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

упирающиеся в крестовины – 9, 11. Шарики выполняют функции затворов. Разъемы имеют присоединительные штуцеры – 8, 12.

Рис. 1.3. Быстроразъемное соединение гибких трубопроводов

При соединении парных гидроразъемов под действием усилия стыковки шарики соприкасаются и взаимно отжимаются от седел. В результате открываются рабочие проходные сечения, необходимые для прохождения рабочей жидкости. Герметичность соединения при стыковке обеспечивается уплотнительным кольцом – 4, а прижим и фиксация разъемов – накидной гайкой – 3. При расстыковке соединения сначала отвинчивают накидную гайку, а затем разъединяют разъемы. При этом шарики – 2, 6 под действием пружин прижимаются к седлам и препятствуют вытеканию рабочей жидкости.

Кроме резьбовых быстроразъемных соединений, в гидроприводах применяются цанговые быстроразъемные соединения.

Присоединение трубопроводов к вращающимся узлам гидропривода производится с помощью специальных шарнирных соединений, которые могут иметь одну, две и более степеней свободы,

На рис. 1.4 приведено шарнирное соединение с одной степенью свободы, часто применяемое в машиностроении. Угол поворота детали A не ограничен. Герметичность обеспечивается с помощью резиновых колец 2 с кожаными или фторопластовыми проставками 1. Рабочее давление для таких соединений допускается до 30 МПа.

Способы соединения внутренних гидролиний, например при торцевом соединении двух гидравлических агрегатов, приведены на рис. 1.5.

На рис 1.5, а показано соединение при помощи специальной втулки (пистона). Герметичность обеспечивается резиновыми уплотнительными кольцами по цилиндрическим поверхностям.

21

На рис. 1.5, б показано соединение, герметичность которого обеспечивается при уплотнении по торцевым поверхностям.

Рис. 1.4. Шарнирное соединение с одной степенью свободы

Рис. 1.5. Соединение внутренних гидролиний:

а) с использованием пистона; б) с торцевым уплотнением

1.4. Уплотнительные устройства

Уплотнительные устройства предназначены для обеспечения герметичности соединений гидравлических устройств с целью предотвращения или уменьшения утечек жидкости через зазоры в соединениях, а также защиты рабочей жидкости от попадания в нее твердых частиц, влаги и воздуха из внешней среды.

Уплотнительное устройство в общем случае состоит из рабочих элементов сопрягаемых деталей соединений (например, золотника и корпуса), уплотнителя и вспомогательных деталей.

Уплотнителем называется деталь уплотнительного устройства, находящаяся в контакте с сопрягаемыми деталями и препятствующая перетеканию рабочей жидкости через зазоры между этими деталями.

К вспомогательным деталям уплотнительного устройства относятся детали, обеспечивающие нормальную работу уплотнителя (защитные, нажимные и опорные кольца и др.).

22

Для предотвращения попадания в рабочую жидкость твердых частиц, влаги и воздуха из внешней среды предназначены грязесъемники и пыль-

ники.

Уплотнители разделяют:

•в зависимости от возможности относительного перемещения уп-

лотняемых поверхностей – на уплотнители неподвижных и подвижных соединений;

•по направлению действия упругой деформации – на аксиальные

(торцовые) и радиальные;

•по конструкции – на уплотнительные кольца, манжеты и прокладки;

•по материалу – на неметаллические (например, резиновые) и металлические.

Уплотнители подвижных соединений классифицируют на уплотнители вращательного, возвратно-поступательного и контактного соединений.

Номенклатуру показателей качества резиновых контактных уплотнителей устанавливает ГОСТ 4.17-80.

1.4.1. Обеспечение герметичности уплотнительными кольцами

В гидравлических устройствах используют резиновые уплотнительные кольца круглого, прямоугольного, овального и П-образного сечений. Наиболее широкое распространение в объемных гидроприводах получили уплотнительные кольца круглого сечения (ГОСТ 9833-73), которые предназначены для работы при давлении до 50 МПа в неподвижных соединениях и до 32 МПа в подвижных соединениях в средах нефтяных жидкостей и водных эмульсий. Скорость относительного перемещения деталей уплотнительных устройств до 0,5 м/с. Материал уплотнительных колец – резиновая маслостойкая смесь.

Рис. 1.6. Радиальные уплотнительные кольца круглого сечения: а) в свободном состоянии; б) после установки;

в) под давлением; г) с защитным кольцом

23

На рис. 1.6 показаны схемы монтажа радиальных уплотнительных колец круглого сечения. Для размещения уплотнительного кольца в изделии предусматривают место установки – кольцевую канавку определенных размеров. Глубину h канавки выбирают такой, чтобы кольцо было обжато по поперечному сечению на определенную величину. Канавку выполняют шириной b, приблизительно на 20...25 % большей диаметра d. Параметры шероховатости поверхностей сопрягаемых деталей выбирают исходя из назначения соединения: для неподвижного Ra ≤ 1,6 мкм, для подвижного

Ra ≤ 0,20 мкм.

На рис. 1.6,а показано уплотнительное кольцо, установленное в канавку сопрягаемой детали. При монтаже уплотнительного устройства (рис. 1.6,б) уплотнительное кольцо подвергается сжатию, при котором возникает механическое контактное напряжение σк.

Под действием высокого давления р0 жидкости уплотнительное кольцо находится в месте установки в состоянии дополнительного сжатия под действием контактного напряжения и давления жидкости (σк + p0) (рис. 1.6,в). При большом зазоре и некотором давлении р > р0 уплотнительное кольцо может выдавливаться в зазор и разрушаться. Для предотвращения разрушений устанавливают защитные кольца из более твердого материала (рис. 1.6,г). Защитные кольца устанавливают в неподвижных соединениях при р > 15 МПа, в подвижных – при р > 10 МПа.

Для исключения срезания колец при сборке изделий в конструкции деталей предусматривают заходные фаски под углом 30°. При сборке рекомендуется смазывать трущиеся поверхности уплотнений тонким слоем смазочного материала.

1.4.2. Обеспечение герметичности уплотнительными манжетами

Уплотнительная манжета – это радиальный уплотнитель в виде кольца, имеющий выступающие рабочие элементы, в результате изгиба и прижима которых к сопрягаемой поверхности обеспечивается необходимый контакт с ней.

Уплотнительные манжеты применяют для герметизации вращательных и возвратно-поступательных соединений.

На рис. 1.7 показана схема армированной уплотнительной манжеты, предназначенной для герметизации вращающихся валов гидромашин. Манжета состоит из корпуса 4, металлического каркаса 3, губки с рабочей кромкой и пружины 2.

24

Рис. 1.7. Резиновая армированная уплотнительная манжета для вращающихся валов

Металлический каркас придает корпусу манжеты определенную форму и жесткость. Нажимная (браслетная) пружина 2 предназначена для создания радиального усилия на губке манжеты и прижима ее рабочей кромки к валу 1 гидромашины. В манжетах с нажимной пружиной контактное напряжение легко регулировать подбором усилия пружин. При недостаточном контактном напряжении и большом радиальном биении вала увеличиваются утечки рабочей жидкости. При повышенном контактном напряжении развиваются процессы трения, изнашивания и старения резины в результате нагрева.

Типовые манжеты предназначены для работы в гидроприводах при избыточном давлении до 0,05 МПа, окружной скорости рабочей кромки манжеты до 20 м/с и температуре от – 50 до +90 °С в зависимости от группы резины. При их эксплуатации необходимо учитывать, что уплотнительная манжета обеспечивает герметичность только при одностороннем давлении жидкости.

Уплотнительные манжеты для герметизации пар возвратно-поступа- тельного движения имеют преимущество по сравнению с уплотнительными кольцами: меньшая ширина рабочей кромки обусловливает меньшую силу трения.

На рис. 1.8,а показан комплект шевронных резинотканевых уплотнителей для герметизации штоков и цилиндров гидравлических устройств, работающих при давлении рабочей жидкости до 63 МПа со скоростью воз- вратно-поступательного движения менее 3 м/с в среде нефтяных жидкостей и водных эмульсий при температуре от – 50 до +100 °С. В состав комплекта уплотнения входят шевронные манжеты 2 и 3, нажимное 1 и опорное 4 кольца. Число манжет, входящих в комплект уплотнения, зависит от диаметра штока и давления рабочей жидкости.

25

Рис. 1.8. Шевронные резинотканевые уплотнители: а) комплект уплотнителей; б) установка уплотнителей при герметизации штока.

На рис. 1.8,б представлена схема установки шевронных манжет 3 для герметизации штока 5 гидроцилиндра. Регулирование осевого сжатия манжет при монтаже обеспечивается ограничительными шайбами 6. Шевронные манжеты и кольца изготовляют из ткани, вулканизированной с двух сторон резиновой смесью.

Осевой размер места установки следует выполнять по максимальному размеру Н уплотнения. Толщина К ограничительных шайб до поджатия уплотнения и первоначальное поджатие δ уплотнения устанавливаются в зависимости от ширины и числа манжет.

На рис. 1.9,а показана конструкция резиновой уплотнительной манжеты (ГОСТ 14896—84*). Манжета предназначена для герметизации зазоров между цилиндрами и поршнями (плунжерами, штоками) в гидравлических устройствах с возвратно-поступательным движением выходного звена при скорости относительного перемещения не более 0,5 м/с, давлении жидкости 0,1...50 МПа, температуре от – 60 до + 200 °С.

Рис. 1.9. Резиновая уплотнительная манжета уменьшенного сечения: а) конструкция; б) установка при герметизации штока.

26

На рис. 1.9,б показана установка манжеты для герметизации штока. Уплотнительное устройство состоит из рабочих поверхностей штока 5, корпуса 1, уплотнительной манжеты 2, защитного кольца 3 из фторопласта и стальной крышки 4.

1.4.3. Обеспечение герметичности без упругих уплотнителей

Герметичность внутренних соединений типа клапан-седло (в клапанах и клапанных распределителях), корпус-боковые крышки (в шестеренных и пластинчатых насосах) обеспечивается тщательной механической обработкой сопрягаемых поверхностей и созданием их силового контакта.

Наружные каналы в корпусах гидравлических устройств герметизируют с помощью запрессовки в них гладких стальных цилиндрических заглушек с последующей чеканкой по диаметру заглушек.

Высокую степень герметичности обеспечивают сварка и пайка неразъемных соединений.

Герметичность подвижных внутренних соединений без упругих уплотнителей обеспечивают двумя способами:

•уменьшением зазоров в подвижных соединениях до минимума (3...5 мкм). Например, герметизация соединений таких пар, как золотниккорпус в распределителях с цилиндрическим золотником, поршень-цилиндр

впоршневых насосах и гидромоторах и т. д.;

•силовым контактом тщательно обработанных сопрягаемых поверхностей. Например, герметизация соединений таких пар, как пластинастаторное кольцо в пластинчатых насосах (поджим пластин обеспечивается давлением жидкости, подводимой в пазы ротора), блок цилиндровраспределительный диск в аксиально-поршневых насосах и гидромоторах

сторцовым распределением (блок цилиндров поджимается к распределительному диску силой пружины и давлением жидкости) и т.д.

1.5. Гидробаки

Гидробак служит для хранения, очистки и охлаждения рабочей жидкости, циркулирующей в гидроприводе.

Гидробаки, применяемые в машиностроительных гидроприводах, бывают открытые (с атмосферным давлением над жидкостью) и закрытые (с давлением над жидкостью, отличающимся от атмосферного).

На рис. 1.10 приведена типовая схема открытого гидробака.

27

Рис. 1.10. Типовая конструкция открытого гидробака

Корпус бака (1) закрыт крышкой (2), исключающей попадание в гидробак посторонних примесей. Через крышку (2) в бак входят трубы сливной (3) и всасывающей (5) гидролиний. Для заполнения бака жидкостью в его крышке установлена заливная пробка (4) с дренажным отверстием, обеспечивающим выравнивание давлений внутри и снаружи бака, а также отвод выделяющихся из жидкости газов и воздуха в атмосферу. Для предотвращения попадания в бак пыли дренажное отверстие снабжено воздушным фильтром. В корпусе бака установлены сливные пробки (6) и (7), расположение которых обеспечивает полное опорожнение бака. Для этого дно бака имеет уклон 5…10° в сторону пробки.

В гидробаке между сливной (3) и всасывающей (5) трубами расположена перегородка, удлиняющая путь, проходимый жидкостью. Это улучшает удаление из рабочей жидкости воздуха и повышает эффективность ее охлаждения. С этой же целью сливная труба (3) имеет срез под углом 45°, направленный в сторону стенки бака.

Основные конструктивные размеры бака выбираются из следующих соотношений: объем бака – V = (2…3)Q (Q – подача насоса в минуту); высота перегородки – H = 2/3L (L – минимально допустимый уровень жидкости в баке); глубина погружения сливной (3) и всасывающей (5) труб – h ≥ (2…3)d (d – диаметр проходного сечения трубы); срез всасывающей трубы должен отстоять от дна бака на расстояние m ≥ 2d.

Вгидробаке, как правило, имеется указатель уровня жидкости, например, мерное окно.

Вбольшинстве случаев гидробак имеет сварную конструкцию и изготавливается из листовой стали. После сварки внутренняя поверхность бака тщательно очищается и окрашивается маслостойкой нитроэмалью. В неко-

28

торых гидроприводах гидробак служит станиной для установки насосов и других гидроагрегатов. В связи с этим крышка бака, выполняющая функцию основания, должна быть достаточно прочной и жесткой. Насос следует устанавливать так, чтобы его высота над уровнем рабочей жидкости в баке не превышала 700 мм. Заливку рабочей жидкости в бак целесообразно производить через сетчатый фильтр грубой очистки, а сливную пробку (7) бака рекомендуется изготавливать из магнитного материала для улавливания продуктов износа стальных деталей. При проектировании бака следует руководствоваться ГОСТ 12448-80.

Закрытый гидробак с избыточным давлением применяют в некоторых гидроприводах для обеспечения лучшего заполнения рабочих камер насоса и исключения возникновения кавитации. Герметичный бак, представляющий собой сварной цилиндр, заполняют воздухом или инертным газом под давлением до 0,2 МПа. В гидросистемах прессов такие баки служат для заполнения рабочих цилиндров жидкостью при холостом ходе машины. Избыточное давление в них достигает 0,8…1,0 МПа.

1.6. Кондиционеры рабочей жидкости

Кондиционерами рабочей жидкости называются устройства, пред-

назначенные для получения необходимых качественных показателей и состояния рабочей жидкости.

В машиностроительных гидравлических приводах применяются два вида кондиционеров: отделители твердых частиц и теплообменники.

Отделитель твердых частиц – это устройство для отделения от рабочей жидкости твердых загрязняющих примесей. Загрязнения в жидкости могут появиться извне, в результате износа деталей гидромашин и гидроаппаратов, а также вследствие окисления как материалов, применяющихся для изготовления гидравлических устройств, так и компонентов самой жидкости.

Отделители твердых частиц характеризуются качеством (тонкостью) фильтрации, под которым понимают способность задерживать (отделять) из рабочей жидкости частицы соответствующих размеров. По качеству фильтрации отделители твердых частиц бывают грубой очистки, задерживающие частицы с условным диаметром до 100 мкм; нормальной очи-

стки – до 10 мкм; тонкой очистки – до 5 мкм и особо тонкой очистки –

до 1 мкм.

По принципу действия отделители твердых частиц делятся на фильт-

ры и сепараторы.

29

1.6.1. Фильтры

Фильтр – это отделитель твердых частиц, в котором очистка рабочей жидкости происходит при ее прохождении через фильтрующий элемент.

В зависимости от конструкции фильтрующего элемента фильтры бывают:

•щелевые – очистка происходит при прохождении рабочей жидкости через щели фильтрующего элемента. К ним относятся фильтры грубой очистки: пластинчатые с тонкостью фильтрации от 80 до 120 мкм и про-

волочные – 40…100 мкм;

•сетчатые – очистка происходит при прохождении рабочей жидкости через ячейки сетки, полученные в результате квадратного или саржевого плетения, из металлической (чаще никелевой) проволоки. Такие фильтры, как правило, используются как фильтры нормальной очистки;

•пористые – очистка происходит при прохождении рабочей жидкости через поры фильтрующего элемента. К ним относятся бумажные,

керамические и металлокерамические фильтры. Такие фильтры обеспечи-

вают тонкую и особо тонкую степень фильтрации.

На рис. 1.11 приведены примеры конструкций фильтроэлементов, получившие наибольшее распространение.

На рис. 1.11,а показана конструкция цилиндрического сетчатого фильтроэлемента, состоящего из перфорированного металлического каркаса (3), сетчатой гофрированной перегородки (1) и присоединительных шайб (2) и (4).

На рис. 1.11,б показан дисковый сетчатый фильтроэлемент, изготовленный из набора фильтрующих колец и фигурного диска. Фильтрующие кольца (5) и (6) устанавливают на опорный подслой (7), изготовленный из коррозионно-стойкой сетки, и на фигурный диск (2). Кольца (5), (6) и подслой (7) прочно соединяют внутренней обоймой (1). Наружная обойма (3) соединяет верхние и нижние кольца и фигурный диск. Для герметизации в обоймах установлены уплотнения (4) и (8). Рабочая жидкость через фильтрующие кольца (5) и (6) проходит к фигурному диску. Частицы загрязнения оседают на наружной поверхности кольца (5). Фигурный диск (2) играет роль каркаса для фильтрующих колец и опорных слоев.

30