Обзор направлений развития и современное состояние гидравлических и пневматических приводов автомобилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИCTEPCTBO НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

Обзор направлений развития и современное состояние гидравлических и пневматических приводов автомобилей

студента Медведева Дмитрия

группа ЭМК-б-о-18-2

специальность 23.03.03

«Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Ставрополь 2020

Гидравлический привод представляет собой совокупность силовой установки (ДВС или ЭД), механической или иной передачи, гидропередачи, систем управления и вспомогательных устройств. Механическая передача служит для преобразования частоты вращения вала первичного двигателя в требуемую частоту вращения насоса -- первого звена гидропередачи. Если номинальные частоты вращения насоса и первичного двигателя совпадают, то необходимость в механической передаче отпадает. Силовая часть гидравлического привода, преобразующая механическую энергию двигателя в энергию движения рабочей жидкости (минерального масла на нефтяной основе) и обратно, в движение исполнительных механизмов машины, называется гидропередачей. В зависимости от способа передачи энергии рабочей жидкости различают гидрообъемный (гидростатический) и гидродинамический привод.

Гидрообъемный привод. В простейшем случае гидрообъемный привод включает масляный бак с фильтрами для очистки отработавшей жидкости от примесей, насос, гидрораспределитель, гидроцилиндры, предохранительный клапан и систему гидролиний. Прямое и обратное движение поршней гидроцилиндров в этой системе обеспечивается за счет поступления под высоким давлением в их поршневые или штоковые полости определенного объема рабочей жидкости (отсюда название гидрообъемный) при небольших скоростях рабочих движений (отсюда название гидростатический привод). По такой же схеме вы-полнены гидравлические приводы с исполнительными органами вращательного действия (гидромоторами). Гидроцилиндры и гид-ромоторы обобщенно называют также гидродвигателями. В более сложных схемах гидропривода, кроме того, устанавливают также другие регулирующие аппараты. В процессе движения по гидролиниям и каналам направляющих и регулирующих аппаратов рабочая жидкость нагревается. Поэтому в гидравлических системах с большим числом включений для нормальной работы системы на сливной гидролинии устанавливают калориферы -- устройства для охлаждения рабочей жидкости.

В гидрообъемных передачах происходит двойное преобразование энергии: первый раз механическая энергия первичного двигателя преобразуется насосом в энергию движения рабочей жидкости, во второй последняя преобразуется гидродвигателем в механическую энергию движения рабочего органа или исполнительнoгo механизма.

В гидравлических приводах строительных машин применяют шестеренные, пластинчатые, аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы.

Шестеренный насос состоит из двух зубчатых колес и, заключенных в корпус, одна подлость которого соединена со всасывающей, а вторая -- с напорной гидролиниями. При вращении зубчатых колес в направлении, показанном стрелками, рабочая жидкость переносится из полости в полость впадинами между зубьями, в результате чего в полости создается разрежение, а в полости -- повышенное давление, вследствие чего рабочая жидкость подсасывается из масляного бака в полость и выталкивается в напорную линию из полости.

Пластинчатый насос состоит из вращающегося в цилиндрическом корпусе ротора с пластинами, установленными в его радиальных пазах. В торцовых стенках корпуса имеются окна и, соединенные соответственно со всасывающей и напорной гидролиниями. При вра-щении ротора с пластинами в зоне окна объем рабочей камеры, заключенной между двумя смежными пластинами и цилиндрическими поверхностями ротора и корпуса, увеличивается (становится больше объема заключенной в этой камере рабочей жидкости), вследствие чего рабочая жидкость подсасывается в камеру из масляного бака. При переходе рабочей камеры в зону окна Б ее объем уменьшается, чем создается давление, способствующее выталкиванию из нее рабочей жидкости в напорную гидролинию.

Основными элементами аксиально-поршневого насоса являются вращающийся в подшипниках ведущий вал и блок цилиндров. Цилиндры представляют собой продольные проточки с поршнями, расположенные вокруг центрального шипа. Шаровыми головками центральный шип и шатуны цилиндров завальцованы во фланец ведущего вала. При вращении последнего, а вместе с ним и блока цилиндров поршни совершают возвратно-поступательное движение относительно своих проточек. При прохождении цилиндром верхней части корпусного пространства его поршневая полость сообщается с верхним окном диска, соединенным со всасывающей гидролинией. Вследствие увеличения объема поршневой полости в нее из масляного бака подсасывается рабочая жидкость. При прохождении цилиндром нижней части объем его рабочей камеры уменьшается, и рабочая жидкость выталкивается через нижнее окно 6 в напорную линию.

В радиально-поршневых насосах при вращении вала с эксцентриком поршни опирающиеся на эксцентрик, совершают возвратно-поступательное движение в радиальном направлении. При этом рабочая жидкость через соответствующие отверстия в корпусе всасывается из бака, а затем выталкивается поршнем в напорный трубопровод.

Все описанные выше насосы обратимы, т.е. могут работать также в режиме гидромоторов: при подаче рабочей жидкости в полость высокого давления генерируется вращательное движение вала. Наиболее часто в приводах строительных машин применяют реверсивные аксиально-поршневые и радиально-поршневые гидромоторы. Для реверсирования гидромотора изменяют направление движения рабочей жидкости, поступающей в гидромотор от насоса.

Основными параметрами насосов и гидромоторов являются рабочий объем, номинальное давление, частота вращения, подача (для насосов) или расход (для гидромоторов), мощность, вращающий момент (для гидромоторов), а также КПД.

Подача или расход есть количество подаваемой или потребляемой рабочей жидкости за единицу времени. Рабочий объем определяется количеством рабочей жидкости, проходящей через насос (мотор), за один оборот его вала. Рабочий объем может быть постоянным и регулируемым. Все рассмотренные выше гидравлические машины имеют постоянный рабочий объем. Представителями машин с регулируемым рабочим объемом являются регулируемые аксиально-поршневые насосы, в которых качающий узел, содержащий блок цилиндров, может изменять свой наклон к оси ведущего вала. Рабочий объем в этом случае оказывается пропорциональным синусу угла этого наклона.

За номинальное давление принимают наибольшее манометрическое давление, при котором насос (мотор) работает в течение установленного срока службы с сохранением параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Оте-чественные гидромашины рассчитаны в основном на номинальные давления 16, 20, 25 и 32 МПа при максимальных давлениях соответственно 20, 25, 32 и 35 МПа.

Гидроцилиндр состоит из корпуса (гильзы) с тщательно обработанной внутренней поверхностью, поршня, уплотненного резиновыми манжетами, штока и крышки с манжетамии грязесъемником Гильза и шток имеют на своих концах проушины со сферическими подшипниками для соединения с приводимыми гидроцилиндром элементами машины. Подшипники обычно смазывают через пресс-масленки. Рабочая жидкость подводится к гидроцилиндру и отводится от него через штуцеры .

Кроме рассмотренного гидроцилиндра двустороннего действия (управляемое движение поршня со штоком в двух направлениях) в приводах строительных машин применяют также гидроцилиндры одностороннего действия, в которых поршень со штоком выдвигается из гильзы под действием подаваемой в поршневую полость рабочей жидкости, а возвратное движение осуществляется пружиной. Реже применяют гидроцилиндры с двухсторонним штоком.

Для пуска, остановки, изменения направления движения, регулирования скорости и усилий исполнительных механизмов машин с гидроприводом используют направляющие и регулирующие гидроаппараты.

Направляющие гидроаппараты предназначены для изменения направления потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного закрытия рабочего проходного сечения. К ним относятся гидрораспределители, гидроклапаны (обратные, выдержки времени, последовательности, логические) и гидрозамки.

Регулирующие гидроаппараты предназначены для изменения дав-ления, расхода и направления потока рабочей жидкости путем частичного открытия рабочего проходного сечения. К ним относятся гидроклапаны давления (напорные, редукционные, разности и соотношения давления), соотношения расходов (делители и сумматоры потока) и дросселирующие гидрораспределители. Основными параметрами гидроаппаратов являются номинальный расход, номи-нальное давление и диаметр условного прохода.

Гидрораспределители служат для переключения и направления потоков рабочей жидкости, реверсирования движения и фиксирования гидродвигателей в определенном положении. Они автоматически переключают систему на холостой ход по окончании рабочего хода. Гидрораспределители обеспечивают управление несколькими исполнительными гидродвигателями. По конструктивному исполнению они подразделяются на секционные (с одним золотником в секции) и моноблочные (с несколькими золотниками в едином корпусе).

На рис. показан моноблочный гидрораспределитель, состоящий обычно из чугунного корпуса , нескольких плунжеров (золотников) , перемещаемых в осевом направлении вручную рукоятками или другими способами (электрическим, гидравлическим, электрогидравлическим) и предохранительного клапана .

Принцип действия гидрораспределителя основан на соединении одной полости гидродвигателя с напорной линией насоса и одновременным соединением другой полости со сливной линией и гидробаком. По числу возможных положений золотника различают двух-, трех- и четырехпозиционные гидрораспределители. На рис показана схема трехпозиционного гидрораспрелелителя, золотник которого может быть установлен в одно из трех положений: для прямого и возвратного движения гидродвигателя, а также для его фиксации в определенном положении. На последней позиции поток жидкости направляется от насоса в гидробак, а обе рабочие полости гидродвигателя заперты.

Конструктивные решения гидроклапанов шарикового, конического и золотникового типов представлены на рис. Основными элементами гидроклапана являются: седло , запирающий элемент и пружина . Выбор запорного устройства зависит от назначения клапана, размера проходного сечения и давления.

Обратные клапаны обеспечивают движение рабочей жидкости только в одном направлении. Их применяют для защиты насосов от резкого повышения давления, вызываемого нагрузкой на рабочем органе, самопроизвольного движения рабочего органа под действием внешних нагрузок, для формирования направлений потоков рабочей жидкости в гидролиниях, а также используют в качестве подпиточных клапанов для заполнения гидросистемы рабочей жидкостью от сливной гидролинии или от специального насоса подпитки во избежание разрыва потока.

Гидрозамки (управляемые обратные клапаны) предназначены для пропускания рабочей жидкости при отсутствии управляющего воздействия в одном направлении, а при наличии управляющего воздействия - в обоих направлениях. Гидрозамок состоит из обратного клапана и поршня управления со штоком.

Предохранительные клапаны служат для предохранения гидро-передачи от давления, превышающего установленное, путем перепуска рабочей жидкости из напорной линии в сливную. Различают первичные (предохраняющие от перегрузок насос) и вторичные (предохраняющие гидродвигатели) предохранительные клапаны. Первичные клапаны устанавливают на напорной гидролинии насоса, а вторичные -- на рабо-чих отводах гидрораспределителя.

Редукционные клапаны используют для поддержания пониженного давления на отдельных участках системы путем частичного сброса рабочей жидкости в сливную линию.

Гидродроссели применяют для регулирования расхода жидкости в гидролиниях.

Регулируемый дроссель с обратным клапаном предназначен для ограничения потока рабочей жидкости в одном направлении (показано стрелками) и свободного пропуска потока в другом за счет срабатывания обратного клапана.

Работа гидропередачи обеспечивается также кондиционерами рабочей жидкости, включающими гидробаки с сапунами, устройства для очистки (фильтры и сепараторы), теплообменники.

Гидравлические (масляные) баки представляют собой емкости, служащие для хранения, отстоя и охлаждения рабочей жидкости, циркулирующей в гидросистеме. Они сообщаются с атмосферой через сапуны, представляющие собой воздушные фильтры. Рабочая жидкость поступает в бак по сливному трубопроводу через блок фильтров. Количество рабочей жидкости контролируют указателем уровня. Обычно вместимость масляного бака составляет 2...3-минутную подачу насоса.

Фильтры, применяемые в гидросистемах строительных машин, обеспечивают очистку рабочей жидкости от загрязняющих примесей механическим способом при помощи щелевых и пористых фильтрующих элементов (металлических сетчатых, тканевых, бу-мажных, керамических, а также с набивными бумажными или тек-стильными фильтрующими материалами). Тонкость фильтрации составляет 5...40 мкм. Для улавливания ферромагнитных частиц по-ристые фильтры комбинируют с магнитными очистителями.

Теплообменники предназначены для охлаждения рабочей жидкости и стабилизации температуры в гидросистемах машин на оптимальном уровне. Теплообменники устанавливают на сливных линиях после гидродвигателей или на линиях отвода утечек из гидросистемы.

Гидролинии осуществляют взаимосвязь между элементами гидро-передачи, через которую проходит поток рабочей жидкости. Их подразделяют на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и линии управления. Жесткие гидролинии обычно изготавливают из стальных бесшовных труб. Подвижные части с установленными на них элементами гидропривода соединяют гибкими рукавами высокого давления. Для предотвращения вытекания жидкости и предохранения ее от загрязнений при разъединении трубопроводов применяют самозапирающиеся соединения с двумя шариковыми клапанами.

К рабочей жидкости в гидроприводах строительных машин предъявляют высокие требования. Она должна обладать хорошими смазывающими свойствами, не вызывать коррозии контактирующих с ней металлов, сохранять свои свойства при эксплуатации в различных температурных условиях. Рабочая жидкость не должна образовывать пены и содержать веществ, выпадающих в осадок, должна быть безопасной в пожарном отношении и не токсичной. Наиболее полно этим требованиям отвечают масла, получаемые из низкозастывающих фракций нефти с соответствующими присадками: загущающими, антиокислительными, антипенными, противоизносными, антикоррозионными. В строительных машинах, работающих при температурах окружающего воздуха 318...228 К, применяют, в основном, специальные рабочие жидкости: МГ-30 (ТУ 38-1-01-50--70) -- в качестве летнего сорта для районов с умеренным климатом и всесезонного сорта для южных районов страны; ВМГЗ (ТУ 38-101479--74) -- для всесезонной эксплуатации в районах Крайнего Севера и в качестве зимнего сорта в районах с умеренным климатом.

Гидродинамические передачи. Прообразом гидродинамической передачи является водяная турбина, вращающаяся относительно своей оси за счет кинетической энергии падающей на ее лопатки воды. Представителями гидродинамических передач, применяемых в приводах строительных машин, являются гидротрансформаторы и реже гидромуфты.

Гидромуфта состоит из насосного и турбинного колес, посаженных соответственно на ведущий и ведомый валы. Внутренние полости обоих колес разделены наклонными в радиальном направлении лопатками. При вращении насосного колеса, находящаяся в его внутренней полости рабочая жидкость за счет центробежных сил устремляется на периферию, вследствие чего в периферийной части со-здается повышенное давление, способствующее перетеканию жидкости в полость турбинного колеса, а в расположенной ближе к центру части создается разрежение, способствующее подсасыванию жидкости из полости турбинного колеса. В процессе перехода рабочей жидкости из насосного колеса в турбинное, она воздействует на лопатки турбины, заставляя последнюю вращаться. При этом турбинное колесо отстает от насосного: его угловая скорость W2 всегда меньше угловой скорости насосного колеса W1. Это отставание (скольжение) находится в обратной зависимости с угловой скоростью W1: чем больше эта скорость, тем меньше скольжение. При номинальном скольжении SH0M = (W1 - W2)/ W1 = 0,04...0,06 КПД муфты составляет ном = W2/ W1 = 0,96...0,94.

Гидромуфты располагают между двигателем и потребителем энергии. Они позволяют снизить динамические нагрузки на двигателе и рабочих органах машины, обеспечивают автоматическое бесступенчатое изменение скорости движения рабочего органа (машины) в зависимости от внешней нагрузки. Их можно использовать в качестве предохранительных муфт. В приводах с гидромуфтами двигатель можно запускать без отключения трансмиссии. гидравлический пневматический привод автомобиль

В отличие от гидромуфты гидротрансформатор имеет три рабочих колеса: насосное, турбинное и реакторное . Последнее может быть установлено неподвижно или на обгонной муфте . При неподвижном реакторном колесе оно отклоняет поток рабочей жидкости своими лопатками и изменяет момент количества движения потока, а следовательно и крутящий момент на турбинном колесе. Изменения моментов на насосном Т1 и на турбинном Т2 колесах представлены на рис. Эти изменения происходят так, что вне зависимости от внешней нагрузки, пропорциональной моменту на турбинном колесе, момент и угловая скорость на насосном колесе, а следовательно и на двигателе изменяются весьма незначительно, чем обеспечивается защита дви-

гателя от перегрузок. Угловая скорость вращения турбинного колеса изменяется автоматически практически обратно пропорционально моменту Т1. Коэффициент трансформации - отношение моментов К= Т2/ Т1. КПД гидротрансформатора представляется параболической функцией отношения угловых скоростей турбинного W2 и насосного W1 колес = f(W2/ W1). Его максимальное значение составляет 0,85... 0,87. Максимальному КПД соответствует номинальная точка характеристики гидротрансформатора с координатами W2ном; Т2иом. В случае установки реакторного колеса на обгонной муфте последняя включается автоматически при малых нагрузках, вследствие чего реак-торное колесо вращается вместе с насосным и турбинным колесами. При этом гидротрансформатор работает в режиме гидромуфты с более высоким КПД.

Благодаря мягкой выходной механической характеристике Т2= f(W2) гидротрансформаторы нашли широкое применение в приводах землеройных, землеройно-транспортных, погрузчиков и других машин, где с изменчивостью внешних нагрузок целесообразно автоматически изменять рабочие скорости, а также снижать динамические нагрузки при стопорении рабочих органов в случае их упора в препятствия.

Пневматический привод

Структурно пневматический привод сходен с гидроприводом и отличается от него тем, что в пневмоприводе механическая энергия силовой установки преобразуется в энергию движения рабочего газа (обычно атмосферного воздуха, сжатого до 0,5...0,8 МПа) и обратно -- в движение исполнительных механизмов машины. Пневматические передачи используют в приводах пневматических молотов, ручных пневматических машин, вибраторов и других машин, а также в системах управления машинами для плавного включения механизмов в работу и их торможения. Пневматические передачи надежны и просты в обслуживании, мало чувствительны к динамическим нагрузкам и способны переносить длительные перегрузки вплоть до полного стопорения. Они удобны в управлении, обеспечивают простоту преобразования вращательного движения в поступательное, могут состоять из независимо расположенных сборочных единиц. К недостаткам передач относятся: обусловленная высокой сжимаемостью воздуха трудность точного регулирования, низкий КПД, высокая шумность в работе. Основными частями пневматической передачи (см. рис. 4.41) являются: компрессор, воздухосборник (ресивер), пневматические двигатели, соединительные воздухопроводы, регуляторы давления и предохранительные клапаны, воздушные фильтры и масловлагоотделители.

Компрессоры предназначены для выработки сжатого воздуха. Они приводятся ЭД или ДВС, вместе с которыми, а также с системой воз-духоподготовки образуют переносные или передвижные компрессорные установки {компрессорные станции). Легкие переносные станции небольшой производительности монтируют обычно на раме с колесами для перевозки вручную в пределах строительной площадки. Станции на двухосной пневмоколесной тележке перевозят автомобилем или трактором. Самоходные станции монтируют обычно на шасси грузовых автомобилей.

По принципу действия компрессоры - поршневые, ротационные, турбинные, диафрагменные и винтовые. Принцип действия компрессоров всех типов заключается во всасывании воздуха из атмосферы в рабочую камеру, его сжатия и нагнетания в воздухосборник движением вытеснителей (поршней, пластин, зубьев шестерен, диафрагм, винтов). Наибольшее распространение в строительстве получили поршневые компрессоры.

Поршневой компрессор представляет собой цилиндр , в котором перемещается поршень . Возвратно-поступательное движение поршня обеспечивается приводимым от двигателя коленчатым валом и шатуном . При движении поршня вниз от «мертвой» точки в цилиндре создается разрежение, вследствие чего автоматически открывается клапан и в рабочую камеру из атмосферы всасывается воздух. При движении поршня вверх клапан закрывается, и воздух в цилиндре сжимается. Когда давление воздуха в рабочей камере достигнет определенного значения (обычно 0,8 МПа), откроется клапан 4и воздух вытолкнется из цилиндра в воздухосборник. За один оборот коленчатого вала происходит полный цикл работы компрессора -- всасывание воздуха, его сжатие и нагнетание.

Поршневые компрессоры бывают одно- и многоцилиндровыми с одно- и многоступенчатым сжатием. В последнем случае воздух, сжатый в одном цилиндре, поступает в другой цилиндр для большего сжатия, чем обеспечивается более высокий КПД (на 10... 15 % больше КПД компрессоров с одноступенчатым сжатием). Компрессоры производительностью до 1 м3 изготовляют обычно одноступенчатыми, а большей производительности -- двухступенчатыми.

Воздухосборники (ресиверы) предназначены для накопления сжатого рабочего воздуха, уменьшения пульсации давления в нагнетательной пневмолинии потребителя, а также для охлаждения и очистки рабочего воздуха от воды и масла.

Система воздухоподготовки включает фильтр для очистки атмосферного воздуха от механических примесей, масляный охладитель и масловлагоотделитель . Фильтр устанавливают на всасывающем воздуховоде компрессора , а масляный охладитель -- на выходе из компрессора, где в нагретый сжатый воздух насосом по трубопроводам впрыскивается охлажденное масло. Охлажденная масловоздушная смесь через обратный клапан поступает по нагнетательному трубопроводу в воздухосборник , где воздух очищается от влаги и масла фильтром , откуда очищенный воздух через регулирующий минимальное давление клапан поступает в раздаточную колонку с вентилями для подсоединения потребителей и клапаном для стравливания воздуха. Кроме того, на воздухосборнике установлен пре-дохранительный клапан для аварийного сброса масловоздушной смеси.

Пневматические двигатели предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в возвратно-поступательное или вращательное движение выходного звена. Они подразделяются на пневмо-моторы и пневмоцилиндры. Конструктивно они подобны гидромоторам и гидроцилиндрам.

Для изменения направления движения рабочего воздуха к пневмодвигателям, изменения или поддержания на постоянном за-данном уровне расхода и давления в пневматической передаче, служат пневмоаппараты (пневмораспределители, предохранительные, редукционные, обратные клапаны, пневмодроссели), по принципу действия сходные с аналогичными гидроаппаратами.

Отработавший рабочий воздух из пневмодвигателей выбрасывается непосредственно в атмосферу.

Размещено на Allbest.ru