения материала и порчи развальцованной части трубы. Трубы – 1 соединяются проходником – 3 с помощью ниппеля – 2 и двух накидных гаек – 4.

18

в) Соединение по внутреннему конусу (рис. 1.1,в) используется для со-

единения труб – 1 гидросистем с рабочим давлением до 40 МПа при необходимости частого демонтажа гидролиний. Герметичность этого соединения обеспечивается контактом шарового ниппеля – 3 с конической поверхностью штуцера – 2 с помощью накидной гайки – 4. Этот тип соединений наиболее широко применяется в гидросистемах тракторов, дорожных и строительных машин. Типы и размеры арматуры для соединения по внутреннему конусу указаны в ГОСТ 16039-70, 16078-70.

г) Соединение с врезающимся кольцом (рис. 1.1, г) используется для соединения труб – 3 гидросистем, работающих при высоких давлениях. Это простое по конструкции соединение обеспечивает надежную герметизацию при давлении до 40 МПа за счет врезания кольца – 2 из твердой цементируемой стали в более мягкий материал трубы 3. При этом накидная гайка – 4 навинчивается на штуцер – 1. Типы и размеры арматуры для соединений с врезающимся кольцом указаны в ГОСТ 15763-75, 23358-78.

д) Фланцевое соединение трубопроводов (рис. 1.1, д) применяется для стальных труб диаметром свыше 40 мм, причем для низких давлений фланец – 2 соединяется с трубой – 1 с помощью резьбы, а для высоких – сваркой. В некоторых системах высокого давления используют трубы, откованные вместе с фланцем. Уплотнение фланцев обычно достигается при помощи мягких металлических прокладок – 3 (медных или алюминиевых) или резиновых колец. Типы фланцев и арматуры соединительных частей трубопроводов для подобного соединения указаны в ГОСТ 12815-80.

Гибкие трубопроводы применяют для соединения элементов гидропривода, расположенных на подвижных частях машин. При этом возможно относительное перемещение элементов гидропривода относительно друг друга. В качестве гибкого трубопровода, в основном, применяют резинотканевые шланги, называемые рукавами высокого давления (РВД). Рукав имеет внутренний резиновый слой, затем хлопчатобумажный слой, металлическую оплетку и внешний толстый резиновый слой, предохраняющий рукав от повреждения.

В зависимости от количества металлических оплеток рукава высокого давления делятся на три типа:

•I тип – с одной оплеткой, рассчитан на давление до 20 МПа;

•II тип – с двойной оплеткой (давление до 30 МПа);

•III тип – с тройной оплеткой, применяется для высоких давлений

при внутреннем диаметре до 40 мм.

Основные размеры РВД регламентированы ГОСТ 6286-73.

В машиностроении рукава высокого давления используются при давлении до 16 МПа и температуре до 100 °С. При давлении до 4 МПа обычно применяют рукава с двойной хлопчатобумажной оплеткой. Нормальная работа рукавов гарантируется в течение 6 месяцев.

Соединение гибких, как и жестких трубопроводов, производится с помощью присоединительной арматуры.

19

Способы заделки гибких трубопроводов в арматуре, широко применяемые в машиностроении, приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Заделки гибких трубопроводов:

а) заделка рукавов высокого давления (до 16 МПа); б) при рабочих давлениях до 0,5 МПа

На рис. 1.2, а представлен способ зажима шланга с помощью закатки в профильный наконечник. Данный способ применяется при давлении до 16 МПа, обеспечивает надежную герметизацию и допускает большие осевые нагрузки.

На рис. 1.2, б показан способ заделки шланга при рабочих давлениях до 0,5 МПа. В некоторых случаях для увеличения прочности соединения в осевом направлении шланг снаружи зажимают хомутом.

К монтажу трубопроводов предъявляются следующие основные требования:

1) не допускаются вмятины на трубах и искажение их цилиндрично-

сти;

2)радиус изгиба жестких трубопроводов R ≥ (4—2)dт (dт – наружный диаметр трубы);

3)радиус изгиба рукавов зависит от типа рукава и в среднем прини-

мается R ≥ (12…18)d (d – внутренний диаметр рукава);

4) для уменьшения возможности резонансных колебаний крепления труб к основанию машины (станине) должны быть расположены друг от друга на расстоянии l ≤ (40…60) dт.

Быстроразъемное соединение гибких трубопроводов приведено на рис. 1.3. Оно состоит из двух гидроразъемов: штырькового – 5 и гнездового 1; в них установлены шарики – 2, 6 и цилиндрические пружины – 7, 10,

20