Принцип действия и свойства объемного гидропривода

В гидроаппаратуру входят гидравлические дроссели (регулируемые, линейные и нелинейные), гидроклапаны (предохранительные, шариковые, конические, напорные, редукционные, обратные, гидравлические замки), а также гидрораспределители (золотниковые, клапанные и крановые). 

К вспомогательным устройствам относятся гидробаки открытого и закрытого типов, уплотнители, в качестве которых используют поршневые кольца и манжеты, а также гидроаккумуляторы. 

Гидроаккумуляторы используют для подачи жидкости при работе гидропривода. Они предназначены для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением. 

По способу накопления потенциальной энергии различают гидроаккумуляторы грузовые и с упругим элементом, по конструкции - со свободной поверхностью, поршневые, мембранные, малогабаритные, пружинные и инерционные. Фильтры применяют сетчатые, пластинчатые и войлочные, а также с предохранительным клапаном, грубой, нормальной, тонкой и особо тонкой очистки. 

В гидроприводах станков и машин применяют стальные бесшовные и реже медные трубы. 

 

Объемный гидропривод содержит источник энергии, которым служит жидкость под давлением. Гидропривод применяют для передачи давления при малой сжимаемости капельных жидкостей, работа которых основана на использовании закона Паскаля. Принципиальная схема простейшего гидропривода показана на рис. 8.1. Гидропривод состоит из двух цилиндров (малого 1 и большого 2), заполненных жидкостью и соединенных между собой трубопроводом. В малом цилиндре 1 находится поршень, который под действием силы F1 перемещается вниз, вытесняя жидкость в цилиндр 2. При этом поршень цилиндра 2 начинает двигаться вверх и преодолевает нагрузку (силу) Fi. 

По закону Паскаля давления в цилиндрах 7 и 2 будут одинаковыми и равными: р = F1/S1 = F2/S2, где S1 и S2 - площади поршней цилиндров 1 и 2, если пренебречь потерями давления в системе. 

Считая жидкость практически несжимаемой, можно записать: 

h1S1 = h1S1, или v1S1 = v2S2, где v1 и v2 - скорости перемещения поршней. 

Затраченная на перемещение поршня мощность цилиндра 1 выражается соотношением N = Fv1 = pS1v1. Величина S1v1 является расходом жидкости, тогда при отсутствии сил трения условие передачи энергии можно представить в виде N = pQ = F2v2, где F2v2 - мощность, развиваемая поршнем цилиндра 2; pQ - мощность потока жидкости. 

Различают нагрузочные и топографические характеристики гидропривода. Для нескольких постоянных значений давления строят нагрузочные характеристики. Их наклон характеризует уменьшение частоты вращения выходного вала гидропривода с возрастанием давления из-за утечки и сжимаемости жидкости.

 

Рис.1 Схема простейшего гидропривода: 1, 2— цилиндры 

 

Принцип действия и свойства объемного гидропривода

 

Рис. 2. Схема действия объемного гидропривода:1 — ручка, 2, 6 — поршни, 3, 5 — гидроцилнндры, 4 — трубопровод

 

На рис. 2 показана схема, иллюстрирующая принцип действия объемного гидропривода. Два гидроцилиндра, заполненные жидкостью, соединены трубопроводом. В них установлены поршни разного диаметра. Оба поршня представляют собой стенки одного сосуда. 

При перемещении поршня ручкой в направлении, показанном стрелкой, жидкость будет вытесняться из гидроцилиндра по соединительному трубопроводу в гидроцилиндр, приводя поршень в движение. Поршень пройдет путь, измеряемый отрезком /гь и вытеснит из гидроцилиндра объем жидкости, равный произведению площади рабочей поверхности поршня на пройденный им путь. 

Мощность объемного гидропривода при неизменном потоке увеличивается пропорционально повышению давления жидкости в системе.

Объемный гидропривод состоит из объемного насоса и гидродвигателя, элементов управления, вспомогательных устройств и соединительных трубопроводов.

Насос преобразует механическую энергию в гидравлическую, а гидродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии. В рассмотренной выше схеме (на рис. 3) гидроцилиндр 3, к поршню которого приложено движущее усилие, является насосом, а гидроцилиндр 5 — гидродвигателем. Поскольку движущее усилие можно приложить к любому из поршней, система является обратимой. Свойство обратимости весьма важно, так как оно позволяет использовать насос в качестве гидродвигателя и наоборот. Это упрощает эксплуатацию и уменьшает затраты на производство гидроаппаратуры.

В гидроприводах машин для строительства цементобетонных дорожных покрытий используют гидродвигатели прямолинейного возвратно-поступательного движения, называемые гидроцилиндрами, и гидродвигатели вращательного движения — гидромоторы.

К элементам управления относятся гидрораспределители, дроссели, регуляторы и клапаны. Они управляют поступлением жидкости от насоса к гидродвигателю.

К вспомогательным устройствам относятся фильтры, теплообменники, гидроаккумуляторы, баки, измерительные приборы (манометры, термометры).

В зависимости от схемы циркуляции рабочей жидкости объемный гидропривод может быть с разомкнутой или замкнутой циркуляцией.

 

Рис. 3. Принципиальные схемы объемного гидропривода:

а — с разомкнутой циркуляцией, б —с замкнутой циркуляцией; 1 — бак, 2 — нерегулируемый насос, 3, 13 — предохранительные клапаны, 1 — гидролиния, 5 — гидрораспределитель, б — гидроцилиндр, 7 — дроссель, 8 — фильтр, 9 — регулируемый реверсивный насос, 10 — обратный клапан, И — гидромотор, 12 — насос подпитки.

 

В объемном гидроприводе с разомкнутой циркуляцией (рис. 3, а) нерегулируемый насос засасывает рабочую жидкость из бака и подает ее по гидролинии к гидрораспределителю, а затем в одну из полостей гидроцилиндра 6. Жидкость

из противоположной полости гидроцилиндра вытесняется через гидрораспределитель и фильтр в бак, находящийся под атмосферным давлением. При нейтральном положении золотника гидрораспределителя (как показано на рисунке) рабочая жидкость из него через гидролинию сливается в бак. При перегрузке напорной линии рабочая жидкость через предохранительный клапан поступает в бак.

На рис. 3, б показана схема объемного гидропривода с замкнутой циркуляцией. В этой схеме жидкость от реверсивного регулируемого насоса поступает в гидромотор, совершает работу и по сливной гидролинии возвращается в насос. С атмосферой система не сообщается. Для предохранения ее от перегрузок служат клапаны. Они установлены так, что защищают систему как при прямом направлении движения, так и при реверсировании, когда сливная гидролиния становится напорной.

Гидропривод с замкнутой циркуляцией должен быть постоянно заполнен рабочей жидкостью, иначе в системе возникнет разрыв струи, который выведет систему из строя. Так как в работающем гидроприводе неизбежны утечки через неплотцости сопряженных сборочных единиц насоса, гидромотора и других элементов гидропривода, в нем должен быть предусмотрен постоянный источник пополнения утечек извне. Таким источником в гидроприводе с замкнутой циркуляцией служит насос подпитки, который через фильтр и обратные клапаны постоянно пополняет систему. Избыточное количество жидкости сливается в бак через предохранительный гидроклапан. Последний настраивается на давление, несколько большее давления, которое может возникнуть в сливной гидролинии системы с замкнутой циркуляцией.

Преимущества схемы гидропривода с замкнутой циркуляцией заключаются в хорошей защищенности рабочей жидкости от попадания пыли и грязи, простоте реверсирования, компактности, а недостаток— в худших условиях охлаждения и очистки рабочей жидкости. Схема гидропривода с разомкнутой циркуляцией отличается простотой, надежностью работы и более низкой стоимостью за счет применения дешевых нерегулируемых насосов.

Одно из наиболее существенных преимуществ объемного гидропривода перед механическим — это возможность бесступенчатого регулирования скоростей и усилий исполнительного органа в широком диапазоне. Регулирование скорости гидродвигателя (движения поршня гидроцилиндра или вращения вала гидромотора) при постоянной мощности на входе можно осуществлять дросселированием или изменением подачи насоса.

Дросселем называют регулирующий аппарат, предназначенный для поддержания заданной величины расхода в зависимости от величины перепада давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости. Регулирование скорости дросселированием широко распространено на машинах малой мощности с простой трансмиссией благодаря простоте и низкой стоимости изготовления агрегатов. При этом способе используется нерегулируемый насос, а количество жидкости, подаваемое в гидродвигатель, изменяется за счет перепускания части жидкости через предохранительный клапан обратно в бак.

Существуют два способа дроссельного регулирования скорости: с дросселем на напорной линии и с дросселем на сливной линии. При установке дросселя на напорной линии регулирование скорости гидродвигателя возможно только в том случае, если направление действия нагрузки на выходное звено (шток гидродилиндра или вал гидромотора) не совпадает с направлением его движения. Это объясняется тем, что если нагрузка на шток гидроцилиндра направлена в ту же сторону, что и его движение, то при уменьшении подачи жидкости через дроссель поршень может перемещаться быстрее, чем будет заполняться полость гидроцилиндра, и произойдет разрыв потока жидкости в линии перед поршнем. Кроме того, система с дросселем на напорной линии может быть использована, когда нагрузка постоянна или когда не требуется постоянная скорость перемещения поршня гидроцилиндра.

На схеме, приведенной на рис. 3, а, дроссель 7 установлен на сливной линии. В этом случае скорость перемещения поршня регулируется количеством жидкости, вытесняемой из штоковой полости гидроцилиндра 6 и проходящей через дроссель. При любом направлении нагрузки на штоке поршня разрыва потока жидкости произойти не может. Сопротивление дросселя регулируют открытием проходного отверстия. При полном перекрытии трубопровода дросселем вся жидкость от насоса отводится через предохранительный клапан 3 в бак 1, в результате чего скорость поршня гидроцилиндра равна нулю.

Недостаток дроссельного способа регулирования — чрезвычайно низкий коэффициент полезного действия (КПД), особенно на малых оборотах, когда большое количество жидкости перепускается в бак.

При использовании регулируемого гидронасоса (рис. 3, б) обеспечивается большая точность регулирования, независимость от нагрузок на выходном звене и более высокий КПД. Этот способ регулирования скорости обычно применяют в системах гидропривода с замкнутой циркуляцией.