Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)

части, но наибольшую известность получили гидромуфты с поворотными лопатками. Следует отметить, что у гидромуфт с изменяемой формой проточной части отсутствует зона неустойчивой работы. Кроме того, такие конструкции позволяют значительно быстрее, по сравнению с муфтами переменного наполнения, осуществлять регулирование, так как не требуют времени на отвод или подвод жидкости. Однако гидромуфты с изменяемой проточной частью используются крайне редко, так как имеют весьма сложные конструкции.

Таким образом, основное отличие регулируемых гидромуфт от нерегулируемых заключается в том, что они позволяют (при одном и том же значении передаточного отношения i) получить различные величины крутящих моментов. Эти моменты на ведомом и ведущем валах гидромуфты в любое время одинаковы.

3.6. Основные разновидности гидротрансформаторов

Гидротрансформаторы получили распространение в технике, где наиболее часто применяются совместно с двигателями внутреннего сгорания в составе различных машин (автомобилей, тракторов, тепловозов и т.д.). Широкая область машиностроения, в которой используются гидротрансформаторы, привела к появлению весьма большого разнообразия их конструкций. Конструктивные схемы различных гидротрансформаторов приведены на рис. 3.9. На схемах буквами Н обозначены насосные колеса, буквами Т – турбинные и буквами Р – реактивные (реакторы).

Рис. 3.9. Разновидности гидротрансформаторов:

а, б) одноступенчатый с одним реактором; в) одноступенчатый с двумя реакторами; г) двухступенчатый с двумя реакторами; д) трехступенчатый с двумя реакторами

101

Главным конструктивным признаком гидротрансформатора, отличающего его от гидромуфты, является наличие хотя бы одного реактивного колеса. Следует отметить, что большинство конструкций гидротрансформаторов, кроме наружной торовидной поверхности, имеют также внутренний тор (рис. 3.9,а,б,в). Это обеспечивает более устойчивую циркуляцию рабочей жидкости. В конструкциях гидромуфт внутренний тор используются достаточно редко. В гидротрансформаторах с большим количеством рабочих колес классическая форма тора “деформируется” (рис. 3.9,г,д).

В большинстве конструкций современных гидротрансформаторов реактор устанавливается после насосного колеса, перед турбиной (рис. 3.9,б,в,г,д). Существуют гидротрансформаторы и с установкой реакторного колеса за турбинным колесом, перед насосным (рис. 3.9,а). Такие гидротрансформаторы позволяют обеспечить реверс колес, т.е. разное направление вращения насоса и турбины. Гидротрансформаторы могут иметь три и более рабочих колеса. Конструкции с несколькими насосными колесами практически не используются, но получили широкое применение гидротрансформаторы с несколькими турбинными и несколькими реактивными колесами.

По числу турбинных колес гидротрансформаторы подразделяются на одно-, двух- и трехступенчатые. Важным для характеристик гидротрансформатора является тип используемого турбинного колеса. Они могут быть центробежными (жидкость через турбину движется от оси вращения к периферии – колесо Т1 на рис. 3.9,г,д), центростремительными (жидкость через турбину движется от периферии к оси вращения – рис. 3.3,а, 3.9,б,в) и осевыми (направление жидкости через турбину практически параллельно оси вращения колеса – рис. 3.9,а).

Многоступенчатые гидротрансформаторы могут иметь два и более реактора, каждый из которых устанавливается перед своим турбинным колесом. Кроме того, комплексные гидротрансформаторы также могут иметь несколько реакторов, что позволяет существенно повышать их КПД. Следует заметить, что гидротрансформатор практически любого типа может быть комплексным, если его оборудовать муфтами свободного хода. И наоборот, любой комплексный гидротрансформатор может быть переоборудован в простой. На рис. 3.9,б,в конструктивные схемы представлены в комплексных вариантах, а на рис. 3.9,а,г,д – нет.

Как было показано ранее, комплексным гидротрансформатор делают для повышения его КПД в зоне больших передаточных отношений. Для этой же цели используют гидротрансформатор с блокировкой. В его конструкцию включают дополнительное устройство с принудительным включением, которое позволяет на определенном режиме заблокировать валы насосного и турбинного колес, т.е. объединить их в единый вал. В этом случае его КПД становится η = 0,95 ÷ 0,98.

Выбор гидротрансформатора определяется областью его использования и условиями эксплуатации. Так, в трансмиссиях легковых автомобилей наиболее часто используются одноступенчатые комплексные трансформаторы с одним реактором и турбинами центростремительного типа (3.9,б).

102

Такие гидротрансформаторы имеют величину коэффициента трансформа-

ции kmax = 2,5 ÷ 3,5 при i = 0 и максимальный КПД ηmax = 0,7 ÷ 0,85.

В том случае, когда необходимо повысить КПД гидротрансформатора, используют комплексные гидротрансформаторы с двумя реактивными колесами (рис. 3.9,в), которые последовательно “срываются” с муфт свободного хода в процессе изменения передаточного отношения i. Тогда провал характеристики η = f(i) в точке С (рис. 3.6) удается сгладить, и она изменяется по линии 0ВС′Е′Е. В точке С′срабатывает муфта холостого хода первого реактора, а точке Е′ - второго. Такие гидротрансформаторы применяются на автобусах и других автомобилях с повышенными требованиями к эксплуатационным показателям.

В большинстве конструкций современных автомобильных гидротрансформаторов крутящий момент приводит в движение вращающийся корпус (рис. 3.9,б,в), который жестко соединен с насосным колесом. При этом крутящий момент подводится к корпусу со стороны турбинного колеса. А ведомый вал гидротрансформатора, на котором установлено турбинное колесо, выходит из него со стороны насосного колеса. Гидротрансформаторы на автомобилях и других транспортных машинах обычно работают совместно с планетарной коробкой передач и называются гидромеханическими передачами.

Гидротрансформаторы разгонного типа применяются в трансмиссиях строительных и дорожных машин (экскаваторах, погрузчиках и др.). Их конструкции выполняются с большим количеством турбинных и реактивных колес (рис. 3.9,г,д). Характеристики таких гидротрансформаторов отличаются высокими преобразующими свойствами (kmax = 3,5 ÷ 8), а максимальные КПД достигаются при относительно небольших передаточных отношениях i = 0,55 ÷ 0,65.

Гидротрансформаторы применяются также в трансмиссиях тракторов. Назначение выпускаемых тракторов весьма разнообразно – от выполнения транспортных функций (универсальные тракторы) до строительных работ (бульдозеры). Поэтому в их трансмиссиях могут использоваться как комплексные двух- и трехколесные гидротрансформаторы (рис. 3.9,б,в), так и многоколесные (рис. 3.9,г,д).

Кроме отмеченных областей использования, гидротрансформаторы применяются на тепловозах, водных судах, бурильных установках и т. д. На тепловозах используются многоциркуляционные гидропередачи, в которых несколько гидропередач работают параллельно и являются единым устройством. На судовых установках также применяются сложные комбинированные гидропередачи. В состав этих установок, как правило, входит и гидротрансформатор обратного хода (рис. 3.9,а) для обеспечения реверса гребного винта. В бурильных установках используются гидротрансформаторы с поворотными лопатками.

Таким образом, гидротрансформаторы нашли достаточно широко применение в современном машиностроении.

103

Глава 4 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПРИВОДАХ

4.1. Принцип действия объемного гидропривода. Основные понятия

Объемный гидропривод (ГОСТ 17752-81) – это гидропривод, в котором используются объемные гидромашины.

Принцип действия объемного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на свойстве жидкости передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.

Рассмотрим работу простейшего объемного гидропривода, принципиальная схема которого приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Принципиальная схема простейшего объемного гидропривода

Простейший объемный гидропривод состоит из двух гидроцилиндров 1 и 2, расположенных вертикально. Нижние полости в них заполнены жидкостью и соединены трубопроводом.

Пусть поршень гидроцилиндра 1, имеющий площадь S1, под действием внешней силы F1 перемещается вниз с некоторой скоростью V1. При этом в жидкости создается давление p = F1/S1 . Если пренебречь потерями давления на движение жидкости в трубопроводе, то это давление передается жидкостью по закону Паскаля в гидроцилиндр 2 и на его поршне, имеющем площадь S2, создает силу, преодолевающую внешнюю нагрузку

F2 = p S2 .

Считая жидкость несжимаемой, можно утверждать, что количество жидкости, вытесняемое поршнем гидроцилиндра 1 в единицу времени (расход Q = V1 S1), поступает по трубопроводу в гидроцилиндр 2, поршень которой перемещается со скоростью V2 = Q/S2, направленной вертикально вверх (против внешней нагрузки F2).

Таким образом, если пренебречь потерями энергии в элементах гидропривода, то можно проследить следующее. Механическая мощность N1 = F1·V1, затрачиваемая внешним источником на перемещение поршня гидроцилиндра 1, воспринимается жидкостью, передается ею по трубопроводу и в гидроцилиндре 2 совершает полезную работу в единицу времени

104

против внешней силы F2 со скоростью V2 (реализуется мощность N2 = F2·V2). Этот процесс можно представить в виде следующего уравнения мощности:

N1 = F1V1 = pS1V1 = pQ = pS2V2 = F2V2 = N2 .

Таким образом, гидроцилиндр 1 в рассмотренном случае работает в режиме насоса, т.е. преобразует механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости, а гидроцилиндр 2 совершает обратное действие, а именно: преобразует энергию потока жидкости в механическую работу, т. е. выполняет функцию гидродвигателя.

По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа.

Насосный гидропривод: источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. При анализе работы такого гидропривода в это понятие также включают и приводящий насосдвигатель. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидро-

приводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидко-

сти (рис. 4.2) (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, откуда всасывается насосом) и гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости

(рис. 4.3) (жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гидролинию насоса).

Аккумуляторный гидропривод: источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумулятор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например, гидропривод рулей ракеты).

Магистральный гидропривод: рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с определенным располагаемым напором (энергией).

Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы:

•поступательного движения (рис. 4.2, а). В них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель возвратнопоступательного движения (гидроцилиндр);

•поворотного движения (рис. 4.2, б). В них выходное звено совершает ограниченное по величине возвратно-поворотное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель поворотного движения (поворотный гидромотор);

•вращательного движения (рис. 4.2, в). В них выходное звено совершает вращательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель вращательного движения (гидромотор).

105

Если в гидроприводе имеется возможность изменять только направление движения выходного звена, то такой гидропривод называется нере-

гулируемым.

Если же в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена извне по заданному закону, как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым.

На практике используют два основных способа регулирования величины скорости движения выходного звена объемного гидропривода:

•дроссельное регулирование. Регулирование скорости осуществляется регулирующим гидроаппаратом за счет изменения количества рабочей жидкости, поступающей в гидродвигатель. При этом часть потока рабочей жидкости, поступающей от насоса, отводится на слив, минуя гидродвигатель;

•объемное (машинное) регулирование. Регулирование скорости

осуществляется регулируемым насосом или регулируемым гидромотором, или обеими объемными гидромашинами с регулируемым рабочим объемом.

Если в объемном гидроприводе регулирование скорости выходного звена происходит одновременно двумя вышеперечисленными способами, то такой способ регулирования называется объемно-дроссельным, или ма-

шинно-дроссельным.

В некоторых случаях в насосном гидроприводе скорость движения выходного звена регулируется за счет изменения частоты вращения приводящего двигателя (электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и т.п.). Такой гидропривод называется гидроприводом с управлением приводящим двигателем.

Регулирование гидропривода может быть ручным, автоматическим и программным.

Объемный гидропривод, в котором в определенном диапазоне изменения внешних воздействий скорость движения выходного звена путем регулирования поддерживается постоянной, называется стабилизированным.

Объемный гидропривод, в котором перемещение выходного звена находится в строгом соответствии с величиной управляющего сигнала, назы-

вается следящим гидроприводом.

Примерами гидроприводов различного назначения являются гидроприводы, схемы которых представлены на рис. 4.2 и 4.3.

На рис. 4.2 приведены три принципиальные схемы, соответствующие трем классам гидроприводов, которые различаются характером движения выходного звена. На схемах использованы следующие обозначения: 1 – регулируемый насос, 2 – гидродвигатель (на схеме а им является гидроцилиндр, на схеме б – поворотный гидродвигатель и на схеме в – гидромотор), 3 – гидрораспределитель (на схеме а – двухпозиционный с управлением от кулачка и с пружинным возвратом, на схеме б – трехпозиционный с управлением от электромагнитов и на схеме в – трехпозиционный с ручным управлением), 4 – предохранительный гидроклапан, 5 – гидробак.

106

Насос всасывает жидкость из бака и нагнетает ее в гидродвигатель через гидрораспределитель. Из гидродвигателя жидкость сливается в гидробак через другой канал гидрораспределителя. Предохранительный гидроклапан отрегулирован на предельно допустимое давление в гидросистеме и предохраняет гидропривод с приводящим двигателем от перегрузок.

Для улучшения условий всасывания жидкости из бака и предотвращения кавитации в насосе в гидроприводе вращательного движения (рис. 4.2, в) применен гидробак с наддувом, т.е. с повышенным давлением газа над поверхностью жидкости. При необходимости, это обычно обеспечивается при помощи специального компрессора.

а)

б)

в)

Рис. 4.2. Принципиальные схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией: а) возвратно-поступательного движения;

б) поворотного движения; в) вращательного движения

Изменение направления движения выходного звена гидродвигателя (реверсирование) осуществляется изменением позиции гидрораспределителя, а регулирование скорости этого движения – увеличением или уменьшением рабочего объема насоса.

На рис. 4.2 показаны принципиальные схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией жидкости. Разрыв циркуляции происходит в баке, при этом исключается возможность реверсирования гидродвигателей путем изменения направления подачи насоса (реверса подачи). В таких гидроприводах для реверсирования гидродвигателя обязательно использовать гидрораспределители.

На рис. 4.3 показана схема гидропривода вращательного движения с замкнутой циркуляцией жидкости.

107

Рис. 4.3. Принципиальная схема гидропривода с замкнутой циркуляцией

На схеме изображены регулируемый насос 1 с реверсом подачи; регулируемый гидромотор 2 с реверсом вращения; предохранительные гидроклапаны 3, защищающие гидролинии и от чрезмерно высоких давлений (каждая из них может оказаться напорной); система подпитки, состоящая из вспомогательного насоса 4, переливного клапана 5 и двух обратных клапанов 6. Система подпитки предохраняет гидролинии и от чрезмерно низких давлений (система подпитки прежде всего служит для исключения возможности возникновения кавитации на входе в насосе).

На основании анализа приведенных принципиальных схем объемных гидроприводов, а также принимая во внимание задачи, которые необходимо решать по управлению гидроприводом и обеспечению его работоспособности, можно заключить, что реальный объемный гидропривод обязательно должен включать в себя следующие элементы (количество перечисленных ниже элементов в составе гидропривода не ограничивается):

•энергопреобразователи – это устройства, обеспечивающие преобразование механической энергии в гидроприводе. К ним относятся: гидромашины (насосы и гидродвигатели), гидроаккумуляторы и гидропреобразователи. Эти устройства рассматриваются в главе 5;

•гидросеть – это совокупность устройств, обеспечивающих гидравлическую связь элементов гидропривода. К ним относятся: гидробаки, рабочая жидкость, гидролинии, гидравлическая соединительная арматура. Эти элементы уже рассмотрены в главе 1;

•кондиционеры рабочей среды – это устройства, предназначенные для поддержания заданных качественных показателей и состояния рабочей жидкости (чистота, температура и т.п.). К ним относятся: фильтры, сепараторы, теплообменники и воздухоспускные устройства (частично к этому классу устройств относятся и гидробаки,

108

где также происходит очистка и охлаждение рабочей жидкости). Примеры этих устройств рассмотрены в главе 1;

•гидроаппараты – это устройства, предназначенные для изменения или поддержания заданных значений параметров потока рабочей жидкости (давления, расхода, направления движения). Их еще называют элементами управления объемных гидроприводов. К ним относятся: гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители. Эти устройства и примеры их комбинаций рассматриваются в главе 6.

4.2.Основные преимущества и недостатки объемных гидроприводов

Регулируемые объемные гидроприводы широко используются в качестве приводов станков, прокатных станов, прессового и литейного оборудования, дорожных и строительных машин, транспортных и сельскохозяйственных машин и т.п. Такое широкое их применение объясняется рядом преимуществ этого типа привода по сравнению с механическими и электрическими приводами. К ним относятся:

•Высокая удельная мощность гидропривода, т.е. передаваемая мощность, приходящаяся на единицу суммарного веса элементов. Этот параметр у гидравлических и пневматических приводов в 3…5 раз выше, чем у электрических, причем это преимущество возрастает с ростом передаваемой мощности.

•Относительно просто обеспечивается возможность бесступенчатого регулирования скорости перемещения выходного звена гидропривода в широком диапазоне.

•Высокое быстродействие гидропривода. Операции пуска, реверса

иостановка выполняются гидроприводом значительно быстрее, чем другими приводами. Это обусловлено малым моментом инерции исполнительного органа гидродвигателя (момент инерции вращающихся частей гидромотора в 5…10 раз меньше соответствующего момента инерции электродвигателя).

•Высокий коэффициент усиления гидроусилителей по мощности, величина которого достигает до ~105, что позволяет управлять значительными мощностями на выходном звене гидродвигателя малыми мощностями управляющего сигнала.

•Сравнительная простота осуществления технологической операции при заданном силовом режиме, а также возможность простого

инадежного предохранения приводящего двигателя и элементов гидропривода от перегрузок.

•Простота преобразования вращательного движения в возвратнопоступательное.

•Свобода компоновки агрегатов гидропривода.

Наряду с отмеченными достоинствами гидропривода при его проектировании или решении вопроса о целесообразности его использования

109

следует помнить также и о недостатках, присущих этому типу привода. Все они обусловлены свойствами рабочей среды (капельная жидкость). К ним относятся:

•Сравнительно невысокий КПД гидропривода и большие потери энергии при ее передаче на большие расстояния.

•Зависимость характеристик гидропривода от условий эксплуатации (температура, давление). От температуры зависят вязкость и текучесть рабочей жидкости, а низкая величина давления может стать причиной возникновения кавитации в гидросистеме или выделения из жидкости растворенного газа.

•Чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и необходимость в достаточно высокой культуре обслуживания. Загрязнение рабочей жидкости абразивными частицами приводит к быстрому износу элементов прецизионных пар в гидравлических агрегатах и выходу их из строя.

•Снижение КПД и ухудшение характеристик гидропривода по мере выработки им или его элементами эксплуатационного ресурса.

Прежде всего, происходит износ элементов прецизионных пар, что приводит к увеличению зазоров в них и возрастанию утечек жидкости, т.е. снижению объемного КПД.

Таким образом, гидравлические приводы имеют неоспоримые преимущества по сравнению с другими типами приводов, но также имеют и существенные недостатки. В связи с этим максимальной эффективности от использования этого типа привода можно добиться при условии, если люди, участвующие в проектировании, создании и эксплуатации гидропривода знают его особенности.

Следовательно, задачами конструктора при проектировании гидропривода являются оптимизация его схемы, обеспечивающей выполнение им функциональных требований, и обоснованный выбор элементов гидропривода.

Задачами технолога при изготовлении элементов гидропривода являются обеспечение требуемого высокого качества изготовления, так как это оказывает колоссальное влияние на эксплуатационные характеристики гидропривода. Так, например, в прецизионных парах современных гидравлических агрегатов величины зазоров составляют 5 мкм и менее. Обеспечить такую точность достаточно сложно.

Задачами обслуживающего персонала во время эксплуатации гидро-

привода являются выполнение технических условий и требований по его эксплуатации, заключающиеся в выполнении правил монтажа гидропривода, в регулярной смене фильтрующих элементов и замене рабочей жидкости, а также, при необходимости, ее доливки. Выполнение этих требований позволяет значительно продлить срок службы как отдельных элементов гидропривода, так и всего гидропривода в целом.

110