Принципы действия объёмных гидроприводов

Введение

В настоящее время во всем мире практически невозможно назвать такую отрасль промышленности или сельского хозяйства, в которых не применялся бы гидропривод. Возросшие в последние годы темпы создания и освоения серийного производства новых машин с гидравлическим приводом являются наглядным подтверждением научно- технического прогресса. Использование гидроприводов в строительных и дорожных машинах способствует значительному повышению уровня механизации в этих отраслях. Гидравлические устройства устанавливаются в системах управления на экскаваторах, бульдозерах, подъемниках, погрузчиках, кранах, а также в качестве силовых передач на движитель этих машин. Современные металлургические агрегаты и машины требуют применения высоконадежных приводов исполнительных механизмов, способствующих полной автоматизации и механизации металлургических процессов. Во многих случаях решение этих задач обеспечивается применением гидроприводов.

В результате внедрения современных технологических процессов и совершенствования гидравлического оборудования и машин с объемным гидроприводом за последние два десятилетия значительно улучшилось качество их изготовления, повысились продолжительность безотказной работы и технический ресурс.

В системах гидропневмоавтоматики различного рода клапаны позволяют предохранять систему от перегрузок, создать вполне определенное направление потока жидкости при разветвленных магистралях, установить определенную последовательность работы исполнительных механизмов, их динамические характеристики.

Использование гидравлических и пневматических передач в сочетании с электрическими приводами и автоматизацией технологических процессов во многих отраслях народного хозяйства способствует повышению производительности и улучшения условий труда.

Гидроприводы делятся на два основных класса: гидростатические (объемные) и гидродинамические. В гидростатических приводах передача мощности осуществляется за счет высокого статического давления (до 1000 мПа), а в гидродинамических – за счет динамической составляющей энергии жидкости при сравнительно небольшом статическом давлении. Эти приводы отличаются по возможностям изменения кинематических и силовых характеристик исполнительных механизмов, и каждый из них имеет определенную область эффективного применения. С помощью гидростатического привода можно обеспечить исполнительным механизмам практически любые виды и законы движения (вращательное, поворотное, поступательное, сложное). К гидродинамическим приводам относятся гидромоторы, гидротрансформаторы, гидродинамические передачи и гидротурбинные двигатели.

Гидравлический привод по сравнению с электромеханическим приводом имеет определенные преимущества и недостатки.

Преимущества:

· малый объем и масса, приходящаяся на единицу передаваемой мощности;

· малая инерционность гидромашин, в связи с чем отношение момента гидродвигателя к моменту его инерции на порядок меньше, чем у электродвигателей. В связи с этим время реверса составляет 0,003¸0,05 с;

· бесступенчатость регулирования скорости;

· возможность точного регулирования положения рабочего органа;

· широкий диапазон скоростей вращения гидромоторов (от 5 до 1000 об/мин);

· высокий кпд, надёжность, простота автоматизации;

· возможность конструирования систем любой сложности путем использования стандартных элементов.

Недостатки:

· чувствительность к качеству рабочей жидкости с уплотнительных средств;

· более высокая культура и качество обслуживания.

Виду того, что объемный гидравлический привод наиболее применим в приводах машин, данный курс будет посвящен изучению его элементам.

Принципы действия объёмных гидроприводов

Энергия идеальной жидкости определяется уравнением:

,

где энергия положения;

энергия давления;

кинетическая энергия.

Передачу энергии жидкостью можно осуществлять, изменяя любой из членов данного уравнения. Для объёмных гидроприводов из трёх составляющих определяющей является энергия давления. Энергией положения в объемных гидроприводах обычно пренебрегают ввиду незначительности разности высот отдельных элементов гидропривода. А кинетическая энергия учитывается при расчёте гидродинамических передач и в специальных видах расчётов объёмных приводов.

Принципы действия объёмных приводов основаны на высоком объёмном модуле упругости жидкости (малой сжимаемости) и на законе Паскаля, согласно которому всякое изменение давление в какой–либо точке покоящейся капельной жидкости, не нарушающее её равновесия, передаётся в другие точки без изменения.

Из рисунка 1а следует, что при приложении силы Р к закрытому сосуду через поршень эта сила уравновешивается силой давления жидкости (силой трения пренебрегаем и силой тяжести тоже)

Положение сохраняется, если в качестве сосуда возьмём два гидроцилиндра, соединённых гидролинией (рисунок 1б)

Рисунок 1 - Схемы, иллюстрирующие принцип действия объёмного гидропривода.

Положение сохраняется, если в качестве сосуда возьмём два гидроцилиндра, соединённых гидролинией (рисунок 1б)

При перемещении поршня 1 произойдёт вытеснение жидкости под поршнем 2. Если учесть, что жидкость несжимаема, то

, то ,

где Q – расход.

2. Термины и общие определения

Насос – машина для создания потока жидкой среды. В объёмном насосе жидкая среда перемещается путём периодического изменения объёма занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся с входом и выходом насоса.

Объёмный гидродвигатель – машина для преобразования энергии потока рабочей среды в энергию выходного звена. Объёмный гидродвигатель с вращательным движением выходного звена называется гидромотором; с прямолинейным – гидроцилиндром; с возвратно-поступательным движением ведомого звена на угол - гидроповоротником.

Объёмный гидропривод – гидравлическая система, включающая объёмный насос и гидродвигатель с устройствами управления.

Гидроаппаратурой называются устройства, предназначенные для изменения параметров потока рабочей жидкости или для поддержания их на определённом постоянном уровне (давление, расход и направление движения).

На рисунке 2а показана принципиальная схема гидропривода возвратно-поступательного движения.

Регулирование скорости гидродвигателя (гидроцилиндра) по этой схеме достигается установкой дросселя, с помощью которого создаётся сопротивление на входе насоса, в результате часть жидкости отводится (переливается) через предохранительный клапан в бак. Такая система пригодна при мощности до 7 кВт, т. к. при большей передаваемой мощности будет иметь место значительный нагрев жидкости и неэффективное использование энергии.

На рисунке 3б приведена схема гидропривода вращательного движения.

Реверсирование вращения гидромотора осуществляется с помощью распределителя 3

По схеме на рисунке 2а и 2б рабочая среда поступает от объёмного гидродвигателя в бак или во всасывающую линию насоса. Такой гидропривод называется гидроприводом с открытой циркуляцией.

Реверсирование гидромотора можно осуществить также изменением направления потока жидкости, направляемого насосом (рисунок 2в).

Гидросистема в данном случае должна быть снабжена обратными клапанами 7, отсоединяющими нагнетательную линию от бака и одновременно обеспечивают подпитку всасывающей полости насоса в случае, если в последней в результате утечки жидкости образуется вакуум. Такая система называется с закрытой циркуляцией.

1 - насос; 2 - гидроцилиндр; 3 – распределитель; 4 – дроссель; 5, 9 – предохранительные клапаны; 6 – гидробак; 7 – гидромотор; 8 – обратный клапан.

Рисунок 2 - Принципиальные схемы гидроприводов прямолинейного (а) и вращательного (б и в) движений.

По виду источника энергии гидропривод разделяют на 3 типа: магистральные (жидкость подаётся от единой магистрали не входящей в состав гидропривода и питающей несколько гидроприводов); насосный (насос входит в состав привода); аккумуляторный (рабочая жидкость подаётся в гидродвигатель от аккумулятора, заряжаемого, в свою очередь насосом).

По характеру управления параметром движения выходного звена гидроприводы бывают:

а) с дроссельным регулированием;

б) с объёмным регулированием (с помощью регулируемого насоса);

в) с управлением приводящим двигателем (изменение скорости вращения эл. двигателя);

г) с машинно-дроссельным регулированием.

3. Насосы

3.1 Классификация

Для создания потока жидкой среды в гидроприводах используются насосы:

а) с вращательным движением ведущего звена;

б) с возвратно-поступательным движением;

в) с вращательным и возвратно-поступательным движением.

Насосы с вращательным и совместно вращательным и поступательным движением называют роторными.

Наибольшее применение имеют насосы:

1) шестерённые - роторно-вращательные насосы с перемещением зубчатой среды в плоскости, перпендикулярной оси вращения рабочих органов, выполненных в виде шестерён;

2) кривошипно-поршневые насосы – возвратно-поступательные насосы с рабочими органами в виде поршней, с вращательным движением ведущего звена и кривошипно-шатунным механизмом передачи движения рабочим органам;

3) радиально – поршневые насосы – роторно-поршневые насосы, у которых ось вращения ротора перпендикулярна осям рабочих органов (или составляет с ними угол более 45 градусов);

4) аксиально-поршневые насосы – роторно-поршневые насосы, у которых ось вращения ротора параллельна осям рабочих органов (или составляет с ними угол менее 45 градусов);

5) пластинчатые – роторно-вращательные с перемещением жидкой среды в плоскости, перпендикулярной оси вращения пластин;

6) винтовые – роторно-вращательные насосы с перемещением жидкой среды параллельно оси вращения винтов.

Условное обозначение насосов на гидравлических схемах представлено в таблице 1.

Таблица 1. Условное обозначение насосов.

3.2 Основные параметры насосов.

1. Рабочий объём ( ) - разность наибольшего и наименьшего рабочего пространства за один оборот (цикл работы) рабочего органа.

2. Объёмная подача – это объём подаваемой рабочей жидкости в единицу времени

,

где n- частота вращения.

3. Номинальное давление ( )- наибольшее давление на выходе насоса, при котором он работает установленный срок службы.

4. Крутящий момент

где - перепад давлений, Па.

5. Характеристика насоса – зависимость подачи от давления нагнетания при постоянном числе оборотов (рисунок 3).

Рисунок 3 - Механическая характеристика насоса.

6. Неравномерность подачи насоса, оценивается коэффициентом пульсации К_П

где Q max и Q min – максимальное и минимальное значение подачи;

Q_ср - среднее значение подачи;

7. Объёмный кпд – это отношение подачи насоса при номинальном давлении Qn к теоретической подачи Q_Т

8. Теоретическая мощность на валу насоса

где - теоретическая подача, м³/с;

- перепад давлений, кПа.

9. Механический кпд насоса, обусловлен механическим трением и гидравлическим сопротивлением, создающими на валу дополнительный момент трения, который необходимо преодолеть

10. Полный или общий кпд насоса, определяется как произведение объёмного и механического кпд

Шестерённые насосы.

Шестерённые насосы выполняются с шестернями внешнего (рисунок 4) и внутреннего зацепления, двух, трёх шестерёнными, одно, двух и многоступенчатыми. Наиболее распространённым являются двух шестеренный насос с шестернями внешнего зацепления. Давление этих насосов достигает 30 мПа, производительность до 1000 л/мин. Насосы отличаются большим сроком службы, который составляет не менее 5000 часов.

Число оборотов составляет 2200¸4000 в минуту. Объёмный кпд 0,95¸0,96. Общий кпд 0,87¸0,9.

1-корпус; 2-шестерня; 3-плавающая втулка; 4-неподвижная втулка; 5-пружин; 6-уплотнение.

Рисунок 4 - Конструкция шестерённого насоса.

При вращении шестерен жидкость, заключённая во впадинах зубьев, переносится в камеру нагнетания. Зубья а₁ и а₂ при вращении шестерён вытесняют больше жидкости, чем может поместиться в пространстве, освобождаемом зубьями в₁ и в₂, находящимися в зацеплении. В результате жидкость в количестве, равном разности объёмов описываемых этими двумя парами зубьев, вытесняется в нагнетательную камеру.

Для того чтобы смягчить гидравлический удар необходимо обеспечить постепенное заполнение рабочих камер жидкостью и сжатие её до величины рабочего давления до соединения камер с нагнетательной магистралью. Для этого на цилиндрической поверхности колодцев под шестерни со стороны полости нагнетания прорезают узкие (0,5¸0,6мм) щели, до того, как последняя соединится с полостью нагнетания.

Наиболее нагруженными узлами шестерённого насоса являются его подшипники, на которые действуют радиальные силы от давления жидкости на шестерни и механические силы.

Разгрузку валов от действия одностороннего радиального давления жидкости выполняют путём непересекающихся между собой радиальных сверлений в шестернях, которые обеспечивают равенство давлений в диаметрально - противоположных межзубовых впадин шестерен.

При вращении шестерён часть жидкости может быть запёрта во впадинах между зацепляющимися зубьями, которая вызовет дополнительную нагрузку на подшипнике, приведёт к нагреванию жидкости и к повышению шума. Запёртый объём обычно разгружается с помощью глухих канализационных канавок небольшой глубины, выполненных на боковых крышках насоса, через одну из которых запертый объём, уменьшающийся при вращении шестерен, соединяется с полостью нагнетателя, а увеличивающийся – с полостью всасывания.

Рабочий объём насоса определяется

где - диаметр начальной окружности шестерен;

m –модуль зацепления;

b – ширина шестерни;

z – число зубъев.

Расчётная подача насоса

Коэффициент пульсации

Шестерни в большинстве случаев выполняют совместно с валиками, однако, в некоторых случаях, отдельно, с соединением шестерён с валиками с помощью шпонок, шлицов, шарниров. Уплотнение выходных валиков обычно выполняют в виде двух стандартных уплотнительных узлов, пространство между которыми соединено с атмосферой или полостью всасывания насоса дренажным отверстием.

Для повышения давления или подачи жидкости применяются многошестерённые насосы (до 6 пар шестерен) путём последовательного или параллельного соединения в одном корпусе пар шестерён. Однако при этом уменьшается общий кпд. Используются так же многошестерённые насосы с тремя и более шестернями (до семи), размещёнными вокруг центральной ведущей шестерни. Для увеличения плавности работы насоса и уменьшения пульсации применяют шестерни с косым и шевронным зубом. Однако для косозубых шестерён необходимо, чтобы валики опирались своими торцами на упорные подшипники.

3.4 Винтовые насосы.

Увеличив угол наклона зубьев насоса с косозубыми шестернями, получим винтовой насос, который отличается надёжностью, компактностью и бесшумностью в работе, равномерной подачей жидкости. Винтовые насосы можно рассматривать как машины с косозубыми шестернями, число зубьев которых уменьшается до числа заходов винтовой нарезки. Эти машины могут работать и в режиме гидромотора. Винтовой насос (рисунок 5) представляет одну или несколько пар зацепляющихся винтов, плотно насажанных в расточку корпуса.

Рисунок 5 – Конструктивная схема двухвинтового насоса.

Часть впадин между витками нарезки, открытых для данного положения зацепляются жидкостью и после поворота на определённый угол отсекаются от входной полости и вытесняются в выходную камеру.

В практике распространены преимущественно трёхвинтовые насосы. Такой насос состоит из трёхвинтовых роторов, средний из которых является ведущим, а два боковых – ведомыми. Ведомые винты вращаются за счёт действия гидростатических сил давления жидкости на витки винтов. При этом угол подъёма винтовой линии выбирается таким, чтобы обеспечить вращение ведомых винтов за счёт давления рабочей жидкости, благодаря чему не требуется специальной силовой шестерённой передачи, хотя в некоторых видах насосов они встречаются. Нарезка винтов обычно двухзаходная с углом подъёма винтовой линии 30-45 градусов.

Трёхвинтовые насосы допускают высокие числа оборотов (до 18000 об/мин) и выпускаются на подачу до 15000 л/мин с приводом мощностью до 2700 кВт при давлении до 200 мПа. Объёмный кпд. насоса 0,75¸0,98.

Рабочий объём трехвинтовых насосов

где - диаметр расточки под ведомые винты

3.5 Пластинчатые насосы.

Пластинчатыми насосами называют роторные насосы с рабочими камерами, образованными поверхностями ротора, статора, двух смежных пластин и боковых крышек. Эти насосы, получившие так же название лопастных, являются наиболее простыми из существующих типов и обладают при прочих равных условиях большим объёмом рабочих камер. В зависимости от количества подач за один оборот ротора бывают:

а) однократного действия;

б) двукратного действия;

в) четырёхкратного действия.

пластинчатым насосом является насос с двумя пластинами (рисунок 6) подвижно монтируемыми Насосы однократного действия применяют для гидросетей, не требующих высоких давлений (4¸5 мПа) и применяют в качестве вспомогательных насосов (подкачки). Наиболее простым в общем сквозном радиальном пазу ротора. Эти пластины образуют с поверхностями ротора и смещённого относительно его статора на величину эксцентриситета е две серпообразные камеры: всасывающую полость (а) и нагнетательную полость (б).

Поскольку ротор в нижней части статора имеет плотный контакт, одна из пластин в любом положении ротора отделяет всасывающую полость от нагнетательной. Для возможности радиального перемещения пластин и обеспечения плотного контакта со статором, пластины распираются пружиной. Рабочий объём двухпластинчатого насоса и расчётная подача определяется:

где В – ширина ротора;

R и r – соответственно радиусы статора и ротора.

Рисунок 6 - Принципиальная схема двухпластинчатого насоса.

Недостатком двухпластинчатого насоса является:

· переменная подача по углу поворота (пульсация);

· односторонняя нагрузка на пластины от сил давления жидкости.

Для снижения пульсации подачи применяют насосы с несколькими пластинами (рисунки 7, 8).

Питание насоса (рисунок 7) осуществляется через всасывающее окно, а нагнетание – через нагнетательное, расположенное в боковых проточках. Объёмы между двумя соседними пластинами (шиберами) и поверхностями ротора и статора при вращении изменяются. Объёмы, находящиеся по правую сторону от вертикальной оси – уменьшаются (нагнетание), а по левую сторону увеличиваются (всасывание).

Рисунок 7 – Схема многопластинчатого Рисунок 8 – Схема многпластинча-

насоса с боковым распределением. того насоса с цапфовым распределением.

Важным фактором работы насоса является герметичность при проходе пластины перевальной перемычки. Необходимо, чтобы в любом положении ротора между окнами находилось не менее одной пластины. Плотность контакта пластин со статором обеспечивается при помощи пружин или давления жидкости. Применяются так же другие схемы распределения жидкости, например с цапфовым распределением (рисунок 8).

Рисунок 9 - Пластинчатый насос двукратного действия.

Напорное и всасывающие окна "а" и "в" размещены в неподвижной цапфе. С рабочими камерами эти окна соединены радиальными отверстиями. Ротор в этой схеме соединяет их с валом при помощи торцевого соединения. Недостатком пластинчатых машин является трудность герметизации вытеснителей, особенно со стороны торцов, а так же большая нагрузка на ось ротора и пластины от сил давления жидкости. Поэтому на практике распространены нерегулируемые пластинчатые насосы двукратного и четырёхкратного действия. В этих насосах уравновешиваются радиальные нагрузки и они могут работать под более высоким давлением (до 14 мПа и выше). Насос практически состоит из двух насосов, размещённых в одном корпусе (рисунок 9).

В чугунном корпусе установлен статор фасонного профиля. Ротор установлен на валу с помощью шлицов. Вал вращается на подшипниках качения. С обоих сторон к ротору давлением жидкости прижимаются торцевые пластины (диски) с прорезанными в них окнами. Эти окна соединены каналами корпуса с полостью всасывания и нагнетания. Пластины ротора могут располагаться под углом 7-15 градусов для уменьшения изгибающих моментов на неё со стороны сил трения в пазу.

Объёмный кпд составляет , механический - , при частоте вращения 500-3000 об/мин. Срок службы насосов составляет около 3000 часов. Высота всасывания до 5 м.

Рабочий объем многопластинчатого насоса определяется по формуле:

где к – число пластин;

b – длина лопасти;

с – толщина лопасти;

l – ход пластины.

Ротор и статор пластинчатых насосов изготавливают из легированных сталей с цементированием, боковые диски из кремнистой или марганцовистой бронзы. Пластины изготавливают из вольфрамовых (быстрорежущих) сталей и закаливают до HRC 63-65.