1.5. Гідравлічні передачі

Гідравлічні передачі(трансмісії) широко застосовують в більшості сучасних будівельних машин для передачі потужності від основного двигуна до робочих органів і виконуючих механізмів, а також до систем керування машин. У цих передачах використовується енергія робочої рідини (мінеральне масло), яка нагнітається гідравлічними насосами під тиском 6,3...35 МПа і більше при її затраті 10...200 л./хв.

Застосування гідравлічних трансмісій дозволяє: простим способом перетворити обертальний рух у поступальний, спростивши кінематику робочого обладнання за рахунок виключання канатно-блочних систем; значно розширити номенклатуру робочого обладнання; розмістити силові механізми незалежно від силового устаткування; зєднати за допомогою гнучких рукавів високого тиску елементи гідроприводу, розміщеного на взаємно переміщуваних частинах машини; забезпечити високу швидкодію і реалізувати значні зусилля на робочих органах; плавно регулювати швидкість виконуючих механізмів у широких рамках, поєднуючи їх за часом, що поліпшує технологічні можливості будівельної машини; уніфікувати і нормалізувати конструкцію елементів гідроприводу для машин різноманітних типорозмірів, обмеживши їх номенклатуру; забезпечити автоматизацію управління машинами та механізмами, що полегшить умови праці машиніста; підвищити якість виконаної роботи та продуктивність; виключити із силових передач фрикційні муфти і гальма, які інтенсивно зношуються і суттєво зменшують надійність машини; зменшити кількість місць зношування , що скоротить витрати на технічне обслуговування.

Ефективна реалізація переваг гідравлічних трансмісій на практиці має такі недоліки: залежність працездатності та надійності від вязкості робочої рідини і відповідно від температури довколишнього середовища; високої чутливості до експлуатаційних властивостей робочої рідини та необхідності постійного видалення забруднень; внутрішніх перетікань і зовнішніх витікань робочої рідини внаслідок негерметичності системи, які вимагають компенсації; підвищених вимог до матеріалів, якості виготовлення і збору гідрообладнання та машин в цілому.

Носієм і одночасно мастилом служить робоча рідина, яка повинна мати ряд якостей, які дозволяють забезпечувати стійку роботу всієї гідросистеми.

Гідравлічні трансмісії бувають гідростатичні (обємними) і гідромеханічними . Вони включають у себе такі основні елементи: один чи декілька насосів, гідравлічні двигуни , баки з робочою рідиною, гідравлічні розподільники, фільтри, зєднувальні трубопроводи та регулююче устаткування.

Головна складова частина гідростатичних (обємних) трансмісій- насоси і гідромотори. Вони належать до обємних гідромашин, робочий процес яких грунтується на змінному заповненні робочої камери рідиною й витіснення її з цієї камери.

Насоси перетворюють механічну енергію приводу в енергію потоку робочої рідини й характеризуються тиском, що розвивають і подачею. Гідромотори перетворюють енергію потоку робочої рідині в механічну і характеризуються обертальним моментом, що розвивають, та частотою обертання валу.

Найширше застосування в гідравлічних трансмісіях будівельних машин знайшли шестерневі, лопаткові, радіально-поршневі та аксіально-поршневі насоси та гідромотори.

Переваги шестерневих гідромашин (рис. 1.32,а): простота їх конструкції, незначні габарити й маса, невисока вартість, хороша всмоктуюча здатність, можливість роботи на вязких рідинах, надійність у експлуатації, менша вимогливість до чистоти робочої рідини. Частіше всього їх використовують у ролі насосів (рідше - в ролі гідромоторів при низькому і середньому тиску в гідросистемі). Шестерневі насоси найчастіше виготовляють із зовнішнім зачепленням і постійним робочим обємом. Найпоширеніші односекційні насоси типу НШ. Їх застосовують при тиску до 16 МПа і потужності до 30...40 кВт. В індексації цих насосів цифри означають робочий обєм (см³ за один оберт).

Ведуча 1 та ведена 2 шестерні розміщені в корпусі 3, який має отвір для підєднання всмоктувальної і напірної магістралей. Рідина від всмоктувальної порожнини зубами шестерні подається до нагнітаючої порожнини, у якій зуби, входячи в зачеплення, витісняють її в напірну магістраль.

Недоліки цих насосів: низький ККД (0,65...0,85), обумовлений протіканням рідини з напірної порожнини у всмоктувальну, особливо при підвищенні тиску, невеликий термін експлуатації при роботі з високим тиском; підвищена чутливість до зміни вязкості робочої рідини.

Подача (см³/хв) шестерневих насосів

, (1.57)

де z - кількість зубів ведучої шестерні (6...12); m - модуль зачеплення шестерні, см; b - ширина шестерні, см; n - частота обертання ведучої шестерні, хв^-1

Рис. 1.32. Гідравлічні насоси-мотори:

а - шестерневий: 1,2- ведуча та ведена шестерні; 3- корпус; Б,С- всмоктуючий та напірний канали; б - лопатковий: 1- корпус; 2- ротор; 3- лопатки; 4- ведучий вал; Б,С- всмоктуюча та напірна порожнини; в - радіально-поршневий: 1- корпус; 2- поршні; 3- циліндр; 4- пружина; 5,6- напірний та всмоктуючій канали; 7- ротор; г,д - аксіально-поршневі: 1- приводний вал;2- штоки; 3- поршні; 4- циліндр; 5- циліндровий блок; 6,9- диски; 7- отвори; 8- дугові вікна; D_ш, D_б - діаметри розташування відповідно штоків та циліндрів

Лопатковий насос (рис. 1.32, б) складається з корпуса 1 та ротора 2, розміщеного на ведучому валу. Відносно осі корпуса вал із ротором встановлені ексцентрично. В пазах ротора є лопатки 3,які пружинами притискаються постійно до корпусу. При обертанні ротора лопатки під дією пружин і відцентрових сил ковзають пазами, висуваються, захоплюють робочу рідину, що надходить у корпус з бака, нагнітають її у магістраль під тиском 16...18 МПа. При цьому чим більший ексцентриситет ротора е, тим більший обєм рідини, що подається. ККД лопаткових насосів складає 0,80...0,85.

Подача (см³/хв) лопаткових насосів

, (1.58)

b - ширина шестерні, см; n - частота обертання ведучої шестерні, хв^-1; r_с, r_р - радіуси статора (корпуса) та ротора, см.

Радіально-поршневий насос (рис. 1.32,в) складається з корпуса 1, ротора 7 та поршнів 2. Як і в лопатковому насосі, ось ротора зміщена відносно осі статора (ексцентриситет е). Завдяки цьому при обертанні ротора поршні 2 здійснюють зворотньо-поступальні рухи в циліндрах 3. При русі поршня від точки В до точки А робоча рідина всмоктується через канал 6, а при подальшому русі вона нагнітається в напірний канал 5. Необхідне міцне притискування поршня до статора забезпечується пружиною 4 чи напором рідини, що підводиться під поршень. Подачу насоса регулюють зміною ексцентриситету. Реверсування насоса здійснюється зміною положення ексцентриситету шляхом переміщення статора, у результаті чого функції порожнин всмоктування і нагнітання змінюється на зворотні. Радіально-поршневі насоси мають 7...9 поршнів. Розвивають робочий тиск до 25 МПа, забезпечують подачу 5...500 л/хв при частоті обертання ротора 25-100 хв^-1.

Радіально-поршневі гідромотори аналогічні за конструкцією насосам і відрізняються призначенням та принципом дії. Такі високомоментні гідромотори здатні приводити в рух робочі органи чи механізми безпосередньо без проміжних механічних передач. Тому їх використовують для приведення в рух робочих органів траншейних екскаваторів, в механізмах повороту й переміщення гідравлічного екскаватора і т.п.

Аксіально-поршневі насоси та гідромотори бувають з похилим блоком (рис. 1.32,г) або диском (рис. 1.32,д) і складаються з циліндрового блоку 5, що обертається, поршнів 3 зі штоками 2, приводного валу 1 та нерухомого розподільного диску. При обертанні блоку чи диска 9 (рис. 1.32,д), нахилених під кутом , поршні (найчастіше їх 8) обертаються разом з блоком і одночасно здійснюють зворотньо-поступальні рухи в його циліндрах, почергово засмоктуючи робочу рідину з гідробака й виштовхуючи її в напірну магістраль. Кут нахилублоку, що обертається, визначає хід поршнів і подачу насоса. В диску 6 зроблено дугові вікна 8, через які рідина засмоктується й нагнітається поршнями. Між вікнами є перемичка яка відокремлює порожнину всмоктування від порожнини нагнітання. При обертанні блоку отвори 7 циліндрів зєднуються або з порожниною всмоктування, або з порожниною нагнітання. При зміні напрямку обертання блоку функції порожнин змінюються. Для зменшення витікання рідини торцову поверхню блоку ретельно притискують до диска.

Розрізняють нерегульовані (постійної подачі) насоси, у яких кут постійний, і регульовані (почергової подачі) насоси, у яких кутможна плавно змінювати в процесі роботи. Перші - дещо простіші за конструкцією, однак при їх встановленні для регулювання швидкостей механізмів приводу потрібне включення в гідросистему спеціальних дросельних приладів, які зменшують ККД. Другі, обладнані приладами для повороту осі блоку в залежності від тиску в системі, використовують для автоматичного регулювання умови і швидкості робочого органа чи виконавчого механізму машини при коливаннях зовнішніх навантажень. Тобто вони забезпечують на робочих режимах використання постійно повної потужності двигуна. В гідроприводах одноківшових екскаваторів та стрілових самохідних кранів застосовуються спарені аксіально-поршневі насоси, встановлені в одному корпусі. Такі насоси нагнітають робочу рідину в дві напірні магістралі.

Аксіально-поршневі гідромашини з похилим блоком циліндрів застосовується в гідроприводах машин, які працюють в середніх та важких режимах зовнішніх навантажень з великою частотою включень.

Аксіально-поршневі насоси та гідромотори мають високу питому енергомісткість (до 10...12 кВт/кг), компактні, забезпечують великий робочий тиск (до 40 МПа), мають високий ККД (0.9...0.95), який зменшується лише при кінематичній вязкості рідини менше 10 мм²/с, що обумовлено його високою всмоктувальною здатністю. До недоліків цієї гідромашини належать: складна конструкція, велика металомісткість (0,41...20,4 кг/кВт), необхідність тонкої фільтрації робочої рідини та кваліфікованого обслуговування.

Подача (см³/хв) аксіально-поршневих насосів

, (1.59)

де d - діаметр циліндрів, см; i - кількість циліндрів; Д_б - діаметр кола по центрах циліндрів, см; n - частота обертання валу насоса, хв^-1

Гідроциліндри (рис. 1.33)- гідродвигуни зворотньо-поступальної дії і призначені для приведення в рух робочого обладнання багатьох будівельних машин. Вони мають діаметр 32...220 мм і хід поршня 60...2000 мм. Рухомою ланкою циліндра може бути як шток, так і корпус 1 (гільза). Порожнина гідроциліндра, у якій розміщений шток 5 (рис. 1.33,а,б) називають штоковою, а за поршнем 2 -поршневою. Робоча рідина в порожнини гідроциліндра надходить і витісняється з них через отвори 7 і 8. Щоб запобігти перетіканню робочої рідини з штокової порожнини в поршневу й навпаки на поршні встановлено гумові ущільнювальні кільця 6. Ущільнення 4 служить для запобігання витіканню робочої рідини по штоку з гільзи гідроциліндру.

Гідроциліндри бувають одно- (рис. 1,33,а) та двобічної (рис.1.33,б) дії, а також телескопічні. У перших робочий хід поршня відбувається під тиском рідини, а повернення, якщо потрібне незначне зусилля, - під дією зовнішнього навантаження або пружини 3. У других прямий і зворотній хід поршня відбувається під тиском робочої рідини. Таким чином, зусилля на штоці та його переміщення можуть бути спрямовані в обидва боки в залежності від того, у яку порожнину гідроциліндра нагнітається рідина. Зазвичай, протилежна порожнина при цьому зєднується зі зливною лінією.

За необхідності переміщення рухомої ланки на відстань більшу ніж довжина корпусу циліндра (до 2,5...3,0 м) застосовуються телескопічні гідроциліндри.

Рис. 1.33. Гідроциліндри:

1- корпус; 2- поршень; 3- пружина; 4-ущільнення; 5- шток; 6- ущільнювальні кільця; 7,8- отвори

Гідроциліндри двобічної дії бувають з одно- (рис. 1.33, б,в) та двобічним (рис,0. 1.33, г,д) штоком. Основні параметри гідроциліндрів: внутрішній діаметр циліндра Д_ц, діаметр штока d_ш, зусилля на штоці F_ш, швидкість переміщення поршня _n. Зусилля на штоці і швидкість переміщення поршня залежать від конструкції гідроциліндра та напряму подачі рідини. Так, якщо рідину від насоса подають у поршневу порожнину, то швидкість (м/хв) переміщення штоку

; (1.60)

зусилля (Н) на штоці

(1.61)

де Q - подача насоса, м³/хв; D_ц - діаметр циліндра, м; - тиск рідини, МПа;- механічний ККД гідроциліндра (0,96...0,98).

При надходженні рідини в штокову порожнину гідроциліндра швидкість (м/хв) переміщення поршня при тій же подачі насоса

; (1.62)

зусилля на штоці

(1.63)

За допомогою гідроциліндрів можна забезпечити не лише поступальний, а й обертальний рух. Для цього їх зєднують з зубчасто-реєчним, ланцюговим, кривошипно-повзунним або канатно-блочним механізмом. Гідроциліндри прості за конструкцією і надійні в експлуатації. Однак необхідно памятати, що для забезпечення надійної їх роботи слід застосовувати відповідні за чистотою і якістю мастила, а також протягом перших 8 годин роботи тиск у гідроциліндрах не повинен перевищувати 50% нормального значення.

Напрям обертання гідроциліндрів чи переміщення штока гідроциліндра визначається напрямом потоку робочої рідини, що підводиться. З цією метою в обємному гідроприводі широко застосовуються розподільні прилади, призначення яких - спрямувати потік рідини від насоса до робочих порожнин силових агрегатів й відводити її з неробочих порожнин у бак. Часто в розподільні прилади влаштовують запобіжні та регулюючі клапани.

Допоміжні прилади в гідроприводі (баки для рідини, фільтри і т.д.) служать для зберігання, очищення і підведення рідини до виконавчих механізмів.

Гідродинамічні передачі включають у себе гідромуфти та гідротрансформатори, які встановлюють між головним двигуном і трансмісією машини. Їх відмінна особливість - відсутність жорсткого звязку між ведучим і веденим валами, а рух передається за рахунок кінематичної енергії робочої рідини, яка впливає на лопатки робочих коліс.

Гідромуфта (рис. 1.34,а) складається з двох робочих коліс - ведучого (насосного) 2 і веденого (турбінного) 3, встановленних відповідно на ведучому 1 і веденому 4 валах. При обертанні веденого валу лопатки насосного колеса скидають робочу рідину на лопатки турбінного колеса і приводять його і ведучий вал в рух у тому ж напрямі. З лопаток турбінного колеса рідина повертається до насосного колеса, утворюючи замкнутий потік. Гідромуфти характеризуються приблизною рівністю обертальних моментів на ведучому і веденому валах і надійно оберігають двигун машини від перевантажень. При використанні гідромуфт двигуни запускають без відімкнень трансмісії, тому що початковий обертальний момент дуже малий.

Обертальний момент (Нм) на ведучому валу

T=рD⁵₁²_, (1.64)

де - коефіцієнт обертального момента, р- щільність рідини кг/м³; D- максимальний діаметр робочої порожнини, м; ₁- кутова швидкість насосного колеса .

Для найпоширеніших конструкцій гідромуфт номінальний коефіцієнт обертального момента .

Недоліки гідромуфт: значне зменшення ККД при збільшенні ковзання, неможливість зміни обертального моменту двигуна залежно від навантажень. У звязку з цим гідромуфти доцільніше використовувати для машин і механізмів, у яких коливання навантаження значні, але перевантаження трапляється рідко.

Рис. 1.34. Гідродинамічні передачі:

1,4- ведучий і ведений вали;2,3- насосне і турбінне колеса; 5- реактор

Гідротрансформатор (рис. 1.34, б) складається з трьох робочих елементів - ведучого (насосного) колеса 2, закріпленого на ведучому валу 1; ведомого (турбінного) колеса 3, міцно насадженого на ведений вал 4, та нерухомого колеса (реактора) 5. Реактор сприймає різницю обертальних моментів насосного і турбінного коліс і забезпечує отримання реактивного моменту, який впливає на турбінне колесо. Таким чином, на ведений вал 4 діє два моменти - обертальний момент ведучого валу, що передається через потік рідини, і реактивний момент. При зменшенні частоти обертання турбінного колеса внаслідок збільшення зовнішнього навантаження автоматично підвищується реактивний, а, відповідно, і сумарний обертальний моменти на веденому валу. В трансмісіях потужних будівельних машин гідротрансформатори виконують роль безступеневих коробок передач, які плавно і автоматично змінюють передавальний обертальний момент. Їх застосування дозволяє вберегти двигуни і трансмісії машини від перевантажень, поліпшити експлуатаційні властивості машин, автоматизувати їх роботу і підвищити продуктивність.

Недоліки гідротрансформаторів: порівняно низький ККД (0,9...0,92); потрібен пристрій для охолодження мастила, яке ускладнює конструкцію машин; важко або неможливо змінити напрям руху, тому потрібні додаткові механічні пристрої.