Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения о гидропередачах

Многие современные сложны машины общего и специального назначения буквально насыщены различными гидравлическими системами и агрегатами, которые по их назначению и выполняемым функциям принято подразделять на две основные группы:

1. Системы и агрегаты, предназначенные для передачи механической энергии от какого-либо источника к рабочим органам машины и управления движением этих органов;

2. Системы и агрегаты, предназначенные для перемещения различных жидкостей из мест хранения к местам ее потребления.

Системы и агрегаты первой группы получили общее название “гидропередачи”, а системы и агрегаты второй группы, в общем случае, можно называть “насосными станциями”.

В задачу настоящего курса входит изучение только тех устройств и агрегатов, которые относятся к первой группе, т.е. к гидропередачам. Дело в том, что гидропередачи в общем случае сложнее систем и устройств, относящихся к группе насосных станций.

В общем случае гидропередачей следует называть механизм, который позволяет передавать механическую энергию от какого-либо источника к рабочему органу той или иной машины посредством жидкости.

Таким образом, основная функция гидропередач аналогична функциям других широко известных и исторически ранее появившихся механических передач: ременной, шестеренной, цепной, червячной, кривошипно-шатунной и т. п. гидравлический привод энергия

Учитывая, что в любой гидропередаче происходит двукратное преобразование энергии (вначале механическая энергия преобразуется в энергию потока жидкости, а затем на выходе энергия потока преобразуется обратно, в механическую), закономерно, по аналогии, например, с электрическими системами, называть ее гидроприводом.

Таким образом, под термином “гидропривод” мы будем понимать достаточно сложную гидропередачу, позволяющую не только передавать механическую энергию от какого-либо источника к рабочему органу машины, но и управлять движением этого органа.

То есть любой гидропривод можно назвать гидропередачей, но не всякая гидропередача может быть названа гидроприводом.

По принципу действия гидропередачи вообще, и гидроприводы в частности, подразделяются на:

а) статические или объемные;

б) динамические;

в) импульсные или волновые.

Статическими называются гидропередачи, у которых напорная линия всегда геометрически отделена от всасывающей, а усилия на рабочих органах определяются главным образом статическим давлением жидкости в магистралях. Все узлы таких гидропередач находятся, примерно, на одном уровне, а скорость течения жидкости в рабочих каналах относительно мала (от 1 до 10 м/с).

Динамическими называются такие гидропередачи, которые передают энергию посредством гидродинамического эффекта потока жидкости. То есть величина усилий на рабочих органах этих гидропередач определяется главным образом скоростным напором. В рабочей части этих машин скорость потока жидкости достигает десятков метров в секунду. При этом герметичность (геометрическое разделение) между всасывающей и нагнетающей полостями отсутствует.

Импульсными или волновыми называются передачи, передающие энергию импульсами. Величина усилий на рабочих органах этих агрегатов в одинаковой степени зависит как от скорости движения потока жидкости, так и от статического давления в магистралях.

В данном курсе рассматриваются только статические гидропередачи и их элементы, как наиболее распространенные в специальной технике. Поэтому в дальнейшем для краткости изложения слово “статические”, как правило, будет опускаться.

Устройство и действие статических гидропередач

Рис. 1 Принципиальная схема статической гидропередачи

Рассмотрим простейший механизм (рис. 1), состоящий из двух сообщающихся цилиндров, в которых размещены поршни со штоками, а пространство между поршнями залито вязкой жидкостью. При этом в процессе рассуждений, трением в подвижных сочленениях, усилием возвратной пружины и утечками жидкости из цилиндров будем пренебрегать.

Если шток с поршнем узла (1) переместить на расстояние L1, то, при принятых допущениях нетрудно убедиться, что поршень со штоком узла (2) переместится на расстояние . При этом усилие F1, необходимое для перемещения поршней бесконечно мало. Однако, если шток узла (2) упрется в какое-то препятствие, например, вращающийся вал, то, развив усилие F1 на педали штока (1), получим, что вал будет нагружен силой . Таким образом, механизм передает движение и силу. Известно, что произведение силы на скорость есть мощность, т.е. механизм при помощи жидкости передает энергию от источника к объекту (валу, который надо затормозить). Таким образом, этот механизм удовлетворяет общему определению гидропередачи (передача энергии посредством жидкости).

Для удовлетворения понятию “статическая гидропередача”, должно быть выполнено условие геометрического отделения полости нагнетания от полости всасывания. Здесь, правда, полость одна. Но она попеременно выполняет функции, то полости нагнетания, то полости всасывания. Таким образом, геометрическое разделение полостей обеспечивается временной паузой. То есть подобный простейший механизм полностью соответствует данному ранее определению понятия статической гидропередачи.

Рассматривая представленный на рис. 1 механизм легко заметить, что узлы (1) и (2) в принципе конструктивно одинаковы и обратимы. Следовательно, для образования статической гидропередачи непрерывного, например, вращательного движения можно взять два одинаковых насоса, соединить их полости трубопроводами, залить жидкостью, и вал одного насоса соединить с источником энергии, а другого с нагрузкой (рис. 2).

Рис. 2 Принципиальная схема простейшей гидропередачи

Если насос и гидромотор (ГМ) нерегулируемы, имеют одинаковые рабочие объемы, то такая гидропередача будет выполнять функцию гидравлического вала или гидравлической муфты. Если рабочие объемы насоса и гидромотора различны, то это будет либо гидравлический редуктор, либо гидравлический мультипликатор.

Применять на практике такие агрегаты, как правило, нецелесообразно из-за относительной дороговизны гидравлических машин. Однако нет правил без исключений, в жизни могут встретиться и такие ситуации, когда подобное решение будет самым рациональным (например, передать вращение от электродвигателя (ЭД), размещенного в трюме к какому-то механизму, расположенному на 2-5 палубе).

Если же взять насос (или ГМ) регулируемым (рис. 3), то получим гидропривод вращательного движения, ибо такой агрегат уже способен после запуска ЭД и без его остановки запускать или останавливать управляемый объект (J0), реверсировать его движение и регулировать скорость.

Рис. 3 Принципиальная схема гидропривода

Таким образом, любая гидропередача в принципе должна состоять как минимум из 2-х элементов: насоса, преобразующего механическую энергию какого-либо источника в энергию потока жидкости и гидродвигателя, соединенного с насосом соответствующими каналами и преобразующего энергию потока жидкости обратно в механическую.

Для гидропривода в нашем понимании обязательно наличие управляюще-регулирующего устройства, которое может быть выполнено в виде неотъемлемой составной части насоса или гидродвигателя (а также того и другого), или в виде отдельных специальных механизмов (дросселя с переливным клапаном - распределителем).

Наличие различных вспомогательных устройств, как-то предохранительных клапанов, обратных клапанов, фильтров, гидрозамков, ограничителей мощности и т.п. определяется конкретным назначением гидропередачи (гидропривода) и требованиями, предъявляемыми к ней (к нему). То есть наличие этих элементов в системе не определяет принцип действия статической гидропередачи.

Классификация статических гидропередач

По назначению различают:

а) силовые гидропередачи, предназначенные главным образом для передачи механической энергии от какого-либо источника к рабочему органу машины трансформации момента или силы и изменения скорости движения рабочего органа;

б) гидравлические системы управления и автоматики, предназначенные главным образом для передачи движения и усиления входного командного сигнала.

К силовым гидропередачам относятся гидравлические приводы вертикального и горизонтального наведения многих пусковых и артиллерийских установок, гидравлические подъемные и подъемно - уравновешивающие механизмы, современные механизмы вывешивания и горизонтирования самоходных агрегатов и многие другие гидравлические механизмы.

К гидравлическим системам управления и автоматики обычно относят гидравлические усилители различных типов, гидравлические суппорты металлорежущих станков, гидравлические рулевые машины самолетов, гидропривод рулей тяжелых автомобилей, гидравлические системы торможения, стопорения и тому подобные механизмы.

В состав многих современных гидравлических агрегатов входят как силовая часть, так и гидравлическая система управления и автоматики. Т. е. в таких агрегатах имеется не менее двух, трех гидравлических контуров, завязанных прямыми и обратными связями, и такие агрегаты чаще всего называют гидравлическими или электрогидравлическими следящими приводами (ГСП или ЭГСП).

По устройству и внешнему конструктивному оформлению силовые гидропередачи и гидравлические системы управления и автоматики в принципе могут быть одинаковыми. Однако по ряду параметров и некоторым деталям они существенно различны. Например, силовые гидропередачи, как правило, работают при высоких давлениях (10-30) МПа и имеют высокий кпд (более 0,6-0,75) , системы автоматики и управления работают при сравнительно низких (до 2,5 МПа) давлениях, к ним предъявляются очень высокие требования по точности передачи командного сигнала, а по кпд требования не высокие (порядка 0,2).

По характеру движения различают:

а) вращательные или ротационные;

б) возвратно-поступательные;

в) поворотные.

Этот классификационный признак в значительной степени условен, т.к. учитывает характер движения лишь выходного звена гидропередачи. (входное звено в 99 случаях из 100 имеет вращательное движение - исключение составляют гидравлические тормозные устройства). Вместе с тем этот признак весьма практичен, что позволяет специалистам одним-двумя словами характеризовать принципиальные конструктивные особенности основных элементов гидропередачи.

По способу регулирования различают гидроприводы:

а) с объемным регулированием,

б) с дроссельным регулированием,

с) со ступенчатым регулированием.

Сущность объемного регулирования заключается в бесступенчатом изменении производительности насоса (или рабочего объема гидродвигателя) в процессе его работы. Изменять производительность насоса, при постоянстве скорости вращения его вала, можно тремя путями: изменением длины рабочего хода замыкателя (поршня или пластины), изменением эффективной величины зон нагнетания и всасывания в распределителе и изменением величины сдвига фаз работающих попарно замыкателей.

Гидроприводы с объемным регулированием являются наиболее сложными гидравлическими агрегатами и с точки зрения КПД наиболее совершенными. Впервые их стали использовать в военной технике, которая и в настоящее время является одним из основных потребителей этих машин.

Объемное регулирование присуще, как правило, силовому приводу. Наиболее характерным признаком этого способа регулирования является то, что упорядоченное движение жидкости осуществляется по замкнутому контуру и что давление на выходе насоса незначительно отличается от давления на входе в гидродвигатель. При этом давление нагнетания определяется величиной нагрузки на выходе привода.

Принцип дроссельного регулирования базируется на законе гидравлики, выводится из уравнения Бернулли и обычно записывается в следующем виде

где m= 0,6-0,75 - коэффициент расхода (опытная величина),

S - площадь щели (отверстия),

DР - перепад давлений в полостях до щели и за ней,

r - плотность жидкости .

Приводы с дроссельным регулированием также широко используются в военной технике и особенно в системах управления и автоматики. Эти приводы дешевле (стоимость регулируемого насоса приблизительно в 4-5 раз выше нерегулируемого той же конструктивной схемы). Правда, у них ниже КПД. Характерной особенностью гидроприводов с дроссельным регулированием является наличие разомкнутости в контуре циркуляции жидкости и независимость давления на выходе из насоса от нагрузки на гидродвигатель (Р1 = const - поэтому и КПД ниже при малых нагрузках).

В гидроприводах с комбинированным регулированием используются оба вышеуказанных принципа. На практике они встречаются редко.

Особенности гидроприводов и области их применения

В современной технике наиболее широко применяются четыре типа приводов: электрические, механические, гидравлические и пневматические. Все они предназначаются для одной и той же цели: приводить в действие те или иные рабочие органы сложных машин и управлять движением этих органов.

1. Позволяют бесступенчато, в широком диапазоне, регулировать скорость движения управляемого рабочего органа в обе стороны.

Для современного гидропривода диапазон регулирования

.

Электроприводы постоянного тока типа “генератор-двигатель” позволяют бес ступенчато регулировать скорость движения лишь в диапазоне от 10 до 30. Электроприводы с электромашинным усилителем имеют Dэму=200, однако мощность серийно выпускаемых электроприводов с ЭМУ ограничена 50 кВт.

Механические вариаторы скорости обычно имеют Dмв=5?10, и, в редких случаях сугубо специального исполнения, до 100. Тиристорные электроприводы переменного тока имеют Dти =200?2000, но пока выпускаются в ограниченных масштабах на мощности до 10 кВт. Пневматические приводы из-за слишком “мягкой” механической характеристики, обусловленной сжимаемостью газа для регулирования скорости в большинстве случаев мало пригодны. Таким образом, по диапазону регулирования гидравлические приводы не имеют себе равных.

2. Просты и надежны в управлении. По простоте, надежности и габаритам гидравлические управляющие устройства обладают наилучшими показателями. По существу эти два качества (широкий Dгп - простота и надежность в управлении) явились определяющими при выборе гидропривода в качестве исполнительного звена для синхронно следящих систем зенитных артустановок (1942 - США) и зенитных пусковых установок (70-е годы), предназначенных для запуска ракет с головкой самонаведения по низколетящим целям.

3. Обладают малой инерционностью. Инерционность гидравлического двигателя, выполняющего функцию исполнительного элемента привода, в 5?10 и более раз меньше инерционности лучших современных электродвигателей такой же мощности. Это обстоятельство явилось главной причиной того, что гидравлические системы используются для нужд управления практически на всех современных скоростных самолетах и ряде типов ракет. При этом мощность гидравлических систем управления на современных военных самолетах достигает 1000 и более киловатт.

4. Имеют малый вес и габариты на единицу передаваемой мощности. Для современных гидроприводов различного назначения отношение массы к мощности находится в пределах Gгг=1?25 кг/кВт (общего назначения Gгг=10?25 кг/кВт). Благодаря этому качеству удалось создать индивидуальные гидравлические агрегаты, передающие мощность до 4000 кВт и развивающие усилия до 75000 тонн. Другие типы приводов по весовым и габаритным параметрам существенно уступают гидроприводу. Так, например, для регулируемых электроприводов различных типов Gэл=50?80 кг/квт.

5. Герметичны. Поэтому не требуют повседневного ухода и могут работать не только в атмосфере, но и глубоко под водой. Это качество сделало гидропривод практически незаменимым в системах управления различными механизмами современных подводных лодок.

6. Допускают весьма простыми и надежными средствами преобразовать вращательное движение в прямолинейное возвратно-поступательное и поворотное. Этим качеством обладают все типы передач - гидравлические им не уступают.

7. Обладают достаточно жесткими механическими характеристиками. Конечно, менее жесткими, чем некоторые механические передачи, например, цепные, но обычно в несколько раз более жесткими, чем электроприводы постоянного тока и пневмоприводы.

8. Обладают хорошей агрегатностью. Сравнительно легко компонуются в отдельные блоки и агрегаты. По этому параметру они уступают лишь электрическим системам.

9. Могут передавать механическую энергию одновременно или последовательно от любого источника (электродвигатель, дизель, человек). При этом каких-либо операций по переключению не требуется, что достигается включением в систему простейших устройств, называемых обратными клапанами. По способности одновременно или последовательно передавать механическую энергию от различных источников без операций переключения гидропривод, по существу, не имеет себе равных в машиностроении. Это качество имеет очень большое значение для агрегатов военной техники, где всегда требуется дублирование и резервирование, в том числе и источников энергии.

10. Относительно безразличны к вибрации и радиации. В этом отношении они практически равнозначны механическим и пневматическим агрегатам.

11. Позволяют легко решать задачу защиты механизма от перегрузок путем включения в систему предохранительных клапанов, представляющих из себя малогабаритные, малоинерционные защитные устройства многократного действия.

12. Искро-пыле безопасны По этому качеству они равнозначны механическим передачам.

13. Способны к аккумулированию энергии в период пауз, холостых ходов и торможения. Правда, гидравлические аккумуляторы уступают по габаритным и весовым параметрам механическим и электрическим аккумулирующим устройствам.

14. При использовании гидропривода значительно легче и проще решаются задачи необратимости механизма в аварийных ситуациях и в момент планируемой остановки.

15. Обладают способностью непрерывного удаления тепла от наиболее нагруженных узлов и деталей в окружающую среду. При использовании гидропривода, как правило, не требуется специальных систем охлаждения.

Из вышесказанного нетрудно заметить, что гидравлические приводы по сравнению с электрическими, механическими; пневматическими агрегатами аналогичного назначения обладают значительно большим количеством положительных для машиностроения качеств.

Однако, не следует считать, что гидравлические приводы являются лучшими приводами вообще для всех машин и их рабочих органов, им присущи и крупные недостатки. К числу таковых следует отнести:

1. Высокую стоимость, особенно гидроприводов с объемным регулированием. Следует заметить, что высокая стоимость это отчасти временное явление, связанное с мелкой серийностью производства гидроприводов.

В США, например, гидравлического оборудования выпускается в 3 раза больше, чем в России. Естественно оно стоит меньше, примерно, в 4 раза.

2. Неоднозначность значений КПД у гидроприводов с различными способами регулирования. Причем у относительно дешевых приводов с дроссельным регулированием КПД весьма низок (0,2?0,3), у приводов с объемным регулированием в среднем 0.7?0.75. Электроприводы постоянного тока имеют КПД 0,55?0,6, высококачественные механические вариаторы до 0,8?0,85.

3. Зависимость механической характеристики и КПД от степени износа, от характера нагрузки на привод и от физических свойств жидкости

Эти обстоятельства в ряде случаев принуждают брать привод заведомо завышенной мощности, что естественно увеличивает его вес и габариты.

4. Относительная сложность агрегатов и высокая точность изготовления отдельных элементов и деталей гидропривода. Для его изготовления нужна высокая культура производства, высококвалифицированные рабочие. Гидроприводы не могут ремонтироваться в полевых условиях.

5. Использование в качестве рабочего элемента (как правило) горючих жидкостей (минеральных масел), что для военной техники является неблагоприятным обстоятельством.

6. Невозможность обеспечения длительной стоянки рабочего органа в заданном положении.

Таким образом, при выборе типа привода для тех или иных механизмов обязательно следует провести технико-экономическое обоснование. При этом, сравнивая гидравлический привод с другими типами агрегатов аналогичного назначения необходимо учесть не только его положительные и отрицательные качества, но также и все последствия, которые будут сопутствовать работе машины, снабженной гидроприводом (стоимость эксплуатации, эффективность, удобство обслуживания, надежность в работе и т.п.).

Необходимо заметить, что наиболее полно и рационально удовлетворить многообразные требования, предъявляемые к механизмам некоторых современных машин, можно только при использовании комбинированных электрогидравлических, электрогидромеханических и даже электропневмогидромеханических систем управления, сочетающих в себе маломощные электронные (электромагнитные или пневматические) устройства с гидравлическими и гидромеханическими устройствами, рассчитанными на передачу относительно больших мощностей.

По данным зарубежных технических журналов производство гидрооборудования на Западе является одной из наиболее успешно развивающихся отраслей промышленности. Этот факт является следствием в первую, очередь гибкости гидропривода с точки зрения стыковки его с электронными устройствами относительно высокого КПД, широчайшего диапазона регулирования, приемлемых габаритов и способности к аккумулированию энергии в период пауз и торможения.

Рассмотрим подробно некоторые примеры применения гидроприводов.

1. Для бортовых систем управления большинства современных высокоскоростных летательных аппаратов гидравлический привод, как исполнительное устройство, был выбран главным образом вследствие его малой инерционности, простоты и надежности управления, а также относительно меньших весовых и габаритных параметров.