Материал: Гидравлика. учебное пособие. Кирпичев И.Ю

13. Гидроприводы и гидропередачи

13.1. Назначение, достоинства и недостатки гидропривода

В современных условиях, когда осуществляется автоматизация различных операций и процессов, для передачи энергии рабочим органам машин и механизмов применяются различные приводы: механические, электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные.

Гидроприводом называется установка, которая служит для передачи энергии и преобразования движения при помощи жидкости. Последнее время гидропривод получил предпочтение перед другими приводами, применяемыми в различных областях машиностроения.

Гидропривод имеет следующие преимущества:

1. при малых габаритах и весе передаточного механизма можно получить большие силы и мощности;

2. он практически не боится перегрузок и автоматически предохраняет машины от их вредного влияния;

3. возможно бесступенчатое регулирование скоростей в широком диапазоне;

4. возможно получение различных видов движения;

5. сложные кинематические схемы (например, механических приводов) заменены простыми стандартными узлами;

6. элементы гидропривода являются самосмазывающимися узлами;

7. гидропривод позволяет осуществлять частые и быстрые переключения при различных видах движения.

У гидроприводов, однако, имеются и недостатки:

1. некоторое количество энергии затрачивается на преодоление сопротивлений, что приводит к снижению общего КПД привода;

2. нормальный режим работы некоторых элементов может быть нарушен из-за утечек и попадания воздуха в рабочую жидкость;

3. в процессе быстрых переключений могут возникать гидроудары, расшатывающие соединения и уплотнения;

4. необходимость тщательной обработки некоторых частей гидропривода (закалка, шлифовка и т.д.) удорожает его производство.

Но эти недостатки в работе гидроприводов при надлежащем их конструировании и тщательном изготовлении узлов и соединений гидросистемы могут быть значительно уменьшены.

13.2. Устройство и принцип действия гидропривода

Гидропривод включает насос, гидродвигатель, трубопроводы, систему управления и вспомогательные устройства.

Насос, приводимый в работу электродвигателем, служит для преобразования механической энергии двигателя в энергию движущейся жидкости.

Гидродвигатель (гидромотор) преобразует энергию жидкости, поступающей из насоса, в механическую энергию, т.е. выполняет обратное преобразование энергии.

Трубопроводы служат для подвода рабочей жидкости от насоса к гидродвигателю и ее отвода. Они должны быть возможно короче, чтобы расходовать меньше энергии на преодоление сопротивлений.

В систему управления гидропривода входят: регулятор скорости, устройство для обеспечения реверсивного движения, реле давления и времени, золотники, краны.

К вспомогательным устройствам относятся клапаны, резервуары, фильтры, аккумуляторы.

Силовая часть гидропривода (насос и гидродвигатель) называется гидропередачей. Гидропередачи по принципу действия делятся на объемные и гидродинамические. В зависимости о вида движения ведомого звена, осуществляемого гидродвигателем, гидропередачи делятся на два основных типа: возвратно-поступательного и вращательного движений.

В гидропередачах возвратно-поступательного движения, являющихся передачами объемного типа, в качестве гидродвигателей используются силовые цилиндры. В них под действием давления рабочей жидкости поршень совершает возвратно-поступательное движение и приводит в то же движение ведомый орган.

Гидропередачи вращательного движения могут быть объемными и гидродинамическими.

Объемные гидропередачи представляют собой соединение насоса и гидродвигателя роторного типа (шестеренчатые, шиберные и др.). Вал такой передачи связан с вращаемым органом машины.

Гидродинамические гидропередачи представляют собой сочетание центробежного насоса и гидротурбины. Рабочие колеса их сближены и размещены в общем корпусе соосно.

Рассмотрим схему и принцип действия гидропривода с объемной гидропередачей.

1. Объемная гидропередача с возвратно-поступательным движением изображена на рис. 13.1. Электродвигатель приводит в действие насос 1, который подает жидкость по трубопроводу 2 в механизм управления 3 (распределитель) и отсюда по трубопроводу 4 в левую часть силового цилиндра 5, являющегося гидродвигателем. Поршень 6 гидродвигателя под действием давления жидкости перемещается вправо и при помощи штока приводит в действие ведомый орган станка 8.

Рис. 13.1. Объемная гидропередача

с возвратно-поступательным движением

При движении поршня вправо из правой части цилиндра жидкость по трубопроводам 9 и 10 сливается в бак. Такой процесс будет происходить до тех пор, пока поршень не займет крайнего правого положения. После остановки поршня в крайнем правом положении при помощи распределителя 3 жидкость начнет поступать по трубопроводам 2 и 9 в правую часть гидродвигателя, а из левой части жидкость будет сливаться в бак по трубопроводам 4 и 10. Поршень 6 и ведомый орган станка 8 будут перемещаться влево. Следовательно, поршень, а вместе с ним ведомое вено, совершают реверсивное движение.

На напорном трубопроводе обычно устанавливается предохранительный клапан 11 для того, чтобы обезопасить систему в случае чрезмерного давления при отказе автоматического регулирования насоса. Фильтр 12 предназначается для улавливания твердых частиц, находящихся в жидкости.

2. Объемные гидропередачи (приводы) вращательного движения включают в себя насос, гидромотор, бачок с жидкостью, которые соединены трубопроводами (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Объемная гидропередача

с вращательным движением

Здесь вращательное движение ротора насоса 1 преобразуется во вращательное движение ротора гидродвигателя 2. Жидкость, прошедшая через насос, гидродвигатель и различные устройства сливается в бачок. Включенный в систему, он необходим для компенсации внешних утечек жидкости и температурных изменений ее объема, а также для уменьшения нагревания жидкости в процессе работы. Кроме того, если бачок закрыт, то повышенное в нем давление воздуха создает необходимые условия во всасывающем трубопроводе насоса, исключающие возможность кавитации. Описанная система гидропривода называется открытой.

Рис. 13.3. Гидропривод с замкнутой системой

Возможно устройство гидропривода с замкнутой (закрытой) системой (рис. 13.3), т.е. без включения бачка в систему. Однако, в этом случае ухудшаются условия охлаждения жидкости, затрудняется фильтрация, осложняется компенсация утечек. Для восполнения объемных потерь обычно устанавливается дополнительный бачок, из которого жидкость поступает в систему через односторонний клапан.

Как правило, ввиду простоты конструкции и хорошего охлаждения жидкости чаще применяют гидроприводы с открытой системой циркуляции.

13.3. Принцип расчета объемного гидропривода

Расчет гидропривода с гидропередачей объемного типа производится аналогично расчету замкнутого трубопровода, причем гидромотор принимается за отдельное местное сопротивление с перепадом давления, равным разности давлений по обе стороны поршня (для возвратно-поступательной гидропередачи) или разности давлений на входе и выходе гидромотора (для вращательной гидропередачи).

Рис. 13.4. Гидропередача

с возвратно-поступательным движением

Целью расчета является определение потребного напора, который должен быть создан насосом, и подачи Q, т.е. получение характеристики системы.

Рассмотрим расчет гидропередачи возвратно-поступательного движения (рис. 13.4). Падение давления в силовом цилиндре:

∆P_ц = P₁ - P₂ .

Его можно определить из уравнения равновесия сил, если предположить, что поршень двигается равномерно, и если учесть силы, которые приложены к штоку. Тогда:

,

где Р – сила, действующая на шток;

P₁ и P₂ – давление перед поршнем и за ним;

D и d – диаметры поршня и штока.

Из уравнения равновесия определим P₁ - P₂ , приняв d<<D:

. (*)

Величина P₂ примерно равна суммарной потере давления в сливной линии. Потребное давление всей системы можно определить путем сложения перепада давления с суммарной потерей давления во всей системе:

. (**)

Потери напора в системе рассчитываются обычными известными методами, в зависимости от режима движения жидкости.

При определении гидравлических потерь следует учитывать, что расход в трубопроводе, подводящем жидкость в цилиндр, не равен расходу в трубопроводе, отводящем жидкость из цилиндра (ввиду того, что часть объема внутри цилиндра занимает шток).

Подсчитав потери напора, и, учитывая уравнение (*), можно определить по формуле (**) потребное давление (напор), которое должен развить насос для обеспечения соответствующего движения.

Рис. 13.5. Гидропередача вращательного движения

В гидропередаче вращательного движения насос и гидромотор имеют одинаковую конструкцию (рис. 13.5). Потребный напор рассчитывается следующим образом: давление, создаваемое насосом:

P₁ = P_1вых - P_1вх ,

давление, используемое гидромотором:

P₂ = P_2вх - P_2вых .

Разность P₁ - P₂ дает суммарные потери давления в системе, т.е.:

P₁ - P₂ = (P_1вых - P_2вх) + (P_2вых - P_1вх) .

Мощность, передаваемая объемным гидроприводом, зависит от подачи жидкости и давления, т.е.:

(кВт) .

При передаче одной и той же мощности с увеличением давления уменьшается подача. Уменьшение подачи снижает скорость движения жидкости, а следовательно, и потери напора. Таким образом, увеличение давления ведет к уменьшению потерь напора.

Для компактности гидропривода употребляют трубопроводы малого диаметра, что приводит к увеличению скорости движения жидкости. Но увеличение скорости согласно уравнению Бернулли, приводит к падению давления (особенно на входе в насос), которое может стать ниже давления насыщенных паров, что приведет к увеличению вакуума, к кипению жидкости и кавитации. В результате этого нарушится нормальная работа системы, это следует учитывать при проектировании.

13.4. Жидкости, применяемые в гидросистемах

Рабочие жидкости и масла, применяемые в различных машинах и гидросистемах, делятся на два вида:

1. смазочные масла конструкционные и технологические;

2. рабочие жидкости и масла.

Смазочные масла применяются для смазки машин с целью уменьшения трения, износа и нагрева смазываемых поверхностей, повышения КПД машин, увеличения их долговечности. До конца XIX века для смазывания широко применяли растительные масла и животные жиры; теперь они почти полностью заменены минеральными маслами и только изредка применяются как добавки к минеральным маслам. В последнее время для повышения эксплуатационных качеств масел широко применяются различные добавки, так называемые присадки, добавляемые в малых количествах.

В качестве рабочей жидкости минеральные масла различных марок применяются в гидроприводах станков и машин. Они в процессе работы подвергаются воздействию давления, скорости и температуры меняющихся в широких диапазонах. Поэтому для обеспечения нормальной работы гидросистем к жидкостям, применяемым в них, предъявляются следующие требования:

1. Жидкость должна обладать способностью образовывать прочную смазывающую пленку, т.е. должна иметь хорошие смазывающие свойства по отношению к применяемым материалам трущихся пар при различных условиях работы.

2. Жидкость не должна содержать посторонних примесей, засоряющих гидросистему, для чего ее перед заливкой тщательно фильтруют (допустимое содержание примесей до 0,007 %).

3. Жидкость должна быть химически стойкой, не вызывать коррозии, т.е. в ней не должно быть водорастворимых кислот и щелочей.

4. Вязкость масел должна меняться мало с изменением температуры. Кроме того, вязкость жидкости не должна быть слишком большой, т.к. при этом сильно возрастают потери энергии на преодоление сопротивления трения; Вязкость в тоже время не должна быть слишком малой, чтобы не возросли утечки. Обычно применяются масла с вязкостью от 12 до 15 ст, например: индустриальное 12, индустриальное (веретенное) 20, турбинное Л 22, индустриальное (машинное С) 45 и др. при температуре 50˚ С.

5. Масло должно быть с малым пенообразованием, т.к. наличие пены ведет к неравномерной работе гидросистемы.

6. Масло должно быть безопасным в пожарном отношении, т.е. температура вспышки рабочей жидкости должна быть не менее 165-180˚ С. Температура вспышки это минимальная температура, при которой от соприкосновения с пламенем или искрой воспламеняются пары масла, насыщающие находящиеся над ним воздух (испарение масел начинается при температуре на 60-85 ˚С ниже температуры вспышки). Температура самовоспламенения должна быть не менее 250-300˚ С.

7. Температура застывания, т.е. температура, при которой масло теряет текучесть, должна быть не выше +10…+30˚ С.

8. Жидкость не должна быть токсичной и должна обладать высокими теплоизолирующими и диэлектрическими свойствами.

Наиболее часто употребляются в гидросистемах масла индустриальное 20 и турбинное 22, приборное (МВП). В приводах сложных и точных систем используются кремнии-органические соединения (силиконы), вязкость которых почти не зависит от температуры. В простейших системах может быть использована даже вода.

Резюме: В рассмотренной теме даются общие сведения о гидроприводе и гидропередаче, их классификация, схемы устройства и действия, а также принципы гидравлического расчета.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое гидропривод? Его преимущества и недостатки.

2. Назовите основные и вспомогательные элементы гидропривода.

3. Классифицируйте гидропередачи по принципу действия.

4. Назовите особенности работы гидроприводов с закрытой системой.

5. Какие рабочие жидкости применяются в различных гидросистемах?

6. Перечислите требования, предъявляемые к рабочим жидкостям для гидросистем.

ГИДРАВЛИКА В ЗАДАЧАХ

Задача 1