Курс лекций по гидравлике. Курс лекций по гидравлике и гидромашинам 2011 Для бакалавров направления Технологическое образование
 Скачать 3.26 Mb.
|
|
Лекция 8. Гидропривод и гидроаппаратура План лекции: 13. Общие сведения о гидроприводе. Основные понятия. Классификация гидроприводов. 14. Принципиальные схемы гидропривода. 15. Объемные гидродвигатели. 16. Гидроаппаратура. 17. Следящие гидроприводы. 8.6. Общие сведения о гидроприводе. Основные понятия Гидроприводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости, находящейся под давлением, с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости движения выходного звена гидродвигателя. Основное назначение гидроприводов – механизация и автоматизация технологических процессов. В сравнении с механическими передачами гидропривод обладает значительно более высокими массогабаритными показателями, отсюда 81 существенно меньшей инерционностью. Помимо этого простота автоматизации движения рабочих органов с помощью гидроприводов позволяет использовать их вместо традиционных механических передач. Еще одно важное преимущество гидропривода – глубина регулирования скорости движения рабочих органов. Так современные гидромоторы имеют диапазон частот вращения от нескольких оборотов в минуту до нескольких тысяч. Кроме того, гидромоторы обладают и высоким быстродействием. Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объемные. В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости. В объемных гидроприводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости. Наибольшее распространение получили объемные гидроприводы. Объемный гидропривод включает в себя объемные гидромашины, гидроаппаратуру, гидролинии (трубопроводы) и вспомогательные устройства. Принцип действия объемного гидропривода основан на законе Паскаля. В качестве примера простейшего гидропривода можно привести гидравлический рычаг (рис.1). Рис.65. Схема простейшего гидропривода Сила , с которой поршень давит на жидкость, создает давление в системе Скорость перемещения поршня определяет расход жидкости в гидросистеме: Откуда, мощность, передаваемая поршнем 1 исполнительному механизму 2, равна: Легко подсчитать усилие на исполнительном механизме в соответствии с законом Паскаля: Из приведенного примера видно, что для функционирования гидропривода прежде всего необходим источник высокого давления. В данном случае источником является поршень 1. Цилиндр с поршнем 2 выступает как исполнительный механизм. Оба цилиндра соединены гидролинией, через которую передается давление, созданное поршнем 1. В целом же, совокупность всех устройств, входящих в объемный гидропривод, можно представить в виде следующей схемы (рис.66). F 1 F 2 82 Рис.66. Схема объемного гидропривода Как видно из этой схемы, гидропривод состоит из четырех основных элементов: объемной гидропередачи, устройства управления, вспомогательных устройств и гидролиний. Объемная гидропередача, являющаяся силовой частью гидропривода, состоит из объемного насоса (преобразователя механической энергии приводящего двигателя в энергию потока рабочей жидкости) и объемного гидродвигателя (преобразователя энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию выходного звена). В состав некоторых объемных гидропередач входит гидроаккумулятор (гидроемкости, предназначенные для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением, с целью последующего ее использования для приведения в работу гидродвигателя). Кроме того, в состав гидропередач могут входить также гидропреобразователи - объемные гидромашины для преобразования энергии потока рабочей жидкости с одними значениями давления P и расхода Q в энергию другого потока с другими значениями P и Q. Устройства управления предназначены для управления потоком или другими устройствами гидропривода. При этом под управлением потоком понимается изменение или поддержание на определенном уровне давления и расхода в гидросистеме, а также изменение направления движения потока рабочей жидкости. К устройствам управления относятся: гидрораспределители, служащие для изменения направления движения потока рабочей жидкости, обеспечения требуемой последовательности включения в работу Объемный гидропривод Объемная гидропередача Устройство управления Вспомогательные устройства Ги д ро ли ни и Объемный насос Объемный гидродвигатель гидрораспределитель гидроаккумулятор Регуляторы давления Регуляторы расхода Гидравлический усилитель кондиционер Гидроемкости Гидравлические реле 83 гидродвигателей, реверсирования движения их выходных звеньев и т.д.; регуляторы давления (предохранительный, редукционный, переливной и другие клапаны), предназначенные для регулирования давления рабочей жидкости в гидросистеме; регуляторы расхода (делители и сумматоры потоков, дроссели и регуляторы потока, направляющие клапаны), с помощью которых управляют потоком рабочей жидкости; гидравлические усилители, необходимые для управления работой насосов, гидродвигателей или других устройств управления посредством рабочей жидкости с одновременным усилением мощности сигнала управления. Вспомогательные устройства обеспечивают надежную работу всех элементов гидропривода. К ним относятся: кондиционеры рабочей жидкости (фильтры, теплообменные аппараты и др.); уплотнители, обеспечивающие герметизацию гидросистемы; гидравлические реле давления; гидроемкости (гидробаки и гидроаккумуляторы рабочей жидкости) и др. Состав вспомогательных устройств устанавливают исходя из назначения гидропривода и условий, в которых он эксплуатируется. Гидролинии (трубы, рукава высокого давления, каналы и соединения) предназначены для прохождения рабочей жидкости по ним в процессе работы объемного гидропривода. В зависимости от своего назначения гидролинии, входящие в общую гидросистему, подразделяются на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и гидролинии управления. В зависимости от конструкции и типа входящих в состав гидропередачи элементов объемные гидроприводы можно классифицировать по нескольким признакам. Классификация гидроприводов 1. По виду источника энергии гидроприводы разделяют на три типа: Насосный гидропривод – гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель объемным наосом. Это наиболее распространенный тип гидропривода. Аккумуляторный гидропривод – гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумулятора. Такие гидроприводы используют в системах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов. Магистральный гидропривод - гидропривод, в котором рабочая жидкость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали. Напор рабочей жидкости в гидромагистрами создается насосной станцией, состоящей из одного или нескольких насосов и питающей несколько гидроприводов (централизованная система питания). Такие гидроприводы распространены в технологическом оборудовании цехов промышленных предприятий. 2. По характеру движения выходного звена гидродвигателя: гидропривод вращательного движения, когда в качестве гидродвигателя применяется гидромотор, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает неограниченное вращательное движение; 84 гидропривод поступательного движения, у которого в качестве гидродвигателя применяется гидроцилиндр - двигатель с возвратно-поступательным движением ведомого звена (штока поршня, плунжера или корпуса); гидропривод поворотного движения, когда в качестве гидродвигателя применен поворотный гидроцилиндр, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает возвратно-поворотное движение на угол, меньший 360 . 3. По возможности регулирования: регулируемый гидропривод, в котором в процессе его эксплуатации скорость выходного звена гидродвигателя можно изменять по требуемому закону. В свою очередь регулирование может быть дроссельным, объемным, объемно- дроссельным или изменением скорости двигателя, приводящего в работу насос. Регулирование может быть ручным или автоматическим. В зависимости от задач регулирования гидропривод может быть стабилизированным, программным или следящим. Регулированию гидропривода будет посвящена отдельная лекция; нерегулируемый гидропривод, у которого нельзя изменять скорость движения выходного звена гидропередачи в процессе эксплуатации. 4. По схеме циркуляции рабочей жидкости: гидропривод с замкнутой схемой циркуляции, в котором рабочая жидкость от гидродвигателя возвращается во всасывающую гидролинию насоса. Гидропривод с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости компактен, имеет небольшую массу и допускает большую частоту вращения ротора насоса без опасности возникновения кавитации, поскольку в такой системе во всасывающей линии давление всегда превышает атмосферное. К недостаткам следует отнести плохие условия для охлаждения рабочей жидкости, а также необходимость спускать из гидросистемы рабочую жидкость при замене или ремонте гидроаппаратуры; гидропривод с разомкнутой системой циркуляции, в котором рабочая жидкость постоянно сообщается с гидробаком или атмосферой. Достоинства такой схемы - хорошие условия для охлаждения и очистки рабочей жидкости. Однако такие гидроприводы громоздки и имеют большую массу, а частота вращения ротора насоса ограничивается допускаемыми (из условий бескавитационной работы насоса) скоростями движения рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе. 5. По источнику подачи рабочей жидкости: насосные гидроприводы, в которых рабочая жидкость подается в гидродвигатели насосами, входящих в состав этих гидроприводов; аккумуляторные гидроприводы, в которых рабочая жидкость подается в гидродвигатели из гидроаккумуляторов, предварительно заряженных от внешних источников, не входящих в состав данных гидроприводов; магистральные гидроприводы, в которых рабочая жидкость подается к гидродвигателям от специальной магистрали, не входящей в состав этих приводов. 6. По типу приводящего двигателя гидроприводы могут быть: с электроприводом, приводом от ДВС, турбин и т.д. 8.7. Принципиальные схемы гидроприводов На рис. 67 приведены три принципиальные схемы с разомкнутой циркуляцией жидкости, соответствующие трем классам гидроприводов, которые различаются характером движения выходного звена. Рис.67а соответствует гидроприводу, в котором исполнительный механизм совершает поступательное движение. Рис.67б – это гидропривод поворотного движения и рис 67в – вращательного движения. 85 Рис.67. Схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией жидкости На схемах применены следующие обозначения: 1 – регулируемый насос, 2 – гидродвигатель: а) - гидроцилиндр, б) – поворотный гидродвигатель, в) – гидромотор; 3 – гидрораспределитель: а) – двухпозиционный с управлением от кулачка, б) – трехпозиционный с управлением от электромагнитов, в) – трехпозиционный с ручным управлением; 4 – предохранительный клапан; 5 – бак. Работают эти гидроприводы следующим образом. Насос засасывает жидкость из бака и нагнетает его в гидродвигатель через распределитель. Из гидродвигателя жидкость движется через другой канал распределителя и сливается в бак. Защита гидросистемы от чрезмерного повышения давления обеспечивается предохранительным или переливным клапанами 4, которые настраиваются на максимально допустимое давление. При возрастании нагрузки на гидродвигатель сверх установленной нормы весь поток рабочей жидкости будет идти через предохранительный или переливной клапаны, минуя гидродвигатель. Изменение направления движения выходного звена гидродвигателя (реверсирование) осуществляется изменением позиции распределителя. В этом случае поток жидкости от гидронасоса направляется либо в правую, либо в левую часть гидроцилиндра. Регулирование скорости движения выходного звена гидродвигателя может быть дроссельным или объемным. При дроссельном регулировании в гидросистеме устанавливаются нерегулируемые насосы, а изменение скорости движения выходного звена достигается изменением расхода рабочей жидкости через дроссель. При объемном регулировании скорость движения выходного звена гидродвигателя изменяется подачей регулируемого насоса либо за счет применения регулируемого гидромотора. На рис.3 на всех трех схемах установлены регулируемые насосы. Показанные на рис.67 принципиальные схемы соответствуют разомкнутой циркуляции жидкости. Разрыв циркуляции происходит в баке, в результате чего реверс а) 1 2 3 4 5 б) в) 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 86 подачи жидкости не допускается (жидкость нагнетается насосом только в одном направлении). Поэтому в этих схемах для реверсирования движения рабочего органа гидродвигателя необходимо применять распределители. На рис.68. показана схема гидропривода с гидромотором и замкнутой циркуляцией жидкости. Рис.68 Схема гидропривода с замкнутой циркуляцией жидкости На этой схеме обозначены: 1 – регулируемый насос с реверсной подачей жидкости; 2 – регулируемый гидромотор с реверсом вращения; 3 – предохранительные клапаны на гидролинии a и b, каждая из которых может оказаться напорной; система подпитки, состоящая из вспомогательного насоса 4, переливного клапана 5 и двух обратных клапанов 6. Необходимость системы подпитки обусловлена тем, что работа гидросистем с замкнутой циркуляцией сопровождается утечками рабочей жидкости, которые нужно компенсировать. Широкое распространение гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин. Вот основные из них. Преимущества и недостатки гидропривода 1. Бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена гидропередачи и обеспечение малых устойчивых скоростей. Минимальная угловая скорость вращения вала гидромотора может составлять 2…3 об/мин. 2. Небольшие габариты и масса. Время разгона, благодаря меньшему моменту инерции вращающихся частей не превышает долей секунды в отличие от электродвигателей, у которых время разгона может составлять несколько секунд. 3. Частое реверсирование движения выходного звена гидропередачи. Например, частота реверсирования вала гидромотора может быть доведена до 500, а штока поршня гидроцилиндра даже до 1000 реверсов в минуту. В этом отношении гидропривод уступает лишь пневматическим инструментам, у которых число реверсов может достигать 1500 в минуту. 1 2 3 4 5 6 а b 87 4. Большое быстродействие и наибольшая механическая и скоростная жесткость. Механическая жесткость - величина относительного позиционного изменения положения выходного звена под воздействием изменяющейся внешней нагрузки. Скоростная жесткость - относительное изменение скорости выходного звена при изменении приложенной к нему нагрузки. 5. Автоматическая защита гидросистем от вредного воздействия перегрузок благодаря наличию предохранительных клапанов. 6. Хорошие условия смазки трущихся деталей и элементов гидроаппаратов, что обеспечивает их надежность и долговечность. Так, например, при правильной эксплуатации насосов и гидромоторов срок их службы доведен в настоящее время до 5…10 тыс. ч работы под нагрузкой. Гидроаппаратура может не ремонтироваться в течение долгого времени (до 10…15 лет). 7. Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотные без применения каких-либо механических передач, подверженных износу. Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту автоматизации работы механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе. Гидроприводу присущи и недостатки, которые ограничивают его применение. Основные из них следующие. 1. Изменение вязкости применяемых жидкостей от температуры, что приводит к изменению рабочих характеристик гидропривода и создает дополнительные трудности при эксплуатации гидроприводов (особенно при отрицательных температурах). 2. Утечки жидкости из гидросистем, которые снижают КПД привода, вызывают неравномерность движения выходного звена гидропередачи, затрудняют достижение устойчивой скорости движения рабочего органа при малых скоростях. 3. Необходимость изготовления многих элементов гидропривода по высокому классу точности для достижения малых зазоров между подвижными и неподвижными деталями, что усложняет конструкцию и повышает стоимость их изготовления. 4. Взрыво- и огнеопасность применяемых минеральных рабочих жидкостей. 5. Невозможность передачи энергии на большие расстояния из-за больших потерь на преодоление гидравлических сопротивлений и резкое снижение при этом КПД гидросистемы. Со многими из этих недостатков можно бороться. Например, стабильность вязкости при изменении температуры достигается применением синтетических рабочих жидкостей. 88 Окончательный выбор типа привода устанавливается при проектировании машин по результатам технико-экономических расчетов с учетом условий работы этих машин. Гидропривод, тем не менее, имеет преимущества по сравнению с другими типами приводов там, где требуется создание значительной мощности, быстродействие, позиционная точность исполнительных механизмов, компактность, малая масса, высокая надежность работы и разветвленность привода. 8.8. Объемные гидродвигатели Объемный насос (гидроаккумулятор, магистральный трубопровод) является первичным звеном объемного гидропривода. Гидродвигатели же есть замыкающее его звено или исполнительный орган. Из всех типов гидродвигателей наиболее просто устроен гидроцилиндр, позволяющий получать возвратно-поступательное движение. Гидроцилиндры широко применяют во всех отраслях техники и особенно часто в строительных, подъемно-транспортных, дорожных машинах, а также в технологическом оборудовании: металлорежущих станках, кузнечно-прессовых машинах и т.д. На рис. 69а изображен внешний вид гидроцилиндра двойного действия в разрезе, а на рис. 69b схема устройства гидроцилиндра одностороннего действия. Рис. 69. Гидроцилиндры Гидроцилиндр одностороннего действия имеет плунжер (поршень), перемещаемый силой давления жидкости в одну сторону. Обратный ход плунжера совершается под действием внешней силы, если она действует непрерывно, или пружины. Гидроцилиндр двойного действия имеет схожую конструкцию с гидроцилиндром одностороннего действия. Разница состоит лишь в том, что движение в прямом и обратном направлении осуществляется силой давления от гидролинии. Эффективность работы гидроцилиндров, их КПД, зависит в основном от работы уплотнений поршней и штоков. Поворотные гидродвигатели. Поворотный гидродвигатель (неполноповоротный гидромотор, поворотный гидроцилиндр), предназначен для преобразования а b 89 гидравлической энергии в механическую, и для сообщения рабочему органу возвратно- вращательного движения на угол, меньший 360°. На рис. 70 приведена схема двухпластинчатого поворотного гидродвигателя. Фиолетовым цветом показана полость высокого давления, зеленовато-голубоватым — полость низкого давления Рис.70. Поворотный гидродвигатель Чем больше количество пластин, тем больший момент на валу, но тем меньший угол поворота гидродвигателя, и тем меньшая угловая скорость вращения. Максимальный угол поворота гидродвигателя зависит от числа пластин следующим образом: для однопластинчатого он составляет порядка 270°, для двухпластинчатого — около 150°, для трёхпластинчатого — до 70°. Гидродвигатели с числом пластин большим четырёх изготавливают редко. Момент на валу пластинчатого поворотного гидродвигателя зависит от разности давлений в напорной и сливной гидролиниях, от разницы диаметров ротора и статора, от длины пластин и от числа пластин: где: b — длина пластины, p 1 и p 2 — давления, соответственно, в полостях высокого и низкого давлений, r 1 — радиус внутренней поверхности статора, r 2 — радиус ротора, z — число пластин. 90 Управление движением вала поворотного гидродвигателя осуществляется с помощью гидрораспределителя, либо с помощью средств регулирования гидропривода. Поворотные гидродвигатели применяются, например, в механизмах поворота заслонок, во вращающихся упорах и др. Вследствие того, что трудно обеспечить надёжное уплотнение пластин, пластинчатые поворотные гидродвигатели применяются только при низких давлениях рабочей жидкости. Помимо пластинчатых поворотных гидродвигателей, применяются кривошипно- шатунные гидравлические поворотные механизмы (рис.71), а также механизмы с зубчато- реечной передачей (рис.72). Рис.71. Кривошипно-шатунный поворотный гидродвигатель Рис.72. Поворотный гидродвигатель двустороннего действия с реечно-зубчатой передачей Условное графическое обозначение поворотного гидродвигателя: Гидромоторы. Большинство объемных роторных насосов обладают свойством обратимости, то есть могут работать как насосами, так и двигателями. Конструкции 91 гидромоторов аналогичны конструкциям соответствующих насосов. Некоторые конструктивные отличия связаны с обратным потоком мощности через гидромашину, работающую в режиме гидромотора. В отличие от насосов , в гидромоторе на вход подаётся рабочая жидкость под давлением, а на выходе снимается с вала крутящий момент. Наибольшее распространение получили шестерёнчатые, пластинчатые, аксиально-плунжерные и радиально-плунжерные гидромоторы. Управление движением вала гидромотора осуществляется с помощью гидрораспределителя, либо с помощью средств регулирования гидроприводами. Аксиально-плунжерные гидромоторы используются в тех случаях, когда необходимо получить высокие скорости вращения вала, а радиально-плунжерные - когда необходимы небольшие скорости вращения при большом создаваемом моменте вращения. Например, поворот башни некоторых автомобильных кранов осуществляют радиально- плунжерные гидромоторы. В станочных гидроприводах широко распространены пластинчатые гидромоторы. Шестерённые гидромоторы используются в несложных гидросистемах с невысокими требованиями к неравномерности вращения вала гидромотора. Гидромоторы применяются в технике значительно реже электромоторов, однако в ряде случаев они имеют существенные преимущества перед последними. Гидромоторы меньше в среднем в 3 раза по размерам и в 15 раз по массе, чем электромоторы соответствующей мощности. Диапазон регулирования частоты вращения гидромотора существенно шире: например, он может составлять от 2500 об/мин до 30-40 об/мин, а в некоторых случаях, у гидромоторов специального исполнения, доходит до 1-4 об/мин и меньше. Время запуска и разгона гидромотора составляет доли секунды. Для гидромотора не представляют опасности частые включения-выключения, остановки и реверс. Закон движения вала гидромотора может легко изменяться путём использования средств регулирования гидропривода. На рис.73 представлены схемы радиально-поршневых гидромоторов. Рабочими камерами в насосе являются радиально расположенные цилиндры, а вытеснителями - поршни. Рис.73. Радиально-поршневой гидромотор a) b) c) 92 Вращение выходного вала может быть организовано различными способами. На рис. 73а поршни оказывают воздействие на профилированный кулачок. На рис. 73b контакт поршней с вращающимся профилированным ободом осуществляется посредством специальных роликов. На рис. 73с поршни жестко связаны через шатуны с валом- кривошипом. Для радиально-поршневого гидромотора крутящий момент можно определить по формуле где m - число рядов цилиндров; i - кратность хода поршней; h - величина хода поршней. Кинематическая основа аксиально-поршневого гидравлического двигателя — кривошипно-шатунный механизм, где цилиндр перемещается параллельно оси, а поршень двигается одновременно с цилиндром и вследствие вращения вала кривошипа передвигается относительно цилиндра (рис.74). При повороте вала кривошипа на угол поршень перемещается вместе с цилиндром на определенную величину. Поворот плоскости вращения вала кривошипа вокруг оси на угол приводит к перемещению точки, где палец кривошипа шарнирно соединяется со штоком поршня. Непосредственное вращение гидромотора производится благодаря тому, что поршень при своем перемещении оказывает воздействие на плоскость наклонной шайбы или профильной поверхности диска, которая расположена перпендикулярно оси цилиндра. Аксиально-поршневые гидромашины нашли широкое применение в гидроприводах, что объясняется рядом их преимуществ: меньшие радиальные размеры, Рис.74. Принципиальная схема аксиально-поршневого гидромотора. а) – с наклонным диском, б) - с наклонным блоком цилиндров; 1-ведущий вал, 2 – диск, 3 – шток, 4 – блок цилиндров, 5 –поршень, 6 – гидрораспределитель, 7 – пазы, 8 – 9 93 масса, габарит и момент инерции вращающихся масс; возможность работы при большом числе оборотов; удобство монтажа и ремонта. Пластинчатые гидродвигатели , как и шестеренные двигатели, также доступны и просты по своей конструкции. Они очень компактные, надежные в эксплуатации и сравнительно долговечные. В такого плана машинах рабочие камеры образуются поверхностью статора, ротора, торцевыми и распределительными дисками и двумя соседними вытеснителями-платинами, которые принято называть лопастями, лопатками, шиберами (рис. 75). Рис. 75. Пластинчатый гидромотор В момент вращения ротора, который находится под действием центробежной силы, пружины или под непосредственным давлением жидкости, подводящейся под торцы, пружины выдвигаются из пазов и прижимаются к внутренней поверхности статора. Объем рабочей камеры сначала увеличивается — происходит нагнетание, а потом уменьшается — осуществляется сброс давления. Изменение рабочего объёма (регулирование гидромашины) осуществляется путём изменения эксцентриситета — величины смещения оси ротора относительно оси статора. Пластинчатые гидромоторы широко применяют в приводах станков. Их достоинства: • сравнительно низкая пульсация расхода; • достаточно низкий уровень шума; • принципиальная возможность реализовать регулируемость рабочего объёма; недостатки: • низкая ремонтопригодность; • довольно низкие рабочие давления. |