Гидравлические системы современных мобильных машин

С. В. Беляев







        ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
        СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ МАШИН




Учебное пособие























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 62-82
ББК 31.56 Б44


Рецензенты:
директор ГОУ «Шуйско-Виданская лесотехническая школа» В. Г.Евцихевич; кандидат технических наук, доцент ПетрГУ Г. Ю. Гольштейн






     Беляев, С. В.
Б44 Гидравлические системы современных мобильных машин : учебное пособие / С. В. Беляев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -116 с.: ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1318-3

           Дана характеристика гидросистем, применяемых в современных отечественных и зарубежных мобильных машинах. Рассмотрены принципы работы гидросистем с пропорциональным управлением и гидросистем, чувствительных к нагрузке. Приведена обзорная информация по схемам и конструкциям современной распределительно-регулирующей аппаратуры, выпускаемой ведущими зарубежными фирмами.
           Для студентов-механиков лесоинженерных специальностей.

УДК 62-82
ББК 31.56












ISBN 978-5-9729-1318-3

     © Беляев С. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                СОДЕРЖАНИЕ





ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
1. КРАТКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТИПОВ ГИДРОСИСТЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ МАШИНАХ......................6
  1.1. Виды гидросистем.......................................6
  1.2. Гидросистемы постоянного расхода (СПР).................7
  1.3. Гидросистемы постоянного давления (СПД)...............11
  1.4. Гидросистемы, чувствительные к нагрузке (СЧН) (Load sensing system, LS)..................................12
2. ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ ГИДРОСИСТЕМЫ СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ МАШИН..............................................16
  2.1. Гидросистемы с пропорциональным управлением...........16
  2.2. Пропорциональные гидроклапаны.........................22
  2.3. Пропорциональные электромагниты.......................23
  2.4. Усилители.............................................26
  2.5. Пропорциональные клапаны регулирования давления.......29
   2.5.1. Переливной клапан с элементом типа сопло...........29
   2.5.2. Усилитель управления...............................31
   2.5.3. Переливной клапан с обратной связью................32
   2.5.4. Переливной клапан тарельчатого типа................33
   2.5.5. Применение гидроклапана с элементом типа сопло.....34
   2.5.6. Применение клапана с обратной связью...............35
   2.5.7. Применение тарельчатого клапана....................36
  2.6. Пропорциональные клапаны управления потоком...........36
   2.6.1. Дроссель прямого управления........................37
   2.6.2. Дроссель с пилотным (непрямым) управлением.........38
   2.6.3. Компенсациядавления................................39
   2.6.4. Пропорциональные распределители без обратной связи.40
   2.6.5. Распределители с обратной связью...................41
  2.7. Пропорциональные распределители с пилотным управлением и с обратной связью........................................42
3. РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
СИСТЕМ...........................................................51
  3.1. Назначение и основные характеристики..................51
  3.2. Основные типы и схемы гидрораспределителей (Monsun-Tison).52
  3.3. Некоторые типы гидрораспределителей для современных мобильных машин (Mannesmann Rexroth).................................59
  3.4. Применение гидрораспределителей в мобильных машинах...64
4. ДИСТАНЦИОННОЕ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОПРИВОДОМ................................................67

3

5. ПРИМЕР СОВРЕМЕННОЙ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ (форвардер 810 FMG Timberjack)......................76
 5.1. Основные технические характеристики...........76
 5.2. Гидросистема манипулятора и основных механизмов форвардера.77
 5.3. Гидротрансмиссия форвардера...................81
 5.4. Применение в гидросистемах электронных и электрических устройств.... 83
6. О ВЕЛИЧИНЕ ДАВЛЕНИЯ В ГИДРОСИСТЕМАХ СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ........................85
7. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ТИПОВЫХ ГИДРОСИСТЕМ.........88
ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................97
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................107
ЛИТЕРАТУРА.........................................112

4

                ВВЕДЕНИЕ





     В последние годы все более высокие требования предъявляются к гидросистемам современных мобильных машин, используемых в лесной промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и т. д. Широко внедряются микропроцессорные и электронные системы управления.
     Нет сомнения, что гидросистемы с гидравлическим и электрогидравли-ческим пропорциональным управлением будут находить все более широкое применение в технике. Сегодня уже известны примеры эффективного внедрения пропорциональной гидравлики для управления различными машинами и технологическим оборудованием в России.
     Поступающая из-за рубежа современная мобильная техника, как правило, имеет гидросистемы высокой степени сложности, в которых реализованы последние научно-технические решения.
     Практически все гидросистемы современных зарубежных мобильных машин - это гидросистемы, чувствительные к нагрузке (load sensing system, LS), с электрогидравлическим пропорциональным управлением. Вот почему в учебном пособии уделяется большое внимание именно этим системам, недостаток информации по которым наблюдается в последнее время. При подготовке данного пособия были использованы проспекты и каталоги известных в мире своими достижениями в области гидравлики мобильных машин фирм: «Vickers» (США), «Mannesmann Rexroth» (Германия), «Monsun-Tison» (Швеция), «Danfoss» (Дания), «FMG Timberjack», «Loglift» (Финляндия).
     Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих гидропривод мобильных машин.
     Также приведенная научно-техническая информация может быть полезна для специалистов, работающих в области проектирования и эксплуатации гидросистем современной техники.
     При переводе с английского языка отдельной информации сохранены некоторые символы, обозначения и терминология, принятые за рубежом.

5

                1.         КРАТКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ типов ГИДРОСИСТЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ МАШИНАХ




        1.1. Виды гидросистем

     Все возрастающие требования к регулирующим характеристикам, экономичной работе и надежности мобильных машин устанавливают новые требования к гидравлическим системам и их основным компонентам. С одной стороны, они должны удовлетворять экстремальным рабочим условиям: гидравлическим ударам, перегрузкам, высоким и низким температурам. С другой стороны, требуется большая точность, приспособляемость и аккуратность при выполнении рабочих процессов.
     Гидросистемы, применяемые в современных машинах, их конструкция определяется функциональными особенностями машины, ее рабочими характеристиками и общей стоимостью. В настоящее время находят широкое применение следующие основные виды гидросистем:
     - системы с постоянным давлением СПД;
     - системы с постоянным расходом СПР;
     - системы, чувствительные к нагрузке СЧН.
     Отличие одной от другой системы в конструкции и взаимодействии компонентов, через их характеристики управления и возможность выполнять несколько функций одновременно.
     Эти системы также отличаются друг от друга экономичностью в работе, зависящей от выполняемых технологических циклов. Для всех трех систем энергозатраты зависят от рабочего процесса, степени использования мощности насоса и взаимодействия между одновременно выполняемыми функциями. Однако для всех систем характерны неизбежные потери гидравлической энергии, которые наблюдаются при опускании груза.


6

        1.2. Гидросистемы постоянного расхода (СПР)


     К ним относят гидросистемы, в которых расход рабочей жидкости при определенной скорости двигателя является постоянным до тех пор, пока давление адаптировано к данным требованиям. В этих системах (рис. 1) могут быть два различных типа гидрораспределителя:
     - с открытым центром в исходной позиции;
     - с закрытым центром в исходной позиции.
     Они обеспечивают совершенно разные характеристики управления. Системы с открытым центром чаще используются в мобильных машинах. Они достаточно просты и малочувствительны к загрязнениям. Гидравлическая жидкость, которая не поступает к гидродвигателю, подается насосом через открытый центр распределителя в гидробак.
     При одновременном подъеме нескольких грузов давление, развиваемое насосом, определяется наибольшей нагрузкой. Поэтому одновременно выполняемые функции реализуются примерно при одном и том же требовании к давлению или должны быть распределены между несколькими гидравлическими контурами в порядке минимизации их взаимного влияния. Последнее обеспечивает экономичный режим при работе данной гидросистемы. Система считается экономичной, если мощность насоса используется максимально. В связи с этим очень важно правильно выбрать насос.
     Системы с закрытым центром отличаются тем, что рабочая жидкость возвращается в бак через переливной клапан с регулятором. Это означает, что разность давлений между насосом и наибольшей нагрузкой может быть всегда установлена постоянной. Подача жидкости к наиболее нагруженному гидродвигателю не зависит от величины нагрузки.

Рабочие характеристики

     При ручном управлении гидросистем с открытым центром нет линейной связи между скоростью перемещения нагрузки и положением рукояти управления. На это влияют подача насоса, размеры нагрузки, направление ее движения, а также направление движения других исполнительных механизмов при одновременно выполняемых операциях.
     Адаптируя золотники к выполняемым функциям и увеличивая среднее давление, можно значительно улучшить характеристики одновременно выполняемых операций. Однако, чем больше величина среднего давления, тем ближе данная гидросистема к системе постоянного давления.
     В гидросистеме постоянного расхода с гидравлическим пропорциональным управлением распределители к тому же компенсированы по давлению, в результате чего регулируемый поток остается постоянным при определенном положении рукоятки управления и практически не зависит от изменения давления. Это обеспечивает больший диапазон регулирования и незначительное взаимное влияние между одновременно выполняемыми операциями.


7

      Характеристики систем постоянного расхода с закрытым центром в большей степени независимы от подачи насоса. Максимальный расход может регулироваться при выполнении отдельных функций, которые могут быть компенсированы по давлению. И на их исполнение не влияют одновременно выполняемые рабочие операции.
      Системы с закрытым центром имеют неплохие характеристики, как и системы, чувствительные к нагрузке, однако с худшими экономическими показателями.
      Гидросистемы постоянного расхода с открытым центром используются в мобильных машинах, где требуются несложные гидроагрегаты и умеренные требования к согласованности одновременно выполняемых функций. Обычно эта система недорогая. Система с закрытым центром имеет преимущества при более жестких требованиях, предъявляемых к рабочим характеристикам.
      Для широко распространенных гидросистем постоянного расхода характерно использование в качестве источников питания простых и сравнительно недорогих насосов постоянного рабочего объема. Такие системы экономически выгодны для потребителей, не требующих одновременной работы во взаимозависимых скоростных режимах. Для обеспечения независимой работы нескольких исполнительных механизмов и регулирования их скорости потребители подключаются к различным насосам или же применяются делители потока.
      В этом случае проявляются недостатки гидросистем постоянного расхода, связанные с потерями мощности из-за различной загрузки потребителей, определяемой выражением:

= V (Рп пмх- Рт) • Qₘ, П     n llldX  in in
i=1

где AN - потери мощности, кВт;
      Pn max - давление, определяемое наиболее загруженным потребителем, МПа;
      Pin - давление, определяемое загрузкой 1-го потребителя, МПа;
      Qin - расход жидкости через i-потребитель, м³/с.

      Очевидно также, что при использовании дроссельных регуляторов в сочетании с делителями потока (для плавного регулирования скорости) в данных системах имеют место дополнительные потери мощности.


8

a)                                          6)

Рис. 1. Гидросистемы постоянного расхода: а - с открытым центром; б - с закрытым центром

9

Системы постоянного давления (СПД)

Разгруженные СПД

Системы, чувствительные к нагрузке (СЧН)

Т ■          -----------------• Т ’

Рис. 2. Схемы систем постоянного давления и чувствительных к нагрузке

        1.3. Гидросистемы постоянного давления (СПД)

     СПД - это гидросистема (рис. 2), в которой давление поддерживается постоянным, а подача жидкости может изменяться как угодно. Она проста по конструкции и не имеет сложных узлов. В наиболее простом виде СПД реализуется при использовании насоса постоянного рабочего объема и переливного клапана. Потери мощности в этом случае относительно велики и могут быть рассчитаны:

n
AN - Pk ■ Qh-EPₘ ■ Qn,
i-1

где Рк - давление настройки переливного клапана, МПа;
     Qh - подача насоса, м³/с.
     Потери мощности в данном случае зависят как от недогрузки потребителей по давлению, так и от недоиспользования расхода рабочей жидкости. Указанные причины ограничивают применение систем такого типа только для привода маломощных потребителей (механизм управления коробкой передач, управление тормозами и т. д.).
     В современных гидросистемах может использоваться насос с переменной подачей (регулируемый), что позволяет устанавливать постоянное давление. Величина давления определяется суммарной подачей жидкости для одновременно выполняемых функций. Система малочувствительна к потерям давления, так как оно всегда соотносится с ограничением мощности машины.

Разгруженные гидросистемы постоянного давления

     В простых СПД максимальное давление устанавливается постоянным. Это означает, что во время движения небольшие утечки жидкости через золотники могут вызвать самопроизвольное движение выходного звена гидродвигателя. Регулируя насос посредством сигнала от распределителя, возможно получить давление разгрузки в состоянии покоя. Насос создает максимальное давление настолько быстро, насколько быстро срабатывает золотник. Эта гидросистема устраняет проблему с самопроизвольным движением выходного звена гидродвигателя. Данная система может работать с разным уровнем давления.
     Более низкое давление устанавливается при выполнении таких операций, где умеренные требования, и более высокое - для тяжелонагруженных режимов работы.

Рабочие характеристики

     При использовании удачно выбранных распределителей система постоянного давления имеет неплохие рабочие характеристики и нет взаимовлияния

11

одновременно выполняемых операций. Эта система обычно имеет хорошие ан-тикавитационные характеристики. Это значит, что опускание груза может перейти в движение подъема без какой-либо задержки по времени.
     Максимальная скорость выполнения каждой операции определяется конструкцией золотника и величиной давления, определяемой нагрузкой. Обычно распределители (Monsun-Tison) с гидравлическим и электрогидравлическим пропорциональным дистанционным управлением имеют компенсацию по давлению.
     Если расход жидкости в системе превышает возможность насоса, то постоянный уровень давления установить нельзя.

        1.4. Гидросистемы, чувствительные к нагрузке (СЧН) (Load sensing system, LS)

     В данных гидросистемах и давление, и расход рабочей жидкости регулируются так, как это требуют условия эксплуатации. Гидрораспределитель изменяет подачу насоса согласно поступающему сигналу от нагрузки, так, что разность давлений между насосом и гидролинией, по которой поступает сигнал нагрузки, остается постоянным. Таким образом, давление, развиваемое насосом, определяется наибольшей нагрузкой. Эта система относится к СЧН (рис. 2).
     Гидросистема постоянного расхода с закрытым центром иногда может быть отнесена к СЧН. Однако понятие «чувствительность к нагрузке» (LS) обычно применяется для гидросистем с регулируемым насосом и специальными распределителями, чувствительными к нагрузке.
     Данная система более прогрессивна, чем выше рассмотренные, и поэтому предъявляются более высокие требования к технологии изготовления. Сочетание хороших рабочих характеристик и высокой эффективности определяется специальной конструкцией золотников, которые должны сами адаптироваться к соответствующим выполняемым функциям. В СЧН, так же как и СПД, одновременно выполняемые функции будут реализовываться при одном и том же давлении. Для получения более экономичной работы гидросистему, чувствительную к нагрузке, желательно разделить на несколько подсистем. Конструкция машины, в которой используется СЧН, должна быть достаточно жесткой, так как постоянно изменяющееся давление может вызвать в ней колебательные процессы.
     СЧН могут иметь разные конструктивные особенности. В некоторых из них сигнал от нагрузки поступает через клапан «ИЛИ» (shuttle valve), в других - через обратные клапаны. Например, в стандартных гидрораспределителях фирмы «Monsun-Tison» имеется специальная система сигнала нагрузки, что позволяет рабочей жидкости циркулировать в гидролинии сигнала нагрузки (load signal line) без ее отбора из гидродвигателя. Это конструктивное решение позволяет насосу реагировать достаточно быстро при изменении давления, особенно это важно в том случае, когда рабочая жидкость еще холодная.


12