Гидравлика и гидроприводы. Часть 2. Гидроприводы


МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
  АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА








Б.П. ТИХОНЕНКОВ


ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПРИВОДЫ

Часть 2. ГИДРОПРИВОДЫ









Издательство «АльтаирвМос Москва - 2005

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА








Б.П. ТИХОНЕНКОВ


ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПРИВОДЫ

Часть 2. ГИДРОПРИВОДЫ

Издательство «АльгаирвМосква
Москва - 2005

Тихоненков Борис Павлович

ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПРИВОДЫ

Часть 2. ГИДРОПРИВОДЫ





                министерство транспорта рф




АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА


Подписано в печать «4^* » 2005 Формат 60x904 6. Объем 4? п.л.
Заказ № 6^6 Тираж экз.

ТИХОНЕНКОВ Б.П.

ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПРИВОДЫ

Часть 2. ГИДРОПРИВОДЫ


Издательство «Альтаир»
Московской государственной академии водного транспорта 117105 г.Москва, Новоданиловская набережная , д.2

Издательство «Ачыаир>
Москва - 2005

УДК 62-82 (075.8)

Тихоненков БИ. Гидравлика и гидроприводы. Часть 2. Гидроприводы. Учебное пособие. М„ Издательство «Альтаир» МГАВТ. 2005. 40 с. 35 илл.

  Изложены основные понятия, термины, определения, применяемые в гидроприводе Описаны схемы, устройство, принцип действия гидропривода и его элементов. Рассмотрены способы регулирования скорости силового органа. Даны расчеты гидропривода. Изложены сведения о насосах, применяемых в гидроприводах.
  Для обучающихся по курсам «Гидравлика и гидроприводы», «Гидравлика, пневматика и гидроприводов, для студентов и инженерно-технических работников, водного транспорта.

   Рецензент: канд.техн.наук, профессор Белоусов А.Р.
   Печатается по решению Учебно-методического совета МГАВТ.















                                              МГАВ Т, 2005
                                      Автор Тихоненков Б.П., 2005


        1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ



      НАСОС - машина да» создания потока жидкой среды Различают динамические и объемные насосы. В динамических насосах (лопастные, центробежные, осевые и др) жидкая среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом насоса. В объемном насосе жидкость перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса.
   ОБЪЕМНЫЙ ГИДРО ДВИГ А ТЕЛЬ — машина, предназначенная для преобразования энергии потока рабочей среды в энергию движения выходного звена.
   Объемные насосы и гндродвигатели (объемные гидромашины) являются энергопреобразователями объемных гидравлических приводов, под которыми понимают совокупность устройств, .предназначенных для приведения в движение механизмов машин посредством жидкой рабочей среды под давлением.
   ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД определяется так же как гидравлическая система, включающая объемный насос и гидродвигатель с соответствующей аппаратурой (устройствами) управления. Эта система служит для передачи посредством жидкости энергии на расстояние, и преобразования ее в механическую работу на выходе системы с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости выходного звена гидродвигателя, а также преобразования одного вида движения в другой.
   ПОДАЧА или РАСХОД (Q) жидкости - объем жидкости, прошедший через данное сечение трубопровода (канала) в единицу времени.
   Q = V \ Г = FU,
   V - объем;
   Т - время;
   F - площадь сечения;
   U - скорость
   Применяют также термин «объемная гидропередача», под которым понимают часть объемною гидропривода, состоящую из объемного насоса, объемного гидродвигателя и соединяющих их гидролиний (трубопроводов).

   Рабочая среда - рабочая жидкость в объемном гидроприводе и рабочий газ в пневмоприводе.
   Объемная гидромашина, предназначенная для работы как в режиме объемного насоса, так и в режиме объемного гидромотора, называется НАСОС-МОТОРОМ Насосный а'регат с комплектующим оборудованием, смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса, называется НАСОСНОЙ УСТАНОВКОЙ (НУ).
   Всякая объемная гидромашина имеет рабочий орган, который состоит из нескольких сзаимодействующих деталей определенной геометрической формы, образующих полость изменяемого объема, заполняемую рабочей жидкостью во время нахождения ее во входной камере машины. При достижении полостью выходной камеры объем этой полости уменьшается и жидкость выталкивается (вытесняется) в выходную камеру. Для осуществления указанных функций в объемной машине имеется устройство, которое герметично замыкает (ограничивает) вытесняемый объем, а также вытеснитель, изменяющий этот объем в процессе рабочего хода. (Проиллюстрируйте это на примере поршневого, шестеренной» и др. насосов вытеснения).
   Детали, образующие полости изменяемого объема и отделяющие -входную полость от выходной, являются основными деталями всякой объемной гидромашины. Форма вытеснителей и способ замыкания вытесняемого объема определяет кинематику и конструктивный гип машины. Гидропередачи с такой объемной связью называются ОБЪЕМНЫМИ.
   Если жидкостным звеном установлены между соединяемыми им механическими звеньями силовые связи, то гидропередача называется ДИНАМИЧЕСКОЙ.
   Вытеснение жидкости из рабочих камер насоса и заполнение ею всасывающих камер происходит в результате уменьшения и соответственно увеличения геометрического объема этих камер, геометрически отделенных друг от друга. РАБОЧИМ ОРГАНОМ, непосредственно совершающим работу вытеснения, является в объемном насосе вытеснитель - поршень (плунжер), пластины, зубчатое колесо, диафрагма и т.д.
   ОБЪЕМНАЯ ГИДРОМАШИНА, рабочий процесс в которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры рабочей жидкостью и вытеснения ее из камеры.

   в гидравлически, приводах (системах) ..рнменяют преимущественно РОТОРНЫЕ НАСОСЫ, пол которыми понимают объемные насосы с вращательным или вращательным и возвратнщпосгупательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена насоса
   Реже применяют ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ НАСОСЫ - объемные насосы с прямолинейным возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена.
   Используются также РОТОРНО-ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ и РОТОРНОПОСТУПАТЕЛЬНЫЕ НАСОСЫ с вращательным движением и с вращательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов.
   ОБРАТИМАЯ ОБЪЕМНАЯ ГИДРОМАШИНА — машина, предназначенная для работы как в режиме объемного насоса, так и в режиме объемного гидро двигателя.
   А111 LAP АТЫ УПРАВЛЕНИЯ - устройства, предназначенные для управления параметрами гидросистемы (гидропривода). Насос и гидродвигагель связаны между собой и с аппаратами управления гидролинией.
   Вспомним прочие определения и термины из курса «Насосы». Подача, напор, давление на входе и на выходе из насоса, подпор, высота всасывания, мощность, КПД, режимная точка, характеристика насоса и др.
   Помимо объемного гидропривода различают также ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРИВОД (ПЕРЕДАЧУ), состоящий из гидродинамической передачи и устройства управления, а также вспомогательных аппаратов и гидролиний. Гидродинамическая передача соответственно состоит из лопастного (ЦБН) насоса и 1 идродвигателя (ТУРБИНЫ). Энергия от насоса к гурбинс передастся гидродинамическим взаимодействием потока жидкости и рабочих колес машин В этих передачах в основном используется кинетическая энергия жидкости (скоростной напор), тогда как а объемных гидропередачах а основном используется знергия давления.
   ГИДРОМАШННА - насос, турбина, иасосшурбииа - преобразуют механическую (злеирическую) энергию а гидравлическую и гидравлическую в механическую (электрическую).
   Гидродинамические приводы читаются а специальном курсе и здесь не

рассматриваются.

        2.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОПРИВОДЕ

   Гидравлический привод работает по принципу использования давления жидкости для передачи механической энергии и преобразования движения. Основной часгью этого привода является гидропередача. Гидропривод используется в грузоподъемных механизмах (ГПМ), транспортных, дорожных, землеройных машинах, гидропрессах, самосвалах, металлорежущих станках и др.
  Достоинства гидропривода, ввиду чего он широко йсйользуешя. Возможность бесступенчатсго регулирования скорости рабочего органа машины и плавность хода; простота конструкции; невзыскательность к условиям работы; надежность в эксплуатация; возможность применения телеуправления; большая быстрота срабатывания: относительно малый вес. Однако детали этого привода требуют высокой точности и чистоты обработки во избежание утечек масла (рабочей жидкости). Следствие утечек - понижение КПД и непостоянство передаточного отношения привода.


Рис. 2.1. Схема гидропривода поступательного движения

Рис. 2.2. Схема гидравлического пресса

     В гидроприводе рабочая жидкость насосом 2 (рис.2.1) подается из масляного бака 1 по маслопроводу через дроссель 3 и реверс 4 в правую полость цилиндра 5. Под давлением масла поршень движется влево, а вместе с ним и рабочий орган 6 (например, стол строгального станка). Из левой полости цилиндра масло через реверс по маслопроводу 7 сливается в бак. Для обратного движения поршня вместе с рабочим органом машины реверс вручную или автоматически поворачивается в положение, показанное пунктиром Для ре1улирования скорости поршня изменяется подача масла дросселем.
     Такой привод применяется также для гидравлического пресса (рис.2.2). Рабочая жидкость подается насосом 1 через реверс 3 в нижнюю полость цилиндра 5. Поршень 4 совершает холостой ход (вверх). Из верхней полости цилиндра жидкость сливается через реверс в бак. установленный внстри станины 6 При повороте реверса в положение, указанное пунктиром, рабочая жидкоегь поступает в верхнюю полость цилиндра, поршень совершает рабочий ход. Жидкость из нижней полости цилиндра сливается в бак. На время пауз в работе

пресса, если он не работает в паре с гидроакку.мулятором, или при перегрузке пресса рабочая жидкость от насоса идет через сливной клапан 2 в бак. Рабочее давление в современных гидропрессах достигает 300.10⁵ Н\м², а в отдельных случаях - 700.10⁵ Н\м². Рабочее усилие достигает 300 МН и больше.

Рис. 2.3. Схема гидропривода вращательного движения

     В гидроприводе вращательного движения (рис.2.3) масляный насрс 2, приводимый ог электродвигателя 1 забирает рабочую жидкость из бака 6 через фильтр 7 и подает ее по маслопроводу 3 в гидродвигатель 5 (обратимый насос) для вращения рабочего органа (например, шпинделя токарного или сверлильного станка) .Излишек масла сливается в бак по трубе 4. Величину давления в нагнетательном маслопроводе указывает манометр. В случае перегрузки открывается щгедохранигельный клапан 8, и масло сливается в бак. Регулировать частоту вращения гидродвигателя можно регулированием масляного насоса (объемное регулирование) или, при постоянной производительности насоса, изменением количества масла, проходящего через гидродвигатель 5 за один оборот (дроссельное регулирование).
     В качестве рабочей жидкости применяют масла индустриальное, гурбинное, цилиндровое и др. Характеристики их приводятся в справочниках.


3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА



   Из известных по курсу гидравлики трех видов механической энергии жидкости (Е = z + р\у + ir^g ) в рассматриваемых гидромашинах используется удельная энергия давления р\у, которая с помощью объемных гидравлических двигателей преобразовывается в механическую работу.
   Удельной энергией положения z в объемных гидропередачах пренебрегают, т.к. разности высот отдельных элементов гидросистемы несоизмеримо малы в сравнении с действующими в ней статическими давлениями жидкости. Пренебрегают и кинетической энергией u²\2g , хотя зга энергия исподьзуегсм часто в командных устройствах гидроприводов.
   Принцип денег вия объемных гидроприводов основан на высоком обьемном модуле упругости (или ничтожной сжимаемости) жидкости и на законе Паскаля. Последний гласит, что всякое изменение давления в какой-либо точке покоящейся капельной жидкости, не нарушающее ее равновесия, передается в другие точки без изменения. Эго иллюстрируется схемой на рйс.ЗЛл

“7

в)                           i)



    Она состоит из двух силовых цилиндров 1 и 3 с поршнями разной площади, нагруженных грузами, и ручного насоса 2, выходной канал которого связан с цилиндрами. 1хли площадь поршня цилиндра 1 равна 5 смх и поршня цилиндра 3 - 12 см², то веса удерживаемых ими грузов при давлении жидкости, развиваемой насосом, в 10 МПа (100 ат), соответственно будут G| = 5000 Н (500 Кг) и G? = 12000 Н (1200 Кг).
    Для схемы на рис.3.1, в , состоящей из двух цилиндров площадью F| , Fj, поршни которых нагружены грузами G|, Gz , эти параметры связаны соотношением Gj/Gz = FL/Fz.
    Для нахождения основных кинематических и силовых зависимостей гидропривода рассмотрим расчетную схему на рис.3.2, а.

   Цилиндры 4 и 5, заполненные жидкостью, соединены трубопроводом Поршень первого цилиндра надружен силой Р;, развиваемой внешним усилием R, приложенным к ручке 3, а поршень второго цилиндра (гидродвидатеяя) -внешней надрузкой в виде силы Рг

   При перемещении поршня 1 в направлении стрелки жидкость будст вытесняться из цилиндра 4 по соединительному трубопроводу в цилиндр 5, приводя его поршень 2 в движение. При этом давление р = Р|\ F| , создаваемое в цилиндре 1 силой Р| будет дейст вовать (по закону Паскаля) также и на поршень 2.
   Из этой схемы следует, что при полной гермегичносги и отсутствии деформации цилиндров, при несжимаемомти жидкости перемещения поршней 1 и 2 связаны зависимостью hjh-bjFj,
   где hi, h;, Fi, F₂ - перемещения и площади поршней 1 и 2.
   На основании данного уравнения и используя, что F = 7td²\4, можно составить

   H! = h,F,\F₂ = hₗdiW   Пренебрегая гидравлическим сопротивлением и трением поршней 1 и 2 при их движении и зная, что Р = pF, можно написать

   Pi = PlFjXF, - PidM¹ ■
   Соответств)тощим выбором плеч а и b можно повысить усилие Pi .
   На рис.3.2, б показана принципиальная схема гидропресса, соответствующая приведенной расчетной схеме, которая может служить также и схемой гидро дом крата. Для случая домкрата тело 10 - поднимаемый груз, для случая пресса - это неподвижная опора, связанная с фундаментом колоннами 8 (показаны штриховыми линиями), а тело 11 - прессуемый материал.
   С помощью ручного насоса 13, снабженного всасывающим 12 и напорным 14 клапанами, создается давление в цилиндре 6, которое действует на поршень 7 и вызывает усилие Р₂ вдоль поршня. Это усилие при R = 200 Н, а\ в = 1\9, d₂/di = Ю составляет

   Р₂ = R (а + Ь) /а . (da/d,)² = 200.10.100 = 200 кН.

   На рис.3.2, в представлена схема простейшей модели гидропривода, состоящего из регулируемого реверсивного насоса 16 и последовательно соединенного с ним гидроцилиндра (гидродвигателя) 15. Жидкость, подаваемая насосом 16 под давлением «р», поступает в гидродвигатель 15.


   Пренебрегая ,рением и силам» инерции движущихся частей, уравнения сил действующих на поршень тидродвитателя при устанояи.шемся движении, имеет вид


   Р = pF или р= P\F ,
   Где F = «(D² - d² )\4 .
   Уменьшение размеров гидродвигателя требует повышения р. Поэтому р достигает 70 МПа и выше. Однако повышение давления требует решения ряда проблем: усовершенствовании конструкции гидроагрегатов и технологии их изготовления, обеспечения срока службы, надежности. Поэтому выбор величины давления должен производиться с учетом этих и экономических соображений.
   ПОДАЧА жидкости. Важный параметр, величина которого определяет скорость «выходного звена» привода. Пренебрегая утечками и сжимаемостью жидкости, запишем, что подача насоса равна расходу жидкости в гидродвнгагеле, т.е. QH ⁼ Qi   Q₁ = Fh/t = Fv,
   Где h, t, v = h/t - путь, время, скорость штока гидро двигателя.
   МОЩНОСТЬ - произведение силы Р| , действующей на поршень 1, на скорость V| его движения. Т е. W = Pivₜ = pFi vi = pQ.






              4. СХЕМЫ ГИДРОПРИВОДОВ

   Всякий объемный гидропривод состоит из объемных насоса и тзшродтитгателя, распределительно-регулнрующей и предохранительной аппаратуры, связанных । ндрааличеекон мат истралью (1 ндро-тинней).
   Рассмотренная выше принципиальна. схема (рнс.3.2, а) содержит основные элементы, присущие всякому . идропршюду (передаче). насос (шишшф ) " гидродвитатсль (цилиндр 2). Однако да. превращения згой схемы в конерхк-тинную она должна быть снабжена насосом непрерывное деист». . дополнительными .ндроаширагами, которые ..озшхоши бы ущншлжп. ПОТОКОМ
в

жидкости, поступающей от насоса к гидродвигателю и предохранять систему от перегрузок. Соответственно во всяком гидроприводе есть три группы элементов: насос (источник гидравлической энергии), гидродвигатель (приемник гидравлической энергии или исполнительный механизм), распредели тельная и предохранительная гидроаппаратура.
    Проблема создания качественного насоса и обеспечения надежности его работы является основной проблемой в комплексе задач по гидроприводу. Обычно в гидроприводах машин применяют многокамерные роторные насосы той или иной конструкции, вращательного движения и гидродвигатели вращательного движения (гидромоторы), а также двигатели прямолинейного возвратно-поступательного движения (силовые цилиндры); реже используют гидро двигатели возвратно-поворотного движения (угол поворота менее 360°).
    На рис.4.1,а показана принципиальная схема гидропривода (гидросистемы) с гидродвигателем прямолинейного возвратно-поступательного движения. Привод состоит из насоса I с резервуаром 6 и гмдродвигателя (силового цилиндра) 2, соединенных трубопроводами, дросселя 4 и переливного клапана 5, ограничивающего повышение давления жидкости на выходе насоса (дроссельным регулированием). Реверсирование гидродвигателя (изменение направления движения штока силового цилиндра) осуществляется распредустройством (краном) 3.
    При положении распределителя 3 как показано в схеме на рис.4.1,а, жидкость от насоса 1 поступает в левую полость цилиндра 2, перемещая его поршень вправо. Жидкость, вытесняемая при этом поршнем из правой (нерабочей) полости цилиндра 2, по сливным трубопроводам и через распределитель 3 удаляется в резервуар 6. При установке (повороте) распределителя 3 в противоположное положение жидкость от насоса 1 будет поступать в правую полость цилиндра 2 и отводится в бак 6 из левой его полости. При повышении давления жидкости сверх установленной величины откроется клапан 5, и жидкость от насоса будет поступать через него в бак.
     На рис.4.1, б, в, представлены схемы гидропередач с гидродвигателем ⁷ вращательного движения с предохранительным клапаном 5 и баком 6
     Реверсирование гидродвигателя осуществляется либо с помощью распредустройства 3 (рис.4.1,6), либо изменением направления потока жидкости, подаваемой на юсом 1 (рис.4.1,в). Гидросистема в последнем случае снабжается обратными клапанами 8, которые отсоединяют нагнетательную линию ог бака 6 и

одновременно обеспечивают подпитку всасывающей полости насоса 1 в случае, если в последней в результате утечек жидкости образуется вакуум.
   Ре1улирование скорости гидродвигателя, те. движения поршня силового цилиндра 2 (на рис.4.1а) или вала гидромотора 7 (на рис.4.1,6), в передачах мощностью более 8 кВт осуществляется изменением подачи насоса 1, а в передачах меньших - посредством дросселя 4 (рис.4.1,6).
   В гидроприводах в качестве источников подачи применяют аксиально-поршневые и реже - радиально-поршневые насосы. Шестеренные и 1грочие шиберные насосы нашли применение в качестве вспомогательных насосов, а также в основных системах - при невысоких (до 100 ат) давлениях. В качестве основного насоса - в гидросистемах строительно-дорожных и сельхозмашинах и пр. и пр.