Гидроприводы: общие сведения
Приводом называют устройство, посредством которого осуществляется движение какой-либо машины или механизма. Такое устройство состоит из двигателя и аппаратуры для управления им. Двигатель, приводя в движение машину или механизм, использует электрическую, тепловую или механическую энергию. Если в последнем случае рабочей средой для двигателя служит жидкость, то привод называют гидравлическим, сокращено – гидроприводом. В зависимости от способа использования энергии жидкости гидроприводы разделяют на два вида: объемные и динамические.
Принцип действия объемного гидропривода состоит в том, что жидкость под давлением изменяет объем одной или нескольких камер двигателя, вызывая тем самым перемещение рабочего органа двигателя и связанного с ним выходного звена. Принцип работы второго вида приводов основан на гидродинамическом воздействии потока жидкости непосредственно на рабочий орган двигателя. Гидравлические, паровые и газовые турбины, вращающие валы генераторов электрического тока, насосов и компрессоров, могут служить примерами таких приводов. Гидродинамические приводы применяют в системах управления не столь широко, как объемные, что вызвано сложностью реверсирования движения выходных звеньев и другими их конструктивными особенностями.
Жидкость под давлением подводится к объемному гидроприводу от источника энергопитания, в котором находится насос или другое устройство, например баллон, заполненный сжатым газом. Наибольшее применение в источниках энергопитания гидроприводов нашли объемные насосы. В этих насосах энергия передается жидкости «вытеснителями», приводимыми в движение электродвигателем, газовой турбиной, двигателем внутреннего сгорания или пневмомотором. К одному источнику энергопитания может быть подключено несколько гидроприводов. В таком случае источник энергопитания называют централизованным. Регулирование давления, расхода и направления движения жидкости, подводимой от источника энергопитания к гидродвигателю, осуществляют с помощью гидроаппаратов.
Гидродвигатель, источник энергопитания и гидроаппараты, образуют техническую систему (рис.1). Такая система информационно и энергетически связана с внешней средой. Границы внешней среды выделены на схеме штриховым контуром, а взаимодействие гидропривода с внешней средой показано стрелками А, В, С.
Рис.1 Система объемный гидропривод - источник энергопитания:
1 - источник энергопитания; 2 - гидроаппараты; 3 - гидродвигатель;
А - подвод энергии; В - сигнал от выходного звена гидродвигателя; С - управление.
Назначение и принцип действия устройств объемного гидропривода поясняет схема, изображенная в условных обозначениях (рис.2). Для данного примера принято, что система состоит из трех гидроприводов, отличающихся типом гидродвигателя: гидроцилиндра 1, поворотного гидродвигателя 2, гидромотора 3. Камеры каждого из трех гидродвигателей переключением гидроаппаратов 4 – 6 могут быть соединены с напорной 7 и сливной 8 гидролиниями. При среднем положении элементов гидроаппаратов камеры гидродвигателей не сообщаются с этими гидролиниями. В случае отклонения элементов гидроаппаратов от среднего положения, что соответствует на схеме смещению клетки влево или вправо, одна камера гидродвигателя сообщается с напорной гидролинией, а другая – со сливной. Под действием создавшейся в камерах разности давлений перемещается поршень гидроцилиндра, вращаются лопасть поворотного гидродвигателя, и вместе с ротором вал гидромотора.
Рис.2 Схема системы с тремя гидроприводами.
Гидроаппаратом 4 управляет электромагнит, причем так, что в зависимости от значения электрического тока, подаваемого в обмотки электромагнита, пропорционально изменяется положение золотника, регулирующего проходные сечения каналов, которые соединяют полости гидроцилиндра с напорной и сливной гидролиниями. Аналогичное изменение проходных сечений каналов получают в гидроаппарате 5 с ручным управлением. Электромагнит гидроаппарата 6 дискретно устанавливает золотник или заменяющий его клапан в одно из трех положений: среднее и два крайних.
Напорная гидролиния подключена к гидроаккумулятору 9, в котором поступающая от насоса 12 жидкость сжимает газ, создавая тем самым необходимое для работы гидропривода давление жидкости. Кроме того, за счет сжатого газа в гидропривод может поступать дополнительное количество жидкости, необходимой для обеспечения требуемых динамических характеристик гидропривода без увеличения подачи насоса. Вместо газа в некоторых конструкциях гидроаккумуляторов применяют механические пружины, но такие аккумуляторы вследствие наличия в них поршня по своим динамическим характеристикам хуже аккумуляторов с газовой подушкой. От насоса к гидроаккумулятору жидкость подводится через обратный клапан 10 и фильтр 11. Насос может иметь регулятор 13, который увеличивает или уменьшает подачу насоса соответственно при снижении или повышении давления жидкости в напорной гидролинии. На схеме показан насос, вал которого приводится во вращение от электродвигателя 14. Для защиты напорной гидролинии и гидроаккумулятора от чрезмерного повышения давления служит предохранительный клапан 15.
Жидкость, которую всасывает насос, находится в баке 16 при атмосферном или повышенном давлении. Необходимость в таком увеличении давления зависит от условий эксплуатации гидропривода. При низких давлениях окружающей среды, а также недопустимом для используемой жидкости температурном диапазоне в насосе и гидроаппаратах может возникнуть кавитация, для предотвращения которой увеличивают давление в баке. В нормальных условиях температура жидкости поддерживается в допустимых пределах теплообменником 17.
Подводимое к электродвигателю насоса напряжение, линейные и угловые перемещения выходных звеньев гидродвигателей, сигналы управления гидроаппаратами, а также сигналы, вызванные нештатными ситуациями, определяют взаимодействие гидроприводов с внешней средой, которое показано на рис.1 стрелками.
Силы или вращающие моменты, развиваемые гидродвигателем, создаются давлением жидкости в его камерах.
Скорость установившегося движения выходного звена гидродвигателя зависит от геометрических параметров рабочих камер гидродвигателя, от подводимого к нему расхода жидкости и от её утечки из рабочих камер.
Давление, необходимое для работы объемного гидропривода, обычно создает насос, который применяют как с аккумулятором (см. рис.2), так и без него. В обоих случаях подачу насоса выбирают исходя из циклограммы работы всех гидроприводов и требуемых значений расходов жидкости, обеспечивающих заданные скорости движения выходных звеньев гидродвигателей. При этом мощность насоса определяют с учетом КПД гидродвигателей, потерь энергии в гидролиниях и гидроаппаратах. Мощность двигателя, от которого приводится насос, должна быть не меньше потребляемой насосом мощности, вычисленной с учетом его КПД.
Отношение суммарной мощности гидродвигателей к мощности двигателя насоса характеризует энергетическую эффективность системы гидроприводов с централизованным источником питания. Энергетическую эффективность одного гидропривода, имеющего свой собственный источник энергопитания, оценивают по отношению мощностей гидродвигателя и двигателя насоса. Кроме того, показателем энергетической эффективности одного гидропривода может служить коэффициент, определяемый отношением мощности, развиваемой выходным звеном, к мощности, необходимой для управления гидроаппаратом.
Конструкции устройств, из которых состоит гидропривод, очень разнообразны, их вид во многом зависит от назначения гидропривода. Объемные гидроприводы применяют в различных станках, летательных аппаратах, на морских и речных судах, в строительно-дорожных, подъемно-транспортных, сельскохозяйственных, испытательных и технологических машинах. Столь широкое использование объемных гидроприводов объясняется возможностью получения практически неограниченных сил и скоростей при управлении объектами в названных выше и других областях техники.
Источник: К.В.Фролов "Машиностроение. Энциклопедия".
ОАО "Гидропривод"