Конспект лекции по гидравлике.. Гидравлика, гидро и пневмоприводы
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
2.4 Пластинчатые насосы двойного действия Ротор с наклонными пластинами вращается в статорном кольце 2 (рис. 1.4, а). Расточка статорного кольца имеет профиль в виде эллипса. При работе насоса пластины под действием центробежных сил и давления масла, подводимого под их основания, прижимаются к профилю расточки кольца. В статоре 1 имеются четыре окна, два из которых (см. на рис. позиции 3 и 5) - для всасывания, а два (поз. 4 и 6) - для нагнетания масла.
Идеальная подача в л/мин равна  или3 Гидродвигатели Различают гидродвигатели: а) с неограниченным ходом – гидромоторы; б) с ограниченным ходом – гидроцилиндры и гидродвигатели. 3.1 Гидромоторы 3.1.1 Гидромоторы преобразуют энергию потока жидкости в механическую энергию вращательного движения выходного вала. Конструкции ряда гидромоторов схожи с конструкциями насосов. Для действия гидромоторов в их рабочие органы надо подавать масло от насоса. Теоретическое и фактическое значения крутящего момента гидромотора (Н м):  теоретическое и фактическое значения подачи масла в гидромотор (л/мин), необходимой для обеспечения частоты вращения его вала n (об/мин или мин–1):  В формулах:  – перепад давления в камерах гидромотора, МПа;Примечание. Далее вместо может рассматриваться р – рабочее давление – при допущении, что противодавление равно 0 (как это сделано, например, в п. 1.9);W – рабочий объём гидромотора – сумма изменений объёмов его рабочих камер за один оборот вала, мм3 (в справочниках – см3);  – механический КПД;  – коэффициент подачи.
3.1.2 Рассмотрим принцип действия аксиально-поршневого гидромотора поясняется рис. 2.2 в совокупности с рис. 1.2.
Такая же сила (Р'=Р) действует на поршень со стороны шайбы. Силу Р' можно разложить на две составляющие: нормальную к плоскости направляющих шайбы N и вертикальную (тангенциальную) Т. Составляющая  создаёт крутящий момент на плече  , где  – мгновенное значение угла расположения оси поршня. Все поршни, работающие в зоне нагнетания, создают суммарный крутящий момент на валу гидромотора.Аксиально-поршневые гидромоторы весьма компактны, имеют меньший момент инерции, чем радиально-поршневые, более удобны при монтаже и ремонте, что обусловило большое их распространение. 3.1.3 Принцип действия радиально-поршневого гидромотора (рис. 2.3, а также 1.3). При подводе масла под давлением р под основание поршня на нём развивается сила  Такая же сила (Р') действует на поршень со стороны корпуса, т.е. Р'=Р. Силу Р' можно разложить на две составляющие: N – нормальную и Т – перпендикулярную к Р'.  где  – угол, зависящий от величины эксцентриситета е и положения поршня. Сила Т создает на плече  крутящий момент. Все поршни, работающие в зоне нагнетания, создают суммарный крутящий момент на валу гидромотора.3.2 Гидроцилиндры и поворотные гидродвигатели Эти агрегаты являются гидродвигателями возвратно-поступательного или возвратно-поворотного движения, преобразующими энергию потока жидкости в механическую энергию перемещающегося поршня (корпуса цилиндра) или шибера с валом. В станках и других технологических машинах широко применяются поршневые гидроцилиндры двухстороннего действия с односторонними и двухсторонними штоками (рис. 2.5,а,б,в,г). Штоки могут быть подвижными и неподвижными. При неподвижном штоке подвод масла может осуществляться через него или с помощью гибких шлангов. Рассмотрим схему гидроцилиндра с односторонним штоком (рис. 2.5,а).  На схеме: р1 и р2 – рабочее давление и противодавление; D и d – диаметры поршня и штока; Fшт – площадь сечения штока;  F1 и F2 = F1–Fшт – рабочие площади поршня в поршневой и штоковой полостях:  Р = R+S – развиваемая сила, где R – сила технологического сопротивления, а S – сила трения в уплотнениях цилиндра. p1∙F1= p2∙F2 + R + S – уравнение равновесия сил на поршне. Очевидно:  Скорости перемещения поршня вправо и влево, если пренебречь утечками, равны:  При этом: v1 < v2.Соотношения скоростей перемещения поршня вправо и влево зависят от соотношения рабочих площадей поршня:  или  Обычно d = (0,25-0,4)D, при этом v1/v2 = 0,94-0,84. В цилиндрах с двухсторонним штоком v1=v2, но осевые размеры таких цилиндров больше. Кроме цилиндров двухстороннего действия используются также цилиндры одностороннего действия (рис. 2.5,д,е) и поворотные гидродвигатели. Рассмотрим шиберный поворотный гидродвигатель (рис. 2.5,ж). В нём шибер (или лопасть) с валом совершает возвратно-поворотные движения. Развиваемые окружная сила на шибере в Н и крутящий момент в Нм: P = pB(R– r),  где – механический КПД гидродвигателя; В – ширина шибера; В, R, r – в мм; р – в МПа.Частота качаний в минуту вала гидродвигателя  ,где Q – подача масла в л/мин; – коэффициент подачи;W – рабочий объём гидродвигателя в мм3 (или пропускная способность).  где  – угол поворота шибера в радианах ( здесь  в градусах).На рис. 2.5,з показан поршневой поворотный гидродвигатель, в котором имеется цилиндр со штоком-рейкой для привода реечного колеса с выходным валом. 3.3 Дифференциальное включение цилиндра с односторонним штоком Гидроцилиндр с односторонним штоком при определённых диаметрах поршня и штока, подключенный по т.н. дифференциальной схеме (рис. А8), позволяет обеспечить требуемое соотношение скоростей прямого и обратного ходов, в т.ч. обеспечить их равенство.  Рис. А8
Чтобы v1 = v2, должно быть Qн/Fшт = Qн/(F1– Fшт) и 2Fшт = F1 или Fшт = 0,5F1, откуда d2 = 0,5D2 и d  0,71D.При d = 0,3D v1/v2 10.3.4 Вариант конструкции гидроцилиндра и рекомендации по расчёту размеров цилиндров 3.4.1. На рис. 2.6 представлен вариант конструкции гидроцилиндра с односторонним штоком. В конструкции обеспечивается торможение в конце хода поршня в любую сторону, для чего предусмотрены: специальный выступ с правой стороны поршня и тормозное кольцо с левой, которые, входя в расточки крышек в конце хода, затрудняют выход масла из соответствующей полости. В результате скорость поршня уменьшается. Для выпуска воздуха из полостей цилиндра в крышках могут быть выполнены специальные отверстия, заглушаемые резьбовыми пробками. Условные обозначения некоторых гидроцилиндров приведены на рис. 2.7.  3.4.2. При расчёте размеров цилиндров с односторонним штоком следует учитывать, при каком ходе штока – прямом или обратном – преодолевается технологическая нагрузка. Так, усилие на штоке цилиндра (равное преодолеваемому цилиндром сопротивлению Р) будет: а) при толкающем штоке б) при тянущем штоке   ,  ,откуда   где p и рпр – рабочее давление и противодавление; а = d/D. Для рыночных цилиндров а = 0,25-0,4, для дифференциального цилиндра, обеспечивающего равенство скоростей прямого и обратного ходов (v1 = v2),  В выражениях: d и D в мм, Р в Н, p и рпр в МПа. Для обеспечения требуемого соотношения скоростей v1/v2: при обычном подключении цилиндра:  , при дифференциальном:  .После определения диаметра поршня определяется диаметр штока: d = a D. Значения диаметров поршней и штоков должны выбираться из рядов, установленных ГОСТами. После определения D и d следует выполнить некоторые проверки. К примеру: в цилиндрах следует выдерживать l/D=18-20, где l - ход штока цилиндра. Если l/D>20, то возможно при работе возникновение вибраций и автоколебаний из-за наличия в цилиндре значительного объёма масла и его сжимаемости. В этом случае можно увеличить D, а если это нецелесообразно, то следует применить вместо цилиндра гидромотор с винтовой или реечной передачей. Сжимаемость масла в цилиндре приводит к запаздыванию движения его штока; время запаздывания (с) будет:  где F – площадь поршня, мм2; H - высота сжимаемого столба масла, мм; E - модуль упругости масла, МПа;  – изменение давление масла в рабочей камере цилиндра, обеспечивающее начало движения штока, МПа;Q – подача масла в цилиндр, л/мин. Время t может быть значительным. К примеру, при D=125 мм, Н=600 мм, Е=1400 МПа,  =4 МПа, Q=0,3 л/мин, будет t=4,2 с.В связи с этим, при необходимости обеспечения плавности движения, особенно при малых скоростях, отношение l/D должно быть значительно меньшим. При работе толкающего цилиндра его шток нагружается значительными сжимающими усилиями, под действием которых может возникнуть прогиб штока (потеря устойчивости), а при дальнейшем увеличении нагрузки – разрушение цилиндра. Во избежание этого необходимо придерживаться определенных соотношений между величиной хода, диаметром штока и сжимающей нагрузкой при учете способа закрепления цилиндра. При v>18 м/мин (в точных станках – >8 м/мин) в конце хода необходимо предусматривать торможение поршня для исключения резких ударов его о крышку цилиндра. 3.4.3. Для обеспечения требуемых скоростей в цилиндр с односторонним штоком должна обеспечиваться подача масла:  - при прямом ходе поршня (на рис. – вправо):   ,- при обратном:  (Q, л/мин; v, м/мин; D и d, мм).Для цилиндров с резинотканевыми и резиновыми уплотнениями (см. п. 7.2) практически коэффициент подачи (объёмный КПД)  При уплотнении поршня разрезными металлическими кольцами  Если скорость хода (прямого, обратного, того и другого) должна регулироваться, то следует рассчитывать подачи масла при наибольших скоростях. 4 Направляющая гидроаппаратура Направляющие гидроаппараты изменяют направление потока масла путем полного открытия или полного закрытия рабочего проходного сечения. В зависимости от типа применяемого для этой цели запорно-регулирующего элемента различают аппараты золотниковые, крановые и клапанные. К направляющим аппаратам относятся направляющие распределители, обратные клапаны, гидрозамки и некоторые другие аппараты (клапаны выдержки времени, клапаны последовательности и пр.). В функции направляющих аппаратов также могут использоваться некоторые гидроклапаны давления. 4.1 Направляющие гидрораспределители Распределители предназначены для изменения направления, а также пуска и останова потока масла в двух или более линиях в зависимости от наличия внешнего управляющего воздействия. 4.1.1 Золотниковые направляющие распределители В таких распределителях запорно-регулирующими элементами являются цилиндрические или плоские золотники, получающие прямолинейное перемещение. В зависимости от числа фиксированных позиций золотника распределители могут быть двухпозиционные, трехпозиционные и т.д. В зависимости от числа внешних гидролиний, поток в которых управляется аппаратом, различают распределители двухлинейные, трехлинейные и т.д. (рис. 3.2). На рис. 3.1,а,б показаны конструктивная и абстрактная схемы четырехлинейного трехпозиционного (4/3) распределителя с цилиндрическим золотником и электромагнитным управлением. Золотник (плунжер) распределителя в среднее положение устанавливается пружинами, в крайние – толкающими электромагнитами. В крайних положениях золотника напорная гидролиния соединяется с одним из выходных каналов (В или Г), соответственно другой канал соединяется со сливной линией.  Возможно значительное число вариантов соединений линий при средней позиции золотника распределителя, обеспечиваемых при соответствующих осевых размерах буртов и проточек золотника. Некоторые варианты соединений линий показаны на рис. 3.1,в. Если из рассматриваемой конструкции удалить пружины, распределитель станет двухпозиционным (рис. 3.2,б). Некоторые виды управления переключением распределителей показаны на рис. 3.3. 4.1.2 Крановые распределители В таких распределителях запорно-регулирующими элементами являются поворотные краны. На рис. 3.4 показан распределитель 4/2 с ручным управлением (кран управления). Направление потока жидкости изменяется при повороте крана на 45°. Поворотные краны управляются, как правило, вручную или от подвижных упоров. 4.2 Обратные клапаны Предназначены для свободного пропускания масла только в одном направлении. Варианты конструкций и условное обозначение клапанов приведены на рис. 3.5. Несколько типовых случаев применения обратных клапанов в гидросистемах показано на рис. 3.6. 
4.3 Гидравлические замки Гидрозамок – это обратный управляемый клапан, предназначенный для пропускания потока масла: а) в одном направлении и запирании в обратном – в случае отсутствия управляющего воздействия; б) в обоих направлениях – при наличии управляющего воздействия. Различают гидрозамки односторонние и двусторонние, у первых – один запорно-регулирующий элемент, у вторых – два.
В двустороннем замке (рис. 3.7,в,д) при подаче масла, например, в канал 3, оно свободно проходит в канал 4. Одновременно поршенек П смещается вправо, открывая правый клапан. При этом масло из канала 2 может проходить в канал 1. В том случае, если циркуляции масла не происходит, обратные клапаны запирают масло в цилиндре, фиксируя тем самым его поршень. 5 Регулиpующая гидpоаппаpатуpа Регулирующие аппараты управляют давлением, расходом и направлением потока масла путём частичного открытия рабочего проходного сечения. К ним относятся клапаны давления, дроссели, регуляторы и синхронизаторы расходов, дросселирующие распределители. 5.1 Клапаны давления 5.1.1 Общие сведения Клапаны давления – это аппараты, предназначенные для управления давлением рабочей среды. Различают клапаны прямого и непрямого действия. У первых размеры рабочего проходного сечения изменяются в результате непосредственного воздействия потока масла на запорно-регулирующий элемент, у вторых эти размеры изменяются основным запорно-регулирующим элементом в результате воздействия потока масла на вспомогательный запорно-регулирующий элемент. Клапаны прямого действия применяют при небольших расходах масла и рабочих давлениях. По назначению клапаны давления разделяют следующим образом: 1) напорные гидроклапаны (предохранительные и переливные), 2) редукционные клапаны, 3) клапаны соотношения давлений (или пропорциональные), 4) клапаны разности давлений (или дифференциальные). Существуют также комбинированные аппараты, которые могут выполнять в гидросистемах одновременно функции редукционного и переливного клапанов (в зависимости от направления потока), редукционного клапана и реле давления. 5.1.2 Напорные клапаны Напорные клапаны используются в гидросистемах в функции предохранительных клапанов или переливных. Предохранительные клапаны являются аппаратами эпизодического действия, предназначенными для защиты гидросистемы от повышения давления масла сверх установленной величины. При повышении давления сверх допустимого клапан открывается и избыток масла сливается в бак. Обычно клапан срабатывает редко. Предохранительные клапаны используются в системах машинного регулирования. Переливные клапаны предназначены для поддержания определенного давления в гидросистеме, а также для предохранения системы от перегрузок. Обычно через переливные клапаны постоянно сливается – "стравливается" – часть масла, нагнетаемого насосом. Используются в системах дроссельного регулирования. Условное обозначение напорных клапанов и место их установки в системе показано на рис. 4.1,б.
При колебаниях давления плунжер двигается вправо или влево до тех пор, пока не установится такой размер щели, при котором восстанавливается равновесие сил на плунжере. Для различных целей клапан может быть применён в одном из четырёх исполнений (рис. 4.2). Переход от одного исполнения к другому осуществляется соответствующим разворотом правой и левой крышек.
5.1.2.2 Для напорного гидроклапана непрямого действия (рис. 4.3,а,б,в) уравнение равновесия сил на поршне (без учета сил инерционных, трения и колебаний жёсткости пружины) можно представить в виде: p1(FВ+FГ) = pДFД+Pпр+G, где р1 – давление в подводимом потоке масла; pД – давление в полости Д; FВ, FГ, FД – площади торцев поршня в соответствующих полостях, при этом FВ+FГ = FД; Pпр – сила пружины; G – вес поршня. Рассмотрим работу клапана. 1) Клапан в качестве предохранительного действует следующим образом. Если давление в напорной линии меньше того, на которое настроен клапан, то p1= pД, сумма сил, действующих на поршень сверху, больше сил, действующих снизу, поршень находится в крайнем нижнем положении и проход маслу из полости А в полость Б закрыт. При возрастании давления в системе выше давления "настройки" клапана шарик поднимается и полость Д соединяется со сливной линией, в результате pД резко падает. Его возрастание не может произойти мгновенно, т.к. на пути масла из полости В в полость Д имеется гидравлическое сопротивление – демпфер 7. В результате силы, действующие на поршень снизу, превысят сумму сил, действующих сверху, поршень поднимется и откроет щель для выхода масла из полости А в полость Б и сливную линию. После снижения давления пружина 8 возвращает поршень, а пружина 3 – шарик в первоначальные положения.
5.1.3 Редукционные клапаны Служат для создания на участке гидросистемы постоянного давления, меньшего, чем давление, развиваемое насосом. Клапаны могут применяться для регулирования усилия, развиваемого рабочим органом. Редукционные клапаны используются также в регуляторах расхода. Условные изображения и место установки клапана в системе показаны на рис. 4.4,б,в,г. Вариант конструкции редукционного клапана представлен на рис. 4.4,а. При холостых режимах работы давление масла в гидросистеме обычно невелико (значительно ниже того, на которое настроен клапан). В результате под действием слабой пружины 5 и собственного веса поршень устанавливается в крайнем нижнем положении, кольцевая щель между кромками нижнего бурта поршня и расточки корпуса при этом имеет максимальную величину и выходное давление меньше того, под которым масло подходит к клапану, лишь на величину потерь, обусловленных конструкцией клапана. При рабочих режимах давление масла в гидросистеме возрастает и устанавливается равновесие сил на поршне клапана, которое (без учёта сил инерционных, трения и колебаний жёсткости пружины) можно представить уравнением p2(FВ+FГ) = pДFД+Pпр+G, где р2 – давление в потоке на выходе из клапана (редуцированное); pД – давление в полости Д клапана; FВ, FГ, FД – площади торцев поршня в соответствующих полостях, при этом FВ+FГ = FД; Pпр – сила пружины; G – вес поршня.
5.1.4 Клапаны соотношения давлений (пропорциональные) Клапаны поддерживают постоянное соотношение между давлением на входе р1 и на выходе р2.
5.1.5 Клапаны (регуляторы) давления для уравновешивающих цилиндров (рис. 4.6, а также на рис. 7.3 – клапан К8) Когда рабочий орган движется вверх, поток масла идет в уравновешивающий цилиндр через полость А клапана, щель между корпусом и основной дросселирующей кромкой 2, полость Б и канал 8. При этом клапан, работая аналогично редукционному, поддерживает постоянное давление в выходном канале 8. При движении рабочего органа вниз масло вытесняется из уравновешивающего цилиндра в канал 8 и идёт через полость Б клапана, щель между корпусом и дополнительной дросселирующей кромкой 3 золотника и полость Е, откуда сливается в бак. В этом случае клапан, работая аналогично переливному, поддерживает постоянное давление во входном канале, которым является тот же канал 8. При работе клапана в редукционном и переливном режимах давление масла в полости уравновешивающего цилиндра определяется настройкой одного и того же вспомогательного клапана 6, поэтому усилие уравновешивающего цилиндра остается практически постоянным при движении рабочего органа в обе стороны и при остановке его в промежуточном положении. 5.2 Дроссели Дроссель представляет собой местное гидравлическое сопротивление, устанавливаемое на пути течения жидкости с целью ограничения её расхода или создания перепада давления.
Треугольная форма (вид А) проходного сечения при малых открытиях щели способствует уменьшению опасности засорения дросселя. При одной и той же площади проходного сечения щели меньшая её засоряемость и минимальная зависимость расхода через дроссель от температуры масла будет иметь место в конструкциях, где когда путь протекания масла и периметр щели будут наименьшими. На рис. 4.9,е показано условное обозначение регулируемых дросселей. 5.3 Гидропанели В гидросистемах в ряде случаев взамен отдельных аппаратов применяются более компактные и надежные комбинированные аппараты - гидропанели и клапанные коробки целевого назначения. Эти устройства в одном корпусе могут содержать направляющие и регулирующие гидроаппараты. В качестве примеров рассмотрим разделительные гидропанели. Для сокращения потерь мощности питание гидроприводов часто осуществляют от двух насосов. При этом возникает задача автоматического переключения насосов в зависимости от расхода масла, потребляемого гидроприводом в тот или иной момент цикла. Для случаев, когда давление в гидроприводе изменяется в зависимости от нагрузки (при быстрых перемещениях рабочего органа давление пониженное, а при рабочих ходах – высокое), панель (рис.4.10,а) может обеспечивать подачу масла во время быстрых перемещений от двух насосов, а во время рабочего хода – от одного, обеспечивающего малую подачу масла под высоким давлением. Гидропотоки в такой панели будут следующими: - при холостом ходе:  - при рабочем ходе давление в линии 1 возрастает, клапан К2 открывается и насос Н2 разгружается: (Н2)2(К2)3(Б); в результате линия 1 питается только от насоса Н1:  В схеме: К1 и К2 – переливные клапаны, соответственно, высокого и низкого давления, К3 – обратный клапан.
В схеме: К1 и К2 – переливные клапаны насосов Н1 и Н2, соответственно; К3 – обратный клапан. Выпускаются гидропанели и для других целей. |
(R2– r2)В.
.
– КПД гидромотора.
.
.
;