Гидропневмоприводы Гидропривод Принцип действия гидропривода

---

Гидропневмоприводы

5 Гидропривод

5.1 Принцип действия гидропривода

Гидроприводом называется совокупность гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости. Гидропривод, содержащий объемные гидромашины, называется объемным.

Принцип действия объемного гидропривода основан на практической несжимаемости жидкости и передаче давления по закону Паскаля. Рассмотрим простейший гидропривод (рис.5.1).

Рисунок 5.1 – Схема гидропривода

Два цилиндра 1 и 2 заполнены жидкостью и соединены между собой трубопроводом. Поршень цилиндра 1 под действием силы перемещается вниз, вытесняя жидкость в цилиндр 2. Поршень цилиндра 2 при этом перемещается вверх и преодолевает силу . Если пренебречь потерями давления в системе, то по закону Паскаля давление в цилиндрах 1 и 2 будет одинаковым и равным

, (5.1)

где и – площади поршней цилиндров 1 и 2. Учитывая практическую несжимаемость жидкости, можно записать: или .

Так как величина является расходом жидкости Q, то условие передачи энергии можно представить в виде , где pQ – мощность потока жидкости; мощность, развиваемая поршнем цилиндра 2.

5.2 Основные элементы объемного гидропривода

Основными элементами объемного гидропривода являются:

1 Гидромашины – насосы и гидродвигатели. Насосы служат для подачи (перемещения) жидкости, гидродвигатели – для преобразования энергии подаваемой жидкости в механическую энергию рабочего органа.

2 Гидроаппаратура – это устройства управления гидроприводом, при помощи которых он регулируется, а также средства защиты от чрезмерно высоких давлений жидкости (дроссели, клапаны разного назначения и гидрораспределители).

3 Вспомогательные устройства: фильтры, теплообменники, (нагреватели и охладители жидкости), гидробаки и гидроаккумуляторы.

4 Гидролинии (трубопроводы): всасывающие, напорные, сливные, дренажные.

5 Контрольно-измерительные приборы: манометры, расходомеры, термометры и др.

Каждый объемный гидропривод содержит источник энергии. По виду источника энергии гидроприводы разделяют на три типа:

а) насосный гидропривод – гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель объемным насосом, входящим в состав этого гидропривода;

б) аккумуляторный гидропривод – рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумулятора;

в) магистральный гидропривод – в котором рабочая жидкость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы:

а) поступательного движения – с поступательным движением выходного звена гидродвигателя;

б) поворотного движения – с поворотным движением выходного звена гидродвигателя на угол меньше ;

в) вращательного движения – с вращательным движением выходного звена гидродвигателя.

Гидропривод, в котором скорость выходного звена гидродвигателя может изменяться по заданному закону, называется регулируемым. В случае отсутствия устройств для изменения скорости – нерегулируемым.

5.3 Область применения и рабочие жидкости гидропривода

Гидравлические приводы нашли широкое применение для осуществления движения рабочих органов различных машин. В машиностроении гидравлические приводы применяют в системах автоматического управления металлорежущих станков и автоматических линий, роботов-манипуляторов, прессов, технологических машин в металлургической, пищевой, химической, легкой и других отраслях промышленности.

Кроме этого, объемный гидропривод используют в сельскохозяйственных, строительных, транспортных машинах, угольных комбайнах, буровых установках, самолетах, военной технике и др.

Широкое использование гидропривода обусловлено его существенными преимуществами, к которым можно отнести безступенчатое регулирование скорости вращения или перемещения рабочего органа машины, возможность дистанционного регулирования, реверс исполнительного органа, надежность работы и др.

К основным недостаткам объемного гидропривода следует отнести утечки и нагрев жидкости, необходимость применения специальных устройств для поддержания постоянной температуры рабочей среды, более низкий к.п.д., чем у механических передач.

Рабочая жидкость в гидроприводе является одновременно носителем энергии и смазкой. При этом она подвергается воздействию высоких давлений, скоростей и температур. Кроме этого, жидкость должна быть нейтральной к материалам, быть пожаробезопасной и нетоксичной. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют минеральные масла и синтетические жидкости на кремнийорганической основе. В настоящее время в качестве рабочих жидкостей объемных гидроприводов, используемых в общем машиностроении, применяются минеральные масла: индустриальные ; турбинное; веретенное; АМГ – 10 и др.

Тип рабочей жидкости, применяемой в гидроприводе, определяется условиями его эксплуатации.

6 Насосы объемного гидропривода

6.1 Общая характеристика насосов и их классификация

Насосы – это гидравлические машины, в которых происходит преобразование механической энергии привода в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости.

Насосы подразделяются на два основных класса: динамические и объемные (рис.6.1).

Рисунок 6.1 – Классификация насосов

К динамическим насосам относятся центробежные, осевые, вихревые и др. Рабочим органом этих насосов, как правило, является вращающееся рабочее колесо (рис.6.2).

Рисунок 6.2 – Схема центробежного насоса:

1 – подвод; 2 – р.к; 3 – отвод; 4 – диффузор

Энергия от рабочего колеса передается жидкости путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью.

В объемных насосах рабочий процесс основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении ее при помощи вытеснителя. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т.п.

Остановимся более подробно на характеристике объемных насосов, которые применяются в объемном гидроприводе. По характеру процесса вытеснения жидкости объемные насосы разделяются на поршневые и роторные.

В поршневом насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате возвратно-поступательного движения поршней.

В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (поршней, винтов, пластин).

К общим свойствам объемных насосов, которые отличают их от динамических (лопастных), относятся цикличность рабочего процесса, самовсасывание, малая зависимость подачи насоса от развиваемого ими давления.

6.2 Основные параметры объемных насосов

Для характеристики насосов объемного гидропривода используют следующие параметры:

1 Рабочий объем - разность наибольшего и наименьшего значений объема рабочей камеры за один оборот вала или за двойной ход рабочего органа насоса.

2 Подача насоса – объем жидкости, подаваемой насосом за единицу времени.

3 Давление насоса – разность между давлением на выходе из насоса и давлением на входе в него

. (6.1)

4 Мощность N ,кВт, потребляемая вращательным насосом (подводимая от двигателя):

, (6.2)

где M – крутящий момент на валу насоса;

– частота вращения вала.

2 Полезная мощность насоса – мощность, сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости:

. (6.3)

6 К.п.д. насоса - отношение полезной мощности к мощности насоса

. (6.4)

6.3 Поршневые насосы

Поршневые насосы представляют собой простейшие объемные машины с возвратно-поступательным движением поршня в цилиндре. Схема однопоршневого насоса одностороннего действия показана на рис.6.3.

Рисунок 6.3 – Схема поршневого насоса:

1 – рабочая камера; 2 – поршень; 3, 4 – клапаны; 5, 6 – напорный и всасывающий трубопроводы; 7 – резервуар; 8 – кривошипно-шатунный механизм

Во время работы двигателя вращательное движение его вала при помощи кривошипно – шатунного механизма преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня. Если поршень движется вправо, то объем рабочей камеры увеличивается, а давление в ней уменьшается. Всасывающий клапан открывается, и жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу поступает в насос. Если поршень движется влево, то объем рабочей камеры уменьшается, а давление в ней увеличивается, всасывающий клапан закрывается, напорный открывается, и жидкость поступает в напорный трубопровод. За один двойной ход поршня насос производит одно всасывание и одно нагнетание, поэтому он называется насосом одностороннего действия.

Подача насоса одностороннего действия определяется по формуле

, (6.5)

где – рабочий объем; h – ход поршня, h=2r; n – число двойных ходов поршня в единицу времени; – объемный к.п.д. ().

Поршневые насосы применяют для перекачивания воды, вязких и загрязненных жидкостей. Достоинством этих насосов является их способность к самовсасыванию. При запуске поршневой насос не нуждается в предварительном заливе.

6.4 Пластинчатые насосы

В пластинчатых насосах вытеснителем являются пластины. Рабочие камеры образованы двумя соседними пластинами и поверхностями ротора и статора. Схема пластинчатого насоса показана на рис. 6.4.

Рисунок 6.4 – Схема пластинчатого насоса:

1 – ротор; 2 – статор; 3 – пластина; 4 – камера всасывания; 5– камера нагнетания

Насос состоит из статора (корпуса) и ротора, в радиальных пазах которого установлены пластины. Пластины при вращении ротора совершают относительно него возвратно-поступательное движение. Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом е. Статор имеет камеры всасывания и нагнетания. При вращении ротора пластины под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности статора. Жидкость из камеры всасывания переносится в камеру нагнетания.

Подачу пластинчатого насоса можно определить по формуле

, (6.6)

где в – ширина пластины; е-эксцентриситет; D - диаметр статора;

z – число пластин;- толщина пластины; n – частота вращения ротора; -объемный к.п.д. ().

Пластинчатые насосы применяются в основном для подачи масла в системы гидропривода станков, прессов, транспортных машин, а также для перекачивания других смазочных материалов и вязких продуктов.

6.5 Шестеренные насосы

Шестеренные насосы получили широкое распространение для подачи масел в системы гидропривода, а также для перекачивания смазочных материалов. Наиболее широко применяются насосы с шестернями внешнего зацепления. На рис. 6.5 приведена схема такого насоса. Он состоит из двух одинаковых шестерен ведущей и ведомой, установленных в корпусе с минимальными зазорами. Шестерни вращаются навстречу другу. При вращении шестерен жидкость заполняет впадины и переносится из полости всасывания в полость нагнетания и далее, при вступлении зубьев в зацепление, вытесняется в напорное окно.

Рисунок 6.5 – Схема шестеренного насоса

Подача шестеренного насоса определяется по формуле

, (6.7)

где m-модуль зацепления; z-число зубьев; n – частота вращения ротора; -объемный к.п.д. ().

7 Объемные гидродвигатели и гидроаппаратура

7.1 Объемные гидродвигатели

Объемным гидродвигателем называется объемная гидромашина для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена (вала, штока). В зависимости от характера движения выходного звена гидродвигатели подразделяются на три класса:

а) гидроцилиндры – объемные гидродвигатели с поступательным движением выходного звена;

б) поворотные гидродвигатели – объемные гидродвигатели с углом поворота меньше 360°;

в) гидромоторы – объемные гидродвигатели с вращательным движением выходного звена.

1 Гидроцилиндры. Гидроцилиндры являются простейшими гидродвигателями, которые применяются в качестве исполнительных механизмов гидроприводов различных машин и механизмов с поступательным движением выходного звена.

В гидроцилиндрах одностороннего действия движение выходного звена под действием потока рабочей жидкости осуществляется только в одном направлении, в гидроцилиндрах двустороннего действия – в обоих направлениях. Кроме этого, гидроцилиндры выполняются с односторонним или двусторонним штоком. Преимущественно применяют гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком. Схема такого гидроцилиндра показана на рис. 7.1.

Расход гидроцилиндра определяется из соотношения

, (7.1)

где S_э – эффективная площадь поршня гидродвигателя;

V_n – скорость движения поршня; – объемный к. п. д.

Рисунок 7.1 – Схема гидроцилиндра с односторонним штоком двустороннего действия

Площадь S_э зависит от направления движения поршня. При движении поршня вправо S_{э пр} = pD²/4, при движении влево – S_{э лев} = p(D² – d²)/4. При изменении площади соответственно изменяются расход и скорость движения жидкости при ходе влево или вправо.

Усилие на штоке F определяется из уравнения равновесия поршня и для хода вправо будет равно:

F = (F₁-F₁)∙ (7.2)

или

∙, (7.3)

где р₁ и р₂ – давления жидкости в рабочей и сливной полостях гидроцилиндра; D – диаметр поршня; d – диаметр штока; – механический к. п. д. гидроцилиндра, учитывающий потерю энергии в гидроцилиндре на преодоление сил трения при движении поршня и штока (= 0,85-0,95).

Выходная (полезная) мощность гидроцилиндра N_вых определяется из соотношения

N_вых = F× V_n, (7.4)

где F – усилие на штоке; V_n – скорость передвижения поршня.

Входная мощность N определяется параметрами на входе в цилиндр:

N_вх = PQ, (7.5)

где р – давление на входе в цилиндр; Q – расход гидроцилиндра. К. п. д. цилиндра – это отношение выходной мощности к входной

, (7.6)

2 Поворотные гидродвигатели. По конструкции поворотные гидродвигатели бывают поршневые, лопастные и мембранные. Наиболее распространены поршневые поворотные гилродвигатели (рис. 7.2).

	Для обеспечения поворотного движения рабочую жидкость подают в рабочие камеры гидродвигателя. Поворотное движение осуществляется за счет применения реечно-зубчатой передачи. Угол поворота вала рабочей машины ограничивается ходом поршня двигателя.
Рисунок 7.2 – Поршневой поворотный гидродвигатель

3 Гидромоторы. Это объемные гидродвигатели вращательного движения. В машиностроении в качестве гидромоторов используют объемные роторные гидромашины. Благодаря свойству обратимости роторных насосов, любой из них может быть использован в качестве гидромотора. Гидромоторы, как и насосы, классифицируют на шестеренные, винтовые, пластинчатые и поршневые.

В зависимости от возможности регулирования рабочего объема гидромоторы делятся на регулируемые и нерегулируемые. Если выходное звено гидромотора может вращаться в обе стороны, то он называется реверсивным. Условное обозначение реверсивного регулируемого гидромотора показано на рис. 7.3.

	Гидромотор, как и роторный насос, харак-теризуется рабочим объе-мом V0 , который зависит от его вида. Расход гидромотора определяется по формуле
Рисунок 7.3 – Условное обозначение гидромотора

(7.7)

где n – частота вращения вала гидромотора; объемный к. п. д.

Перепад давления на гидромоторе определяется разностью между давлением на входе и на выходе, т. е.

Dр = р₁-р₂. (7.8)

Полезная мощность гидромотора равна

N_n = М×w, (7.9)

где М – крутящий момент на валу гидромотора; w – угловая скорость вала, w = pn/30.

Мощность, потребляемая гидромотором:

N =DpQ. (7.10)

Отношение N_п/N определяет общий к. п. д. гидромотора

. (7.11)

7.2 Гидроаппаратура

Гидроаппаратом называется устройство, предназначенное для изменения параметров потока рабочей жидкости (давления, расхода, направления движения) или для поддержания их заданного значения. Основным элементом всех гидроаппаратов является запорно-регулирующий орган – подвижный элемент, при перемещении которого частично или полностью перекрывается проходное сечение гидроаппарата. В зависимости от конструкции запорно-регулирующие элементы бывают золотниковые, клапанные, крановые.

Если гидроаппарат изменяет параметры потока рабочей жидкости, то он является регулирующим.

Гидроаппараты можно разделить на три основных типа:

а) гидрораспределители; б) гидроклапаны; в) гидродроссели.

Рассмотрим кратко каждый тип гидроаппарата.

1 Гидрораспределители. Гидрораспределитель – это гидроаппарат, предназначенный для изменения направления потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях. В зависимости от числа внешних гидролиний, подводимых к распределителю, гидрораспределители бывают двухлинейные, трехлинейные и т. д.; в зависимости от числа позиций запорно-регулирующего органа – двухпозиционные, трехпозиционные

	и т. д. Условное обозначение 4-линейного 3- позиционного распреде-лителя с электрическим управлением показано на рис.7.4.
Рисунок 7.4 – Условное обозначение распределителя

Наиболее распространенным является золотниковый распределитель.

Потери давления Dр_р в гидрораспределителе определяют по формуле

(7.12)

где Q_ном и р_ном – номинальная подача и потери напора на номинальной подаче (паспортные данные);

Q_ф - фактическая подача жидкости в гидроаппарате.

2 Гидроклапаны. Гидроклапаном называется гидроаппарат, в котором степень открытия проходного сечения изменяется под воздействием напора проходящей через него жидкости. Гидроклапаны бывают регулирующие и направляющие. К регулирующим относятся клапаны давления, предназначенные для регулирования давления в потоке рабочей жидкости. Из них наиболее широко применяются напорные и редукционные клапаны.

Напорные гидроклапаны делятся на предохранительные, которые предохраняют систему от давления, превышающего допустимое, и переливные, предназначенные для поддержания заданного уровня давления путём непрерывного слива рабочей жидкости во время работы.

Основные элементы шарикового напорного клапана показаны на рис. 7.5 .

	Принцип действия всех напорных клапанов одинаков и основан на уравновешивании силы давления рабочей жидкости, действующей на клапан, усилием пружины (рис. 7.6).
Рисунок 7.5 – Схема предохра-нительного клапана

	Сила давления пружины Fпр уравновешивается силой давления жидкости Fдавл, действующей на запорный элемент. При условии Fпр = Fдавл – клапан закрыт. Сила давления Fдавл определяется из условия:
Рисунок 7.6 – Принцип действия напорного клапана

Fдавл = р × , (7.13)

где р- давление жидкости в системе; d_y – диаметр седла клапана (условного прохода жидкости).

Когда давление жидкости в системе превысит заданное, то Fпр< Fдавл, запорно-регулирующий орган клапана смещается и открывает проход рабочей жидкости на слив.

Редукционные клапаны предназначены для поддерживания в отводимом потоке стабильного давления р₂, более низкого, чем давление р₁ в подводимом потоке. Их применяют при питании от одного насоса нескольких потребителей, требующих разных давлений.

Направляющие (обратные) клапаны пропускают жидкость только в одном заданном направлении.

2 Гидравлические дроссели. Гидродроссель – это регулирующий гидроаппарат, представляющий собой специальное местное сопротивление, предназначенное для изменения давления в потоке рабочей жидкости. Основное назначение его – установить связь между пропускаемым расходом и перепадом давления до и после дросселя. Дроссели разделяют на регулируемые и нерегулируемые. Регулируемые дроссели (условное обозначение показано на рис 7.7) широко применяют в гидроприводе для регулирования скорости движения выходного звена гидродвигателя.

Рисунок 7.7 – Условное обозна-чение регулируемого дросселя	Рисунок 7.8 – Схема игольча-того дросселя

В системах гидроавтоматики распространены игольчатые, щелевые и винтовые дроссели. Схема игольчатого дросселя показана на рис. 7.8. Изменение площади проходного сечения дросселя достигается за счет осевого перемещения иглы.

Расход жидкости через дроссель любой конструкции определяется по формуле

Qдр = S др , (7.14)

где – коэффициент расхода дросселя, для игольчатых дросселей μ = 0,75 – 0,8; S др – площадь проходного сечения дросселя; △р = р₁– р₂ – перепад давления на дросселе; ρ – плотность жидкости.

8 Принципиальная схема гидропривода. Пневматический привод

8.1 Принципиальная схема гидропривода

Принципиальная схема гидропривода возвратно-поступательного движения показана на рис. 8.1.

	Насос забирает жидкость из бака 9 и через дроссель 3 и распределитель 4 подает ее в рабочую полость гидроцилиндра 5. Под действием давления рр поршень перемещается вправо и преодолевает нагрузку F, сдвигая стол рабочей машины 6. Из гидроцилинд-ра жидкость сливается через другой канал распределителя 4, подпорный клапан 7 и фильтр 8 в бак 9.
Рисунок 8.1 – Принципиальная схема гидропривода: 1 – насос; 2 – клапан напорный; 3 – дроссель; 4 – распределитель; 5 – гидроцилиндр; 6 – стол рабочей машины; 7 – клапан подпорный; 8 – фильтр; 9 – бак

Изменение направления движения поршня гидроцилиндра 5 производится изменением позиции распределителя 4. Дроссель 3- регулируемый и позволяет изменять площадь проходного сечения, тем самым изменяя расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр Q_ц. При этом изменяется скорость Vn передвижения поршня гидроцилиндра и соответственно стола рабочей машины : (). Клапан подпорный 7 обеспечивает плавность хода поршня гидроцилиндра.

8.2 Общие сведения о пневмоприводе

Пневмоприводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в действие машин и механизмов посредством сжатого газа. Обычно в пневмоприводах рабочей средой является сжатый воздух.

Пневмопривод используется в станках, тормозных системах, полиграфических машинах, пневмороботах, пневматическом инструменте и др. В сравнении с гидроприводом пневмопривод имеет как преимущества, так и недостатки.

Преимущества пневмопривода следующие: а) небольшие потери давления в пневмолиниях; б) возможность использования в пожароопасных помещениях; в) экологичность.

Недостатками пневмопривода являются большой шум, необходимость устройства смазывающих систем и меньшая мощность в сравнении с гидроприводом.

Функциональная схема пневмопривода (рис. 8.2) аналогична схеме гидропривода, только вместо энергии жидкости используется пневмоэнергия, а вместо гидродвигателя и насоса используются пневмодвигатель и компрессор.

Рисунок 8.2 – Схема пневмопривода:

1 – компрессор; 2- фильтр-влагоотделитель; 3 – редукционный клапан; 4 – манометр; 5 – маслораспылитель; 6 – распределитель; 7 – пневмоцилиндр;8 – выход в атмосферу

Рассмотрим принцип работы пневмопривода.

Сжатый воздух от компрессора 1 подводится на вход пневмораспределителя 6. Поток воздуха перед этим проходит через фильтр – влагоочиститель 2, очищается от механических частиц ( пыли, продуктов износа, корозии) и водяного пара. Далее при помощи редукционного клапана 3 регулируется и поддерживается на установленном уровне давление воздуха, которое контролируется манометром 4.

Маслораспылитель 5 насыщает воздух мелкими капельками масла и обеспечивает смазку двигающихся элементов пневмопривода. Двухпозиционный пневмораспределитель 6 в каждой из позиций устанавливает направление движения поршня пневмоцилиндра 7. Отработанный воздух выходит в атмосферу 8.

Список литературы

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов / Т.М.Башта, С.С.Руднев, Б.Б.Некрасов и др. – М.:Машиностроение, 1982. – 423 с.

2. Вильнер Я.М., Ковалев Я.Т., Некрасов Б.Б. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам. – Минск: Вышэйш. школа, 1976. – 416 с.

3. Гідроприводи та гідропневмоавтоматика: Підручник / В.О. Федорець, М.Н. Педченко, В.Б. Струтинський та ін.; За ред. В.О.Федорця. – К.: Вища шк., 1995. – 463 с.

4. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы: Методические указания и контрольные задания для студентов -заочников инженерно-технических специальностей вузов / В.П.Норкус и др. – М.: Высш.шк., 1989. – 56 с.