Гидравлический привод

Гидравлический привод включает силовую установку (ДВС или электродвигатель), механические или иные передачи, гидропередачу, систему управления и вспомогательные устройства. Механическая передача служит для преобразования частоты вращения вала первичного двигателя в требуемую частоту вращения насоса - первого звена гидропередачи, а также для преобразования параметров движения после гидродвигателя (см. ниже) - последнего звена гидропередачи - соответственно требуемым параметрам движения рабочего органа или исполнительного механизма. Если номинальные частоты вращения насоса и первичного двигателя совпадают, равно как и скорости движения рабочего органа (исполнительного механизма) и гидравлического двигателя, то необходимость в механических передачах на указанных участках трансмиссии отпадает. Силовая часть гидравлического привода, преобразующая механическую энергию двигателя в энергию движения рабочей жидкости (минерального масла на нефтяной основе) и обратно, в движение исполнительных механизмов машины, называется гидропередачей. В зависимости от способа передачи энергии рабочей жидкости различают гидрообъемный (гидростатический) и гидродинамический приводы.

Пример гидрообъемного привода представлен на приводимом ранее рис. 2.51. Привод включает масляный бак 2 с фильтрами для очистки отработавшей жидкости от примесей, насос 3, гидрораспределитель 5, гидроцилиндры 8, предохранительный клапан 11 и систему гидролиний. Прямое и обратное движение поршней гидроцилиндров в этой системе обеспечивается за счет поступления под высоким давлением в их поршневые или штоковые полости определенного объема рабочей жидкости (отсюда название гидрообъемный) при небольших скоростях рабочих движений (отсюда название гидростатический привод). По такой же схеме выполнены гидравлические приводы с исполнительными органами вращательного действия (гидромоторами). Гидроцилиндры и гидромоторы обобщенно называют также гидродвигателями. В более сложных схемах гидропривода, кроме того, устанавливают также регулирующие аппараты (см. ниже). В процессе движения по гидролиниям и каналам направляющих и регулирующих аппаратов рабочая жидкость нагревается. Поэтому в гидравлических системах с большим числом включений для нормальной работы системы на сливной гидролинии устанавливают калориферы - устройства для охлаждения рабочей жидкости.

В гидрообъемных передачах происходит двойное преобразование энергии: первый раз механическая энергия первичного двигателя преобразуется насосом в энергию движения рабочей жидкости, второй раз последняя преобразуется гидродвигателем в механическую энергию движения рабочего органа или другого исполнительного механизма.

В гидравлических приводах строительных машин применяют шестеренные, пластинчатые, аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы. Шестеренный насос (рис. 2.53) состоит из двух зубчатых колес / и 2, заключенных в корпус 5, одна полость (А) которого соединена со всасывающей, а вторая (Б) - с напорной гидролиниями. При вращении зубчатых колес в направлении, показанном стрелками, рабочая жидкость переносится из полости А в полость Б впадинами между зубьями, в результате чего в полости А создается разрежение, а в полости Б - повышенное давление, вследствие чего рабочая жидкость подсасывается из масляного бака в полость А и выталкивается в напорную линию из полости Б.

Пластинчатый насос (рис. 2.54) состоит из вращающегося в цилиндрическом корпусе 2 ротора / с пластинами 3, установленными в его радиальных пазах. В торцовых стенках корпуса имеются окна А и Б, соединенные соответственно со всасывающей и напорной гидролиниями. При вращении ротора с пластинами в зоне окна А объем рабочей камеры, заключенной между двумя смежными пластинами и цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, увеличивается (становится больше объема заключенной в этой камере рабочей жидкости), вследствие чего рабочая жидкость подсасывается в камеру из масляного бака. При переходе рабочей камеры в зону окна Б ее объем уменьшается, чем создается давление, способствующее выталкиванию из нее рабочей жидкости в напорную гидролинию.

Основными элементами аксиально-поршневого насоса (рис. 2.55) являются вращающийся в подшипниках ведущий вал 1 и блок цилиндров 7. Цилиндры представляют собой продольные проточки во вращающемся корпусе с поршнями 3, расположенные вокруг центрального шипа 8. Шаровыми головками центральный шип и шатуны 2 цилиндров завальцо-ваны во фланец ведущего вала. При вращении последнего, а вместе с ним и блока цилиндров поршни совершают возвратно-поступательное движение относительно своих проточек. При прохождении цилиндром верхней части корпусного пространства его поршневая полость сообщается с верхним окном 5 диска 4, соединенным со всасывающей гидролинией. Вследствие увеличения объема поршневой полости в нее из масляного бака подсасывается рабочая жидкость. При прохождении цилиндром нижней части объем его рабочей камеры уменьшается, и рабочая жидкость выталкивается через нижнее окно б в напорную линию.

В радиально-поршневых насосах (рис. 2.56) при вращении вала 2 с эксцентриком поршни 1, опирающиеся на эксцентрик, совершают возвратно-поступательное движение в радиальном направлении. При этом рабочая жидкость через соответствующие отверстия в корпусе всасывается из бака, а затем выталкивается поршнем в напорный трубопровод.

Все описанные выше насосы обратимы, т. е. могут работать также в режиме гидромоторов: при подаче рабочей жидкости в полость высокого давления генерируется вращательное движение вала. Наиболее часто в приводах строительных машин применяют реверсивные аксиально-поршневые и радиально-поршневые гидромоторы. Для реверсирования гидромотора изменяют направление движения рабочей жидкости, поступающей в гидромотор от насоса (прежде входной канал обращается в выходной и наоборот).

Основными параметрами насосов и гидромоторов являются рабочий объем, номинальное Рис. 2.56. Радиально-поршневой насос давление рабочей жидкости, частота вращения,

подача (для насосов) или расход (для гидромоторов), мощность, вращающий момент (для гидромоторов), а также коэффициент полезного действия. Подача или расход есть количество подаваемой или перепускаемой рабочей жидкости за единицу времени. Рабочий объем определяется количеством рабочей жидкости, проходящей через насос (мотор), за один оборот его вала. Рабочий объем может быть постоянным и регулируемым. Все рассмотренные выше гидравлические машины имеют постоянный рабочий объем. Представителями машин с регулируемым рабочим объемом являются регулируемые аксиально-поршневые насосы, в которых качающий узел с блоком цилиндров может изменять свой наклон к оси ведущего вала. Рабочий объем в этом случае оказывается пропорциональным синусу угла этого наклона. Соответственно изменяется и подача QH (л/мин), которая связана с рабочим объемом qH (м3) зависимостью:

где пн - частота вращения вала насоса, об/мин; r|v - объемный КПД насоса, учитывающий утечки рабочей жидкости через неплотности между корпусом и подвижными частями.

За номинальное давление принимают наибольшее манометрическое давление, при котором насос (мотор) работает в течение установленного срока службы с сохранением параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Отечественные гидромашины рассчитаны в основном на номинальные давления 16, 20, 25 и 32 МПа при максимальных давлениях соответственно 20, 25, 32 и 35 МПа.

Теоретическую мощность (кВт) на валу насоса определяют по формуле:

где Дрн - перепад давления между входом и выходом из насоса, МПа; r|H - полный КПД насоса, учитывающий утечки, потери энергии на трение движущихся частей, а также потери напора.

Вращающий момент (кН-м) на валу гидромотора определяют как

где qm - рабочий объем гидромотора, м3; Дргм - перепад давления на входе гидромотора и его выходе; г|гм - полный КПД гидромотора.

Гидроцилиндр (рис. 2.57) состоит из корпуса (гильзы) 4 с тщательно обработанной внутренней поверхностью, поршня 7, уплотненного резиновыми манжетами 8, штока 1 и крышки 2 с манжетами 9 и грязесъемником 10. Гильза и шток имеют на своих концах проушины со сферическими подшипниками для соединения с приводимыми гидроцилиндром элементами машины. Подшипники обычно смазывают через пресс-масленки 6. Рабочая жидкость подводится к гидроцилиндру и отводится от него через штуцеры 3 и 5.

Кроме рассмотренного гидроцилиндра двустороннего действия (управляемое движение поршня со штоком в двух направлениях) в приводах строительных машин применяют также гидроцилиндры одностороннего действия, в которых поршень со штоком выдвигается из гильзы под действием подаваемой в поршневую полость рабочей жидкости, а возвратное движение осу- Рис. 2.57. Гидроцилиндр ществляется пружиной. Реже применяют гидроцилиндры с двусторонним штоком.

Усилие на штоке гидроцилиндра (кН) при работе поршневой полостью определяют по формуле:

где Dnd- диаметры поршня и штока соответственно, м; рп и рш - давление рабочей жидкости в поршневой и штоковой полостях соответственно, МПа; г\т - полный КПД гидроцилиндра.

При работе гидроцилиндра штоковой полостью пригодна та же формула, но с обратным знаком правой части.

Для пуска, остановки, изменения направления движения, регулирования скорости и усилий исполнительных механизмов машин с гидроприводом используют направляющие и регулирующие гидроаппараты. Направляющие гидроаппараты предназначены для изменения направления потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного закрытия рабочего проходного сечения. К ним относятся гидрораспределители, гидроклапаны (обратные, выдержки времени, последовательности, логические) и гидрозамки. Регулирующие гидроаппараты предназначены для изменения давления, расхода и направления потока рабочей жидкости путем частичного открытия рабочего проходного сечения. К ним относятся гидроклапаны давления (напорные, редукционные, разности и соотношения давления), соотношения расходов (делители и сумматоры потока) и дросселирующие гидрораспределители. Основными параметрами гидроаппаратов являются номинальный расход, номинальное давление и диаметр условного прохода.

Гидрораспределители служат для направления и переключения потоков рабочей жидкости, реверсирования движения и фиксирования гидродвигателей в определенном положении. Они автоматически переключают систему на холостой ход по окончании рабочего хода. Гидрораспределители обеспечивают управление несколькими исполнительными гидродвигателями. По конструктивному исполнению они подразделяются на секционные (с одним золотником в секции) и моноблочные (с несколькими золотниками в едином корпусе).

На рис. 2.58, а показан моноблочный гидрораспределитель, состоящий обычно из чугунного корпуса 2, нескольких плунжеров (золотников) 3, перемещаемых в осевом направлении вручную рукоятками / или другими способами (электрическим, гидравлическим, электрогидравлическим) и предохранительного клапана 4.

Принцип действия гидрораспределителя основан на соединении одной полости гидродвигателя с напорной линией насоса и одновременным соединением другой полости со сливной линией и гидробаком. По количеству возможных положений золотника различают двух-, трех- и четырехпозиционные гидрораспределители. На рис. 2.58, б показана схема трехпозиционного гидрораспределителя, золотник которого может быть установлен в одно из трех положений: для соба управления) (б) прямого и возвратного движения гидродвигателя, а также для его фиксации в определенном положении. На последней позиции поток жидкости направляется от насоса в ги-дробак, а обе рабочие полости гидродвигателя заперты.

На рис. 2.59 представлены конструктивные решения гидроклапанов шарикового (2.59, а), конического (2.59, б) и золотникового (2.59, в) типов. Основными элементами гидроклапана являются: седло 1, запирающий элемент 2 и пружина 3. Выбор запорного устройства зависит от назначения клапана, размера проходного сечения и давления.

Обратные клапаны обеспечивают движение рабочей жидкости только в одном направлении. Их применяют для защиты насосов от резкого повышения давления, вызываемого нагрузкой на рабочем органе, самопроизвольного движения рабочего органа под действием внешних нагрузок, для формирования направлений потоков рабочей жидкости в гидролиниях, а также в качестве подпиточных клапанов для заполнения гидросистемы рабочей жидкостью от сливной гидролинии или от специального насоса подпитки во избежание разрыва потока.

Гидрозамки (управляемые обратные клапаны) (рис. 2.60, а) предназначены для пропускания рабочей жидкости без управляющего воздействия в одном направлении, а с управляющим воздействием - в обоих направлениях. Гидрозамок состоит из обратного клапана 1 и поршня управления 3 со штоком 2. На рис. 2.60, б представлен фрагмент гидравлической схемы с гидрозамком. Гидро- а) замок б установлен на гидролинии 5-7 между поршневой полостью гидроцилиндра 4 и распределителем (на схеме не показан). Штоковая полость сообщается с гидрораспределителем непосредственно через трубопровод 9. При отсутствии подачи рабочей жидкости в штоко-вую полость движение жидкости по трубопроводам 5 и 7 возможно только в одном направлении - к гидроцилиндру. При подаче рабочей жидкости в штоковую полость она поступает по отводу 8 также под поршень управления гидрозамком и, через шток, открывает обратный клапан, вследствие чего становится возможным движение рабочей жидкости по трубопроводам 5 и 7 в обоих направлениях.

Предохранительные клапаны служат для предохранения гидропередачи от давления, превышающего установленное, путем перепуска рабочей жидкости из напорной линии в сливную. Различают первичные (предохраняющие от перегрузок насос) и вторичные (предохраняющие гидродвигатели) предохранительные клапаны. Первичные клапаны устанавливают на напорной гидролинии насоса, а вторичные - на рабочих отводах гидрораспределителя.

Редукционные клапаны используют для поддержания пониженного давления на отдельных участках системы путем частичного сброса рабочей жидкости в сливную линию.

Гидродроссели служат для регулирования расхода жидкости в гидролиниях. На рис. 2.61 показан регулируемый дроссель с обратным клапаном, предназначенный для ограничения потока рабочей жидкости в одном направлении (показано стрелками) и свободного пропуска потока в другом за счет срабатывания обратного клапана.

Работа гидропередачи обеспечивается также кондиционерами рабочей жидкости, включающими гидробаки с сапунами, устройства для очистки (фильтры и сепараторы), теплообменники.

Гидравлические (масляные) баки представляют собой емкости, служащие для хранения, отстоя и охлаждения рабочей жидкости, циркулирующей в гидросистеме. Они сообщаются с атмосферой через сапуны, представляющие собой воздушные фильтры. Рабочая жидкость поступает в бак по сливному трубопроводу через блок фильтров. Количество рабочей жидкости контролируют указателем уровня. Обычно вместимость масляного бака составляет 2 - 3 - минутную подачу насоса.

Для очистки рабочей жидкости от загрязняющих примесей применяют фильтры со щелевыми и пористыми фильтрующими элементами (металлическими сетчатыми, тканевыми, бумажными, керамическими, а также с набивными бумажными или текстильными фильтрующими материалами). Тонкость фильтрации составляет 5 ... 40 мкм. Для улавливания ферромагнитных частиц пористые фильтры комбинируют с магнитными очистителями.

Теплообменники предназначены для охлаждения рабочей жидкости и стабилизации температуры в гидросистемах машин на оптимальном уровне. Теплообменники устанавливают на сливных линиях после гидродвигателей или на линиях отвода утечек из гидросистемы.

Взаимосвязь между элементами гидропередачи, через которую проходит поток рабочей жидкости, осуществляют гидролинии. Их подразделяют на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и линии управления. Жесткие гидролинии обычно изготовляют из стальных бесшовных труб. Подвижные части с установленными на них элементами гидропривода соединяют гибкими рукавами высокого давления. Для предотвращения вытекания жидкости и предохранения ее от загрязнений при разъединении трубопроводов применяют самозапирающиеся соединения с двумя шариковыми клапанами.

К рабочей жидкости в гидроприводах строительных машин предъявляют высокие требования. Она должна быть хорошим смазывающим материалом, не вызывать коррозии контактирующих с ней металлов, обладать стабильностью свойств во время эксплуатации в различных температурных условиях. Рабочая жидкость не должна образовывать пены и содержать веществ, выпадающих в осадок, должна быть безопасной в пожарном отношении и нетоксичной. Наиболее полно этим требованиям отвечают масла, получаемые из низкозастывающих фракций нефти с соответствующими присадками: загущающими, антиокислительными, антипенными, противоизносными, антикоррозионными. В строительных машинах, работающих при температурах окружающего воздуха 318 ... 228 К, применяют, в основном, специальные рабочие жидкости: МГ-30 (ТУ 38-1-01-50 - 70) - в качестве летнего сорта для районов с умеренным климатом и всесезонного сорта для южных районов страны; ВМГЗ (ТУ 38-101479 - 74) - для всесе-зонной эксплуатации в районах Крайнего Севера и в качестве зимнего сорта в районах с умеренным климатом.

Прообразом гидродинамической передачи является водяная турбина, вращающаяся относительно своей оси за счет кинетической энергии падающей на ее лопатки воды. Представителями гидродинамических передач, применяемых в приводах строительных машин, являются гидротрансформаторы и реже гидромуфты.

Гидромуфта (рис. 2.62) состоит из насосного 2 и турбинного 3 колес, посаженных соответственно на ведущий / и ведомый 4 валы. Внутренние полости обоих колес разделены наклонными в радиальном направлении лопатками и заполнены рабочей жидкостью. При Рис. 2.62. Схема вращении насосного колеса рабочая жидкость за счет центробежных гидромуфты сил устремляется на периферию, вследствие чего в периферийной зоне создается повышенное давление, способствующее перетеканию жидкости в полость турбинного колеса, а в расположенной ближе к центру зоне создается разрежение, способствующее подсасыванию жидкости из полости турбинного колеса. В процессе перехода рабочей жидкости из насосного колеса в турбинное она воздействует на лопатки турбины, заставляя последнюю вращаться. При этом турбинное колесо отстает от насосного: его угловая скорость ш2 всегда меньше угловой скорости насосного колеса со,. Это отставание (скольжение) находится в обратной зависимости с угловой скоростью C0j: чем больше эта скорость, тем меньше скольжение. При номинальном скольжении КПД муфты составляетг|ноы»аь/е>, =0,96 ... 0,94.

Гидромуфту располагают между двигателем и потребителем энергии для снижения динамических нагрузок на двигателе и рабочих органах машины, а также для автоматического бесступенчатого изменения скорости движения рабочего органа (машины) в зависимости от внешней нагрузки. Гидромуфты используют также в качестве предохранительных муфт. В приводах с гидромуфтами двигатель можно запускать без отключения трансмиссии.

В отличие от гидромуфты гидротрансформатор (рис. 2.63, а) имеет три рабочих колеса: насосное 3, турбинное 4 и реакторное 2. Последнее может быть установлено неподвижно или на обгонной муфте /. При неподвижном реакторном колесе оно отклоняет поток рабочей жидкости своими лопатками и изменяет момент количества движения потока, а следовательно и крутящий момент на турбинном колесе. Изменения моментов на насосном Г, и на турбинном Т2 колесах представлены на рис. 2.63, б. Эти изменения происходят так, что вне зависимости от внешней нагрузки, пропорциональной моменту на турбинном колесе, момент и угловая скорость на насосном колесе, а следовательно,

и на двигателе изменяются в весьма незначительных пределах, чем обеспечивается защита двигателя от перегрузок. Угловая скорость вращения турбинного колеса изменяется автоматически практически обратно пропорционально моменту Г,. Отношение моментов К=Тг1Тх называют коэффициентом трансформации. Коэффициент полезного действия гидротрансформатора ц представляется параболической функцией отношения угловых скоростей турбинного со2 и насосного со, колес. Его максимальное значение составляет 0,85 ... 0,87. Максимальному КПД соответствует номинальная точка характеристики гидротрансформатора с координатами со2н; ^2н- В случае установки реакторного колеса на обгонной муфте последняя включается автоматически при малых нагрузках, вследствие чего реакторное колесо вращается вместе с насосным и турбинным колесами. В этом случае гидротрансформатор работает в режиме гидромуфты с более высоким КПД.

Благодаря мягкой выходной механической характеристике Т2 = Дсо2), гидротрансформаторы нашли широкое применение в приводах землеройных, землеройно-транс-портных машин, погрузчиков и других машин, где с изменчивостью внешних нагрузок целесообразно автоматически изменять рабочие скорости, а также снижать динамические нагрузки при стопорении рабочих органов в случае их упора в препятствия.