Гидропневмопривод. Теория и практика


Ю. Ю.Старчик А. В. Картыгин






ГИДРОПНЕВМОПРИВОД

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Учебное пособие









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 62-82
ББК 34.447
     С77





Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры эксплуатации судовых механических установок ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф. Ф. Ушакова» Туркин Владимир Антонович;
доктор технических наук, доцент кафедры технических дисциплин ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова» (Новороссийский филиал)
Ермоленко Георгий Юрьевич




     Старчик, Ю. Ю.
С77 Гидропневмопривод. Теория и практика : учебное пособие / Ю. Ю. Старчик, А. В. Картыгин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 196 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1020-5

          Дана общая характеристика гидропривода. Рассмотрены источники гидравлической энергии объемных гидроприводов. Приведена классификация гидроаппаратуры. Изложены особенности пневматического привода, его достоинства и недостатки.
          Для студентов технических вузов, в т. ч. обучающихся по специальностям 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства» и направлений подготовки 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». Может быть полезно мастерам и механикам предприятий, занимающихся эксплуатацией и ремонтом механического оборудования с гидравлическим приводом.

                                                                       УДК 62-82
                                                                       ББК 34.447












ISBN 978-5-9729-1020-5

          © Старчик Ю. Ю., Картыгин А.В., 2022
          © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                                 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ.........................................................6

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОПРИВОДА.............................7
  1.1. Структурная схема гидропривода. Преимущества и недостатки.7

2. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРОПРИВОДОВ...............................11
  2.1. Назначение...............................................11
  2.2. Требованиякрабочимжидкостям..............................11
  2.3. Применяемыежидкости......................................12
  2.4. Основные физические свойства и показатели рабочих жидкостей.13
  2.5. Восстановление свойств...................................22
  2.6. Маркировка рабочих жидкостей.............................23
  2.7. Выбор рабочих жидкостей..................................24

3. ИСТОЧНИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОБЪЕМНЫХ
ГИДРОПРИВОДОВ...................................................26
  3.1. Величины, характеризующие рабочий процесс объемных насосов..26
  3.2. Общие и отличительные свойства объемных насосов..........27
  3.3. Графики подач и скоростей поршневого насоса..............29
  3.4. Индикаторная диаграмма поршневого насоса.................31
  3.5. Высота всасывания поршневого насоса......................32
  3.6. Возвратно-поступательные насосы..........................33
  3.7. Особенности конструкций роторных насосов.................36
  3.8. Аксиально-поршневые насосы...............................36
  3.9. Радиально-поршневые насосы...............................40
  3.10. Пластинчатые (шиберные, лопастные) насосы...............43
  3.11. Шестеренные насосы......................................45
  3.12. Винтовые насосы.........................................49

4. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ.................51
  4.1. Определение и классификация..............................51
  4.2. Гидроцилиндры............................................51
  4.3. Поворотные гидродвигатели................................55
  4.4. Гидромоторы..............................................56

5. КОНДИЦИОНЕРЫ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ...............................60
  5.1. Общие сведения...........................................60
  5.2. Фильтры..................................................61
  5.3. Сепараторы...............................................64
  5.4. Теплообменники...........................................67
  5.5. Воздухоотделители........................................68


3

6. ГИДРОЕМКОСТИ..................................................70
  6.1. Гидробаки.................................................70
  6.2. Гидроаккумуляторы.........................................73

7. ГИДРОЛИНИИ И СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ АРМАТУРА..........................77
  7.1. Общие сведения............................................77
  7.2. Жесткие трубопроводы......................................77
  7.3. Гибкие трубопроводы.......................................82

8. ГИДРОАППАРАТУРА...............................................87
  8.1. Общие сведения. Классификация.............................87
  8.2. Золотники.................................................88
     8.2.1. Золотники с прямолинейным движением плунжера.........88
     8.2.2. Золотники с поворотным движением плунжера............90
     8.2.3. Золотники с плоским распределительным элементом......91
  8.3. Клапаны...................................................92
     8.3.1. Общие сведения.......................................92
     8.3.2. Конструктивные типы клапанов.........................92
     8.3.3. Обратные (невозвратные) клапаны......................98
     8.3.4. Предохранительные клапаны...........................100
     8.3.5. Переливные клапаны..................................101
     8.3.6. Гидрозамки..........................................102
     8.3.7. Редукционные клапаны................................104
     8.3.8. Клапаны последовательного включения и отключения....106
  8.4. Гидродроссели.............................................107
     8.4.1. Гидродроссели, построенные по принципу использования сопротивления трения.......................................107
     8.4.2. Гидродроссели, построенные по принципу использования местных сопротивлений......................................108
  8.5. Гидрораспределители......................................111
     8.5.1. Общие сведения......................................111
     8.5.2. Золотниковые распределители.........................114
     8.5.3. Крановые гидрораспределители........................120
     8.5.4. Клапанные гидрораспределители.......................120
     8.5.5. Устройство со струйной трубкой......................122
     8.5.6. Устройства типа сопло-заслонка......................123
  8.6. Гидравлический преобразователь давления (мультипликатор давления).....................................125
  8.7. Гидравлическое реле выдержки времени.....................126
  8.8. Реле давления............................................127
  8.9. Другие регулирующие гидравлические аппараты и устройства.128
  8.10. Логические элементы систем управления...................129

9. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.................................133
  9.1. Рычажные механизмы управления............................133


4

     9.1.1. Механизм управления основного типа с центральной рукояткой................................................133
     9.1.2. Механизм управления с одной или двумя боковыми рукоятками...............................................134
     9.1.3. Механизм управления с двумя независимыми педалями..136
  9.2. Блоки питания гидравлического управления...............136
  9.3. Уплотнительные устройства..............................137

10. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ....................................143
  10.1. Пневматический привод.................................143
  10.2. Особенности пневматического привода, достоинства и недостатки.144
  10.3. Основные закономерности расчета пневмосистем..........148
  10.4. Подготовка сжатого воздуха............................152
  10.5. Исполнительные пневматические устройства..............156

11. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ГИДРОСИСТЕМ.................................161
  11.1. Гидросистемы с регулируемым насосом и дросселем.......162
  11.2. Гидросистемы с двухступенчатым усилением..............164
  11.3. Гидросистемы непрерывного (колебательного) движения...165
  11.4. Электрогидравлические системы с регулируемым насосом...166
  11.5. Гидросистемы с двумя спаренными насосами..............167
  11.6. Питание одним насосом двух и более гидродвигателей....168

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ.............................171
  Задача 1....................................................171
  Задача2.....................................................172
  Задача 3....................................................173
  Задача4.....................................................175
  Задача 5....................................................178
  Задача 6....................................................180
  Задача?.....................................................183
  Задача 8....................................................186
  Задача 9....................................................188
  Задача10....................................................189
  Задача 11...................................................190

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................192

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................194

                ВВЕДЕНИЕ





   Гидравлическим приводом называют совокупность машин и гидроаппаратуры, служащих для передачи посредством жидкости механической энергии на расстояние по трубам с одновременным преобразованием одного вида движения в другой, осуществлением процесса реверсирования и выполнением функций систем регулирования.
   Из этого определения следует, что гидравлические приводы - это весьма сложные комплексы гидравлических машин и аппаратуры.
   По энергетическому признаку гидравлические приводы подразделяются на объемные и гидродинамические.
   Принцип действия объемных гидроприводов основан на законе Паскаля. Передача энергии в них осуществляется за счет потенциальной энергии давления при относительно малом значении кинетической энергии.
   Вся совокупность машин и гидроаппаратов, входящих в состав объемного гидропривода, может быть условно разделена на две группы: основное гидрооборудование и вспомогательное.
   Один из вариантов разделения может быть таким.
   К основному гидрооборудованию относятся: источники гидравлической энергии (насосы), исполнительные двигатели (гидроцилиндры, поворотные гидродвигатели, гидромоторы), кондиционеры рабочих жидкостей, гидроемкости, гидролинии, гидроаппаратура. Рабочие жидкости в гидроприводах также рассматриваются как конструктивные элементы.
   К вспомогательному гидрооборудованию относятся: устройства, предназначенные для подпитки системы рабочей жидкостью; приборы и устройства для измерения параметров рабочего процесса гидропривода; гасители гидравлических ударов; различного назначения ограничители; другие устройства и элементы, выполняющие вспомогательные функции.
   Современные системы гидроприводов подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин весьма разнообразны по назначению, конструктивному исполнению, мощности, быстродействию и другим показателям. В то же время, входящие в состав систем элементы в большинстве случаев унифицированы, что позволяет изучать их устройство и принцип действия в обобщенном виде на характерных примерах.

6

                1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОПРИВОДА





            1.1. Структурная схема гидропривода. Преимущества и недостатки


    Гидроприводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение исполнительных органов механизмов и машин посредством рабочей жидкости, находящейся под давлением, с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости движения выходного звена (гидродвигателя).
    Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объемные. В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости. В объемных гидроприводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости.
    Основные элементы объемного гидропривода представлены на рис. 1.1.


Рис. 1.1. Схемаобъемногогидропривода

    Насос преобразует механическую энергию приводящего двигателя в энергию потока рабочей жидкости (гидравлическую энергию), гидродвигатель преобразует гидравлическую энергию в механическую возвратнопоступательного действия (гидроцилиндры) или вращательного (гидромоторы).
    Гидропередача предназначена для доставки потока рабочей жидкости к гидродвигателю. В состав гидропередачи входят гидролинии и устройства управления.
    Гидролинии (трубы, рукава высокого давления, каналы и соединения) предназначены для прохождения рабочей жидкости по ним в процессе работы объемного гидропривода. В зависимости от своего назначения гидролинии, входящие в общую гидросистему, подразделяются на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и гидролинии управления.

7

    Устройства управления предназначены для управления потоком или другими устройствами гидропривода. При этом под управлением потоком понимается изменение или поддержание на определенном уровне давления и расхода в гидросистеме, а также изменение направления движения потока рабочей жидкости.
    К устройствам управления относятся:
      • гидрораспределители, служащие для изменения направления движения потока рабочей жидкости, обеспечения требуемой последовательности включения в работу гидродвигателей, реверсирования движения их выходных звеньев ит. д.;
      • регуляторы давления (предохранительный, редукционный, переливной и другие клапаны), предназначенные для регулирования давления рабочей жидкости в гидросистеме;
      • регуляторы расхода (делители и сумматоры потоков, дроссели и регуляторы потока, направляющие клапаны), с помощью которых управляют потоком рабочей жидкости;
      • гидравлические усилители, необходимые для управления работой насосов, гидродвигателей или других устройств управления посредством рабочей жидкости с одновременным усилением мощности сигнала управления.
    В состав некоторых объемных гидропередач входит гидроаккумулятор (гидроемкости, предназначенные для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением, с целью последующего ее использования для приведения в работу гидродвигателя). Кроме того, в состав гидропередач могут входить также гидропреобразователи - объемные гидромашины для преобразования энергии потока рабочей жидкости с одними значениями давления P и расхода Q в энергию другого потока с другими значениями P и Q.
    Вспомогательные устройства обеспечивают надежную работу всех элементов гидропривода. К ним относятся: кондиционеры рабочей жидкости (фильтры, теплообменные аппараты и др.); уплотнители, обеспечивающие герметизацию гидросистемы; гидравлические реле давления; гидроемкости (гидробаки и гидроаккумуляторы рабочей жидкости) и др.
    Состав вспомогательных устройств устанавливают исходя из назначения гидропривода и условий, в которых он эксплуатируется.
    Широкое распространение гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин. Вот основные из них.
      1. Бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена гидропередачи и обеспечение малых устойчивых скоростей. Минимальная угловая скорость вращения вала гидромотора может составлять 2...3 об/мин.

8

      2. Небольшие габариты и масса. Время разгона, благодаря меньшему моменту инерции вращающихся частей не превышает долей секунды в отличие от электродвигателей, у которых время разгона может составлять несколько секунд.
      3. Частое реверсирование движения выходного звена гидропередачи. Например, частота реверсирования вала гидромотора может быть доведена до 500, а штока поршня гидроцилиндра даже до 1000 реверсов в минуту. В этом отношении гидропривод уступает лишь пневматическим инструментам, у которых число реверсов может достигать 1500 в минуту.
      4. Большое быстродействие и наибольшая механическая и скоростная жесткость. Механическая жесткость - величина относительного позиционного изменения положения выходного звена под воздействием изменяющейся внешней нагрузки. Скоростная жесткость - относительное изменение скорости выходного звена при изменении приложенной к нему нагрузки.
      5. Автоматическая защита гидросистем от вредного воздействия перегрузок благодаря наличию предохранительных клапанов.
      6. Хорошие условия смазки трущихся деталей и элементов гидроаппаратов, что обеспечивает их надежность и долговечность. Так, например, при правильной эксплуатации насосов и гидромоторов срок их службы доведен в настоящее время до 5.. .10 тыс. ч работы под нагрузкой. Гидроаппаратура может не ремонтироваться в течение долгого времени (до 10.15 лет).
      7. Простота преобразования вращательного движения в возвратнопоступательное и возвратно-поворотные без применения каких-либо механических передач, подверженных износу.
    Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту автоматизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе.
    Гидроприводу присущи и недостатки, которые ограничивают его применение. Основные из них следующие.
      1. Изменение вязкости применяемых жидкостей от температуры, что приводит к изменению рабочих характеристик гидропривода и создает дополнительные трудности при эксплуатации гидроприводов (особенно при отрицательных температурах).
      2. Утечки жидкости из гидросистем, которые снижают КПД привода, вызывают неравномерность движения выходногозвена гидропередачи, затрудняют достижение устойчивой скорости движения рабочего органа при малых скоростях.
      3. Необходимость изготовления многих элементов гидропривода по высокому классу точности для достижения малых зазоров между

9

        подвижными и неподвижными деталями, что усложняет конструкцию и повышает стоимость их изготовления.
      4. Взрыво- и огнеопасность применяемых минеральных рабочих жидкостей.
      5. Невозможность передачи энергии на большие расстояния из-за больших потерь на преодоление гидравлических сопротивлений и резкое снижение при этом КПД гидросистемы.
    Со многими из этих недостатков можно бороться. Например, стабильность вязкости при изменении температуры достигается применением синтетических рабочих жидкостей. Окончательный выбор типа привода устанавливается при проектировании машин по результатам технико-экономических расчетов с учетом условий работы этих машин. Гидропривод, тем не менее, имеет преимущества по сравнению с другими типами приводов там, где требуется создание значительной мощности, быстродействие, позиционная точность исполнительных механизмов, компактность, малая масса, высокая надежность работы и разветвленность привода.




Контрольные вопросы
1. Перечислите основные элементы объемного гидропривода.
2. Дайте развернутую характеристику основных элементов объемного гидропривода.
3. Преимущества гидропривода.
4. Недостатки гидропривода.

                2. РАБОЧИЕЖИДКОСТИ ГИДРОПРИВОДОВ




            2.1. Назначение


    Рабочая жидкость в гидроприводе служит для передачи механической энергии по трубам от насоса к гидродвигателю. Кроме того, рабочая жидкость выполняет ряд важных функций, определяющих эксплуатационные свойства и технико-экономические показатели гидропривода: обеспечивает смазывание и охлаждение поверхностей трения, защищает детали от коррозии, способствует удалению продуктов износа системы.


            2.2. Требования к рабочим жидкостям


    К современным рабочим жидкостям предъявляется целый ряд требований. В зависимости от назначения гидросистемы и условий ее эксплуатации, используемые в ней рабочие жидкости в той или иной степени должны:
      1) обладать хорошими смазывающими и антикоррозионными свойствами;
      2) иметь высокий модуль объемной упругости;
      3) обладать малой способностью к растворению и выделению воздуха;
      4) обладать высокой вязкостно-температурной стабильностью;
      5) сопротивляться вспениванию;
      6) обладать достаточной химической стабильностью в процессе эксплуатации и хранения;
      7) иметь возможно меньший коэффициент теплового расширения;
      8) обладать хорошей теплопроводностью и большой удельной теплоемкостью;
      9) быть негигроскопичной;
     10) иметь высокую температуру кипения, высокую температуру вспышки (быть пожаро- и взрывобезопасными) и низкую температуру застывания;
     11) быть нетоксичной и не иметь неприятного запаха;
     12) иметь достаточную долговечность;
     13) не иметь механических примесей;
     14) не быть агрессивными к резиновым уплотнениям, изоляции электрооборудования и кабелей, тепловой изоляции, краске и тканям, применяемым на машинах с гидроприводом;
     15) иметь небольшую стоимость.

11

            2.3. Применяемые жидкости


    В качестве рабочих жидкостей применяются в основном различные минеральные масла и их смеси, спирто-глицериновые смеси, водо-масляные эмульсии, а также жидкости на основе различных органических и крем-нийорганических соединений.
    Нефтяные жидкости получают обычными методами переработки нефти. Они обладают рядом положительных качеств, наиболее важными из которых являются доступность получения и невысокая стоимость. Существенным недостатком их является то, что они имеют сравнительно низкую верхнюю границу температурного диапазона. Так, температурный предел работоспособности минеральных масел для закрытых систем ограничивается значением t = 120 °C.
    Для улучшения эксплуатационных свойств в состав рабочих жидкостей вводят всевозможные присадки.
    Особенно широко применяют загущенные минеральные масла, получаемые смешиванием маловязких нефтепродуктов с высоковязкими полимерными компонентами. Обычно в качестве загущающих присадок применяются: винипол, полиметакрилаты и полиизобутилены. Присадки способствуют сохранению химического состава масел при повышении температуры, повышают вязкостно-температурную стабильность, уменьшают пено-образование, улучшают противоизносовые и антикоррозионные свойства, снижают температуру застывания. Концентрации присадок в различных рабочих жидкостях составляют от 0,05 до 22 %.
    Синтетические - это жидкости, основу которых составляют продукты, полученные в результате химических реакций (диэфиры, силоксаны, фосфаты и др.). Как правило, они негорючие, стойкие к окислению, имеют низкую температуру застывания, обладают стабильностью вязкостных характеристик в течение длительного срока эксплуатации и в широком диапазоне температур.
    Однако, синтетические рабочие жидкости не универсальны, имеют высокую стоимость, ограниченные сырьевые ресурсы. Каждая из жидкостей имеет свои недостатки. Например, несовместимость с резиновыми уплотнениями, высокая текучесть, плохая смазывающая способность, токсичность и др.
    Смешивание различных синтетических жидкостей позволяет получать рабочие жидкости повышенного качества.
    Водополимерные растворы - рабочие жидкости, представляющие собой водный раствор различных полимеров (содержат до 35 % воды).
    Эмульсионные рабочие жидкости разделяют на водомасляные и масловодяные. Водомасляные эмульсии типа «масло в воде» представляют собой смесь воды и нефтяных жидкостей (до 20 %). Их применяют в гидроприво

12

дах, работающих в пожароопасной обстановке и в условиях необходимости использования большого количества рабочей жидкости.
    Недостатки: плохая смазывающая способность, малый диапазон рабочих температур (от 5 до55 °C).
    Масловодяные эмульсии типа «вода в масле» представляют собой смеси нефтяных жидкостей и воды (не больше 40 %).


            2.4. Основные физические свойства и показатели рабочих жидкостей


    Несмотря на большое разнообразие гидравлических жидкостей и присадок к ним, максимально удовлетворить эксплуатационные требования затруднительно. В связи с этим выбор необходимого типа и марки рабочей жидкости для технической эксплуатации осуществляется с учетом конструктивных особенностей гидропривода и конкретных условий функционирования оборудования. Такой практический подбор возможен на основе всестороннего учета следующих свойств жидкостей.
    Вязкость - это свойство жидкости оказывать сопротивление касательным (сдвигающим) усилиям, определяя тем самым внутреннее трение между слоями жидкости.
    Вязкость является важнейшим свойством жидкости, от которого зависят объемные и механические потери, возможность гидропривода работать в широком диапазоне изменения температур. Ее характеристиками приняты динамическая вязкость р и кинематическая вязкость v, связанные между собой зависимостью.
    Вязкость рабочих жидкостей на нефтяной основе не является постоянной величиной и зависит от температуры, давления и срока эксплуатации.
    С повышением температуры вязкость падает и при этом может изменяться в десятки раз. Например, у масла АМГ-10 при изменении температуры в диапазоне от -60 °C до +60 °C кинематическая вязкость меняется от 2000 до 8 сСт. Такое значительное изменение вязкости затрудняет эксплуатацию гидропривода.
    При чрезмерно высокой вязкости увеличивается сопротивление течению жидкости в системе, увеличиваются потери на трение, снижается КПД привода, может нарушиться сплошность потока и рабочие камеры насоса окажутся незаполненными, снизится подача, на лопастях возникнет кавитация и, как следствие, снизится ресурс насоса.
    Слишком низкая вязкость ведет к увеличению внутренних и внешних утечек в полостях насосов, устройств и в уплотнениях; создает потери мощности, устойчивости и количества рабочей жидкости. Кроме того, ухудшается смазка и увеличивается опасность появления задиров и заклинивания деталей с тяжелыми отказами.

13