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

а)

б)

в)

Рис. 1.11. Примеры конструкций фильтроэлементов: а) цилиндрический сетчатый; б) дисковый сетчатый; в) цилиндрический бумажный

На рис. 1.12 приведена конструкция фильтра, фильтроэлемент которого является наборным. Он состоит из дисковых сетчатых фильтроэлементов (2), установленных на трубчатый стержень (4), и располагается в стакане (3). Очищенная жидкость через прорези в трубчатом стержне (4), его внутренний канал и канал в крышке (5) поступает в гидросистему. Отфильтрованные примеси периодически удаляются через сливное отверстие, закрытое пробкой (1). Дисковые сетчатые фильтроэлементы после засорения могут подвергаться регенерации с целью многократного использования.

Цилиндрический бумажный фильтроэлемент (рис. 1.11,в) состоит из гофрированной бумажной фильтровальной перегородки (2) с сетчатым подслоем, шайб (1) и (4), прикрепленных к торцам перегородки, и проволочного каркаса (3), выполненного в виде винтовой пружины. Номинальная тонкость фильтрации таких фильтроэлементов – 6 мкм.

Бумажные фильтроэлементы получили широкое распространение благодаря их низкой стоимости по сравнению со стоимостью других элементов. К их недостаткам относится невысокая прочность бумажного фильтровального материала и возможность его разбухания. Указанные недостатки частично устраняются при пропитке бумаги спиртовым раствором бакелитового лака.

31

Рис. 1.12. Сетчатый фильтр с дисковым фильтроэлементом

На рис. 1.13,а показана конструкция фильтра ФП17 с бумажным фильтроэлементом.

Он состоит из стакана (1), корпуса (2) и крышки (3). Корпус имеет входное и выходное отверстия. В стакане размещен фильтроэлемент (7) с заглушками (6) и (8). В крышку фильтра вмонтированы обратный (5) и переливной (9) клапаны. В крышке также находится индикаторное устройство, предназначенное для сигнализации о засорении фильтроэлемента; оно состоит из золотника (10), пружины, стрелки и стекла (4). Герметичность соединения в фильтре обеспечивается с помощью уплотнительных колец.

Принцип работы фильтра следующий. При включении гидросистемы рабочая жидкость проходит через канал Б в корпус фильтра. Пройдя через фильтроэлемент, поток очищенной рабочей жидкости поступает в выходное отверстие через канал А, предварительно открыв обратный клапан (5). При увеличении перепада давлений на фильтроэлементе вследствие его засорения открывается переливной клапан (9), и часть общего потока рабочей жидкости, минуя фильтроэлемент, поступает в канал Г, перемещая вправо золотник (10) индикаторного устройства, и через отверстие Д и канал А идет на выход.

Фильтр для гидросистемы выбирается по величине расхода жидкости, требуемой тонкости фильтрации и давлению рабочей жидкости.

32

а)

б)

Рис. 1.13. Фильтр типа ФП17 с бумажным фильтроэлементом и предохранительным клапаном: а) конструкция; б) условное обозначение

Включение фильтров в гидросистему производится либо последовательно – через фильтр проходит весь поток рабочей жидкости, либо параллельно – через фильтр проходит только рабочая жидкость, направляемая к наиболее ответственным агрегатам.

В большинстве случаев в гидросистемах используют сочетание обеих схем фильтрации.

Варианты последовательной установки фильтров показаны на рис. 1.14.

а)

б)

в)

г)

Рис. 1.14. Варианты последовательной установки фильтров: а) во всасывающую гидролинию; б) в напорную гидролинию;

в) в сливную гидролинию; г) в гидролинию, где возможен реверс потока

33

Для фильтра Ф, включенного во всасывающую гидролинию насоса Н (рис. 1.14,а), характерна работа при низком давлении рабочей жидкости. Однако по мере загрязнения фильтра увеличивается сопротивление во всасывающей линии, и возрастает вероятность возникновения кавитации на входе самовсасывающего насоса. Обычно по этой схеме устанавливают только фильтры грубой очистки с малым рабочим перепадом давления, рассчитанные на большой расход жидкости и снабженные предохранительным клапаном и индикатором загрязненности.

Для фильтра Ф, включенного в напорную линию после насоса Н (рис. 1.14,б), характерна работа при высоком давлении рабочей жидкости. В связи с этим у корпуса фильтра необходимо существенно увеличить толщину стенок для обеспечения требуемой прочности. Соответственно, возрастает его масса. Недостатком такого варианта включения фильтра является то, что он не защищает насос от примесей, имеющихся в жидкости в гидробаке.

Установка фильтра Ф в сливной линии (рис. 1.14,в) хотя непосредственно и не предохраняет гидравлические агрегаты от загрязняющих частиц, имеет существенные преимущества. Во-первых, он не препятствует всасыванию, во-вторых, корпус фильтра не подвержен большому давлению жидкости и при этом защищает жидкость, находящуюся в гидробаке, от продуктов износа и окисления. Таким образом, если в гидробаке изначально была чистая жидкость, то в процессе работы гидросистемы количество примесей в ней не увеличивается. Однако и эта схема не лишена недостатка: по мере загрязнения фильтра возрастает давление жидкости в сливной гидролинии.

На рис. 1.14,г показана схема установки фильтра Ф в гидролинию, в которой возможен реверс потока жидкости. Обратные клапаны КО1...КО4 обеспечивают постоянное направление потока рабочей жидкости через фильтр, независимо от направления потока рабочей жидкости в гидролинии.

Расчет фильтров сводится к определению потребной площади фильтрующей поверхности, исходя из величины заданного расхода Q, качества фильтрации и допустимого перепада давлений ∆p на фильтроэлементе. Площадь фильтрующей поверхности приближенно определяется по формуле:

S = qQ∆p µ,

где Q – расход рабочей жидкости через фильтр, [м3/с]; ∆p – перепад давления на фильтроэлементе, [Па]; µ – динамическая вязкость жидкости, [Па·с];

q – удельная пропускная способность фильтрующего материала [м], представляющая собой пропускную способность единицы площади материала фильтра при перепаде давлений 1 Па и вязкости 1 Па·с.

34

Для наиболее часто применяемых материалов можно принимать следующие значения q: густая металлическая сетка – 0,005 м; сетка из хлопчатобумажной ткани – 0,009 м; мягкий густой войлок толщиной 10 мм

– 0,0015 м; пластинчатый фильтр с зазором 0,08 мм – 0,008 м.

1.6.2. Сепараторы

Сепараторы – это отделители твердых частиц, в которых очистка рабочей жидкости происходит под действием каких-либо сил. В зависимости от физической природы действующей на примеси силы сепараторы делятся на магнитные, центробежные, электростатические.

Вгидроприводах машин применяются, в основном, магнитные сепараторы, улавливающие мельчайшие ферромагнитные включения, которые появляются в рабочей жидкости в результате приработки трущихся поверхностей деталей гидравлических устройств. Промышленностью серийно выпускаются магнитные сепараторы типа ФМ с пропускной способностью от 0,1 до 7 л/с, качеством фильтрации до 5 мкм и перепадом давлений не более 0,025 МПа. Поскольку магнитные сепараторы могут отфильтровывать только частицы, обладающие магнитными свойствами, то в системах гидроприводов их обычно используют в сочетании с сетчатыми фильтрами. Простейшими магнитными сепараторами являются сливные пробки (6, 7) в гидробаке, если они изготовлены из магнитного материала

(см. рис. 1.10).

Вцентробежных сепараторах (центрифугах) рабочая жидкость очищается под действием центробежных сил. Принципиальная схема такого сепаратора представлена на рис. 1.15,а, где рабочая жидкость, подлежащая очистке, подается через полую ось в полость вращающегося ротора,

вкотором она раскручивается до некоторой угловой скорости, близкой к скорости вращения ротора. При этом грязевые примеси (частицы) с удельным весом, превышающим удельный вес жидкости, отбрасываются под действием центробежной силы к стенкам ротора и осаждаются на них.

а)

б)

Рис. 1.15. Сепараторы:

а) центробежный; б) электростатический

35

Основными параметрами, характеризующими центробежный сепаратор, являются: номинальный расход жидкости; рабочее давление; частота вращения ротора и номинальная тонкость фильтрации. Для центробежных сепараторов с приводящими двигателями максимальная частота вращения ротора составляет 500...1000 об/мин, с гидрореактивным приводом – 5000...8000 об/мин, а номинальная тонкость фильтрации – 10...30 мкм.

Электростатические сепараторы применяются для тонкой очистки жидкости от электризованных твердых частиц. Принцип действия их основан на том, что находящиеся в жидкости мельчайшие частицы (1) (рис. 1.15,б) при движении их в диэлектрической жидкости заряжаются статическим электрическим зарядом в результате электризации трением. Попадая в электростатическое поле, созданное электродами (3, 4), помещенными в корпус сепаратора (2), механические частицы притягиваются к тому или другому электроду в зависимости от знака электрического заряда частицы. Поскольку в момент соприкосновения заряженной частицы с электродом ее заряд нейтрализуется, и силы электрического притяжения теряются, необходимы меры по обеспечению удержания частиц на электроде. С этой целью на электродах устанавливаются пористые керамические (диэлектрические) пластины (5), которые препятствуют контакту притянутых частиц с электродами, а также смыванию их потоком жидкости.

1.6.3. Теплообменники

Теплообменники – это устройства, предназначенные для обеспечения заданной температуры рабочей жидкости.

Теплообменники по назначению делятся на нагреватели жидкости и охладители жидкости.

В гидравлических приводах машиностроения, как правило, требуется охлаждение рабочей жидкости, которая, нагреваясь в процессе работы, ухудшает свои свойства (вязкость). Это приводит к снижению КПД гидросистемы и ухудшению ее эксплуатационных характеристик.

Для гидросистем с давлением до 10 МПа температура рабочей жидкости (минеральных масел) не должна превышать 70…80°С, а для гидросистем с давлением более 20 МПа – 50°С. Тепловой расчет гидропривода ведется на основе баланса выделяемого и отводимого количества тепла.

Если выделение тепла в гидроприводе превышает естественную теплоотдачу при заданном перепаде температур, то в гидроприводе устанавливают охладитель, обеспечивающий принудительный отвод тепла. В гидросистемах мощностью свыше 10…15 кВт охладители обычно устанавливают в сливной гидролинии непосредственно перед гидробаком. Сопротивление охладителя потоку рабочей жидкости должно быть минимальным.

По конструкции охладитель представляет собой радиатор, обтекаемый хладагентом. На практике используют следующие охладители:

•воздушный (рис. 1.16,а) – охлаждается потоком воздуха;

•водяной (рис. 1.16,б) – охлаждается потоком холодной воды.

36

а)	б)

Рис. 1.16. Теплообменники (охладители): а) воздушный радиатор; б) водяной радиатор

Воздушный радиатор (рис. 1.16,а) выполняется в виде змеевика из трубы (2), к которой привариваются ребра (1). Нагретая жидкость, проходя через трубу (2), отдает тепло ребрам (1). Благодаря большой поверхности ребер радиатора и принудительному обдуву их воздухом обеспечивается интенсивная теплоотдача.

В стационарных установках для большей эффективности охлаждения рабочей жидкости применяют водяные радиаторы, в которых в качестве переносчика тепла служит вода.

Схема водяного радиатора приведена на рис. 1.16,б. В его корпусе (5) размещается змеевик в виде трубы (2) или пучок труб. Холодная вода или другая охлаждающая жидкость поступает в рубашку радиатора через штуцер (4), проходя по лабиринту, образованному перегородками (3), отбирает тепло у охлаждаемой жидкости, проходящей по трубе (2), и отводится из радиатора через штуцер (1).

Для улучшения теплоотдачи движение охлаждающей жидкости через радиатор (5) должно быть направлено навстречу движению рабочей жидкости по трубе (2).

Нагреватели устанавливаются в гидроприводах в случаях, когда его эксплуатация планируется в условиях низких (минусовых) температур для предотвращения льдообразования, связанного с замерзанием конденсата паров воды, выделившегося из воздуха, а также с замерзанием воды, находящейся в масле в растворенном и нерастворенном состоянии. Наличие воды в количестве 0,5% объема масла приводит к забиванию фильтров льдом (студенистой эмульсией) и потере их работоспособности. Нагреватели обычно монтируют у дна в гидробаке, а при необходимости, и в самой ниж-

37

ней по уровню точке гидросистемы для обеспечения конвективного разогрева жидкости. Их включают перед пуском гидросистемы.

На рис.1.17 приведены условные обозначения теплообменников на схемах.

а)	б)	в)

Рис. 1.17. Условные обозначения теплообменников: а) охладитель; б) нагреватель; в) охладитель-нагреватель

сжидкостным теплоносителем

1.7.Гидромашины, их общая классификация и основные параметры

Основными элементами практически всех гидросистем являются гидромашины.

Гидромашина – это устройство, создающее или использующее поток жидкой среды.

Посредством этого устройства происходит преобразование подводимой механической энергии в энергию потока жидкости или наоборот.

К гидромашинам относятся насосы и гидродвигатели.

Насосом называется гидромашина, преобразующая механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости.

Основными параметрами, характеризующими работу насоса, привод которого осуществляется от источника механической энергии вращательного движения, являются:

•напор насоса или давление, создаваемое насосом;

•подача насоса;

•частота вращения или угловая скорость вала насоса;

•мощность насоса (полезная и потребляемая);

•коэффициент полезного действия (КПД) насоса. Рассмотрим подробнее эти параметры.

Напор насоса Hн [м] – это приращение полной удельной механиче-

ской энергии жидкости в насосе, т. е.

		= (z			)+	p	2	− p		α V 2	−α V 2
H	н		2	− z				1	+	2 2	1 1	,	(1.5)
				1			ρg			2g

где индекс 1 характеризует параметр потока на входе в насос (в области всасывания), а индекс 2 – параметр на выходе насоса.

38

Для существующих конструкций насосов разность высот (z2 – z1) расположения центров тяжести входного и выходного проходных сечений ничтожно мала и ею в расчетах пренебрегают.

Разность скоростных напоров (третье слагаемое в формуле (1.5)) может иметь существенное значение только в низконапорных насосах при условии, что в их конструкции площади входного и выходного проходных сечений отличаются по величине.

Для подавляющего большинства насосов основной величиной, определяющей значение напора насоса, является разность пьезометрических высот (второе слагаемое в формуле (1.5)). Очень часто разность давлений на выходе и входе насоса называют давлением, создаваемым насосом, или просто давлением насоса pн [МПа], величину которого, с учетом вышесказанного, можно принять равной

pн = p2 − p1 = ρgHн .

(1.6)

Следует обратить внимание на то, что в паспорте насоса приводятся либо напор насоса Hн, либо давление, создаваемое насосом pн. При необходимости получить другой параметр следует воспользоваться формулой

(1.6).

Подача насоса Qн [м3/с] – объем жидкости, подаваемый насосом в напорный трубопровод в единицу времени.

Частота вращения вала насоса n [об/с], или [c-1] – в паспорте, как правило, оговаривается номинальное, максимальное и минимальное значение этого параметра.

Угловая скорость ω [рад/с] – в некоторых паспортах насосов угловая скорость приводится вместо частоты вращения вала насоса. Эти два параметра связаны между собой соотношением:

ω = 2πn.

Мощность насоса N [кВт] – это мощность, потребляемая насосом от привода. При известных моменте Mн [Н·м] на валу насоса и угловой скоро-

сти вращения ω этого вала мощность насоса равна
N = M нω.	(1.7)

Полезная мощность насоса Nп [кВт] – это мощность, сообщаемая насосом потоку жидкости. Полезная мощность насоса определяется по

формуле:
Nп = HнρgQн = pнQн.	(1.8)

Коэффициент полезного действия насоса ηн – это отношение полез-

ной мощности, развиваемой насосом, к потребляемой:

ηн =	Nп	=	HнρgQн	.	(1.9)
	N		M нω

Гидродвигатель – это гидромашина, преобразующая энергию потока рабочей жидкости в механическую работу.

39

Таким образом, гидродвигатель использует энергию потока рабочей жидкости с целью выполнения некоторой полезной работы.

Выходным звеном гидродвигателя называется его элемент, непосредственно совершающий полезную работу.

В зависимости от характера движения выходного звена различают гидродвигатели вращательного, поворотного и возвратно-поступатель-

ного движения.

Основными параметрами, характеризующими работу гидродвигателя, выходное звено которого совершает вращательное (гидромотор) или поворотное движение, являются:

•напор, потребляемый гидродвигателем, или перепад давления на гидродвигателе;

•расход, потребляемый гидродвигателем;

•частота вращения или угловая скорость вала гидродвигателя;

•момент, реализуемый на валу гидродвигателя;

•мощность гидродвигателя (полезная и потребляемая);

•коэффициент полезного действия (КПД) гидродвигателя. Рассмотрим эти величины подробнее.

Напор, потребляемый гидродвигателем Hгд [м] – это полная удель-

ная механическая энергия, отбираемая гидродвигателем у потока рабочей жидкости, то есть

		= (z			)+	p	− p	2		α V 2	−α V 2
H	гд		− z	2		1			+	1 1	2 2	,	(1.10)
		1					ρg				2g

где индекс 1 характеризует параметр потока на входе в гидродвигатель, а индекс 2 – параметр на выходе из гидродвигателя.

Для подавляющего большинства гидродвигателей основной величиной, определяющей значение напора Hгд, потребляемого гидродвигателем, является разность пьезометрических высот (второе слагаемое в формуле

(1.10)).

Очень часто разность давлений на входе и выходе гидродвигателя на-

зывают давлением, потребляемым гидродвигателем, или перепадом дав-

ления на гидродвигателе ∆pгд, величину которого можно рассчитать по

формуле:
∆pгд = p1 − p2 = ρgHгд .	(1.11)

Иногда, при гидравлическом расчете трубопровода, содержащего гидродвигатель, величина перепада давления ∆pгд на гидродвигателе называ-

ется также потерей давления в гидродвигателе.

Расход, потребляемый гидродвигателем Qгд [м3/с] – объем жидко-

сти, потребляемый гидродвигателем из напорного трубопровода в единицу времени.

Частота вращения выходного вала гидродвигателя n [об/с], или

[с-1] – в паспорте, как правило, оговаривается номинальное, максимальное и минимальное значение этого параметра. При выборе гидродвигателя

40