Принципиальная схема рабочего цикла гидравлической системы

Основные понятия

Прежде, чем перейти к детальному рассмотрению вопро­сов гидравлики, необходимо рассмотреть само понятие гидравлики.

Слово "гидравлика" происходит от греческого "гидор", что означает "вода". Это понятие включает в себя все законы, связанные с водной средой.

В наши дни понятие "гидравлика" включает в себя пе­редачу и регулирование сил и движений с помощью жид­костей.

То есть в качестве среды, передающей энергию, исполь­зуется жидкость. В большинстве случаев применяются минеральные масла. Однако, возможно применение син­тетических жидкостей, воды или эмульсий из воды и масел.

В гидромеханике (механике движения жидкостей) мож­но выделить два раздела. Это гидростатика, занимаю­щаяся изучением покоящихся жидкостей (учение о рав­новесных состояниях жидкостей) и гидродинамика, за­нимающаяся изучением движения жидкостей (теория потока).

Например, проблема передачи силы в гидравлических устройствах рассматривается гидростатикой. А преобра­зование энергии потока турбинами гидроэлектростанций является чисто гидродинамической проблемой.

Ниже приводится схема преобразования энергии в гид-ралической установке.

Основные понятия

Разумеется, кроме гидравлики существуют другие спо­собы передачи энергии, например, механический способ (с помощью механизма передачи, вала, кривошипно-ша-тунного механизма и т.д.);

электрический способ (с помощью асинхронных двига­телей, электродвигателей с прямолинейно движущимся ротором, двигателей бегущей волны, двигателей Торке и т.д.) ;

электронный способ (с помощью усилителей и электрон­ных преобразователей);

пневматический способ (похожий на гидралический, где для передачи энергии используется воздух).

Каждый из этих способов применяется в определенных областях. Но в некоторых случаях возможно примене­ние нескольких способов.

Гидравлическое регулирование и гидравлический привод обладают рядом преимуществ.

Это -

— возможность развить большое усилие (крутящий мо­
мент) при относительно малом объеме двигателя, то
есть высокая энергонапряженность;

— автоматическое реверсирование подачи;

— перемещение рабочего органа осуществляется из со­
стояния покоя при полной нагрузке;

— бесступенчатое и простое регулирование и управление
скоростью, крутящего момента и подъемной силы;

— надежное и простое предохранение от перегрузки;

— возможность выполнения быстрых и также медленных
высокоточных операций;

— сравнительно простая аккумуляция энергии с помо­
щью газов;

— возможность применения высокорентабельных цен­
трализованных систем приводов в сочетании с децен­
трализованным преобразованием гидравлической энер­
гии в механическую.

Основные понятия

Как правило, в гидравлике рабочее давление обозначается буквой р. При этом имеется в виду избыточное давление.

Гидростатика(законы покоящихся жидкостей) Гидростатическое давление(давление силы тяжести).

Внутри столба жидкости под тяжестью массы жидкости, действующей на определенную площадь возникает да­вление. Давление зависит от высоты столба жидкости (h ), плотности (р) и ускорения земного притяжения (д).

Гидростатическое давление р = h ■ р • g

Если рассматривать различные формы сосудов, напол­ненных однородной жидкостью, то давление в какой-то определенной точке будет зависеть только от высоты столба жидкости:

Р1 = Р2 = РЗ (Рис.1)

Гидростатическое давление с определенной силой воз

действует на дно сосуда.

Если поверхность, на которую действует давление, в раз­личных сосудах имеет однаковую площадь (А1 = А2 = A3), как показано в рис.1, то возникающие при этом силы имеют одинаковую величину ( F1 = F 2 = F 3) ■

Если на свободную поверхность А находящейся в зам­кнутом контуре жидкости (рис. 2) действует сила F, то в жидкости возникает давление.

Величина давления зависит от величины силы, направлен­ной перпендикулярно поверхности, и площади поверх­ности, на которую действует сила.

р в бар

Р-------- F в ньютонах

А _Л 2

А в см

Давление равномерно распределяется во все стороны, т.е. оно одинаково в любой точке. При этом гидростатичес­кое давление не учитывается. При расчетах его следовало бы в соответствии с высотой столба жидкости прибавлять к полученному значению.

Но поскольку в гидравлике мы имеем дела с большими величинами давления, то гидростатическое давление можно не учитывать.

Например, 10 м водного столба « 1 бар Передача силы гидравлическим способом

Основные понятия

Поскольку давление равномерно распространяется во все стороны, форма сосуда не играет роли. Для работы с давлением, возникшим под действием внешних сил, при­меним систему, изображенную на рис. 3.

Если мы с силой F1 будем давить на поверхность А1, то получим давление

Давление р действует в любой точке системы, то есть и на поверхности А2 Полученная сила (соответствует поднимаемому грузу) .

Отношение сил соответствует отношению площади по­верхностей.

Давление в такой системе соответствует всегда величине нагрузки и площади, на которую она действует. Т.е. дав­ление увеличивается до тех пор, пока не будет преодо­лено сопротивление двихению жидкости.

Если с помощью силы, действующей на поверхность А1, удаться получить давление, необходимое для преодоле­ния силы F2 груза, действующего на поверхность А2, то груз F2 можно поднять (потери от трения при этом не учитываются).

Длины пути S1 и S2 обоих поршней в этом случае об­ратно пропорциональны площадям поверхности:

Два поршня различных размеров соединены друг с дру­гом поршневым штоком.

Если на поверхность А1 действует давление р1, то на большом поршне возникает сила F 1.

Сила F1с помощью штока передается на малый пор­шень. Эта сила действует теперь на поверхность А2-В результате возникает давление р2 (рис. 4). Без учета потерь трения получим:

При передаче давления отношение величин давления об­ратно пропорционально отношению площадей поверх­ностей.

Нагнетательный поршень W1 производит ту же работу, что и грузовой W2

Если жидкость течет через трубу с меняющимся сечением. Закон сохранения энергии(Уравнение Бернулли)
то количество жидкости, протекающей за равные про­
межутки времени, одинаково (рис. 5) . Скорость объем- Закон сохранения энергии применительно к движению
ного расхода меняется. жидкостей гласит, что общее количество энергии потока

жидкости не изменится, если энергия не поступает извне

Объемный расход Q = V / t или не уходит наружу. Поскольку вид энергии не ме-

няется, общая энергия состоит из

Q = объемный расход в л/мин потенциальной энергии, т.е. энергии покоя,

V = объем в л зависящей от высоты стол

ба жидкости, t = время в мин

А = площадь сечения энергии давления,

, . статического давления

s = путь (длина)

и кинетической энергии, т.е. энергии движения
Объем V = А • s (напора), зависящей от

скорости потока.

Подставив в Q = A*s/ t

Путь s, пройденный за время t = скорости v ( v =s / t )

Такии образом с помощью Q = А • v мы получим уравнениенеразрывности

A1 • v1 = А2 * V2 Q1 = Q2

Сопоставив уравнение неразрывности и уравнение сох­ранения энергии, можно сделать следующие выводы:

Если при сужении сечения трубы скорость повышается, то энергия движения соответственно увеличивается.

Поскольку общая энергия является величиной постоян­ной, то энергия покоя или энергия статического давле­ния должны уменьшаться. Однако энергия покоя в ре­зультате сужения сечения почти не изменяется. То есть в зависимости от напора или скорости потока изменяет­ся статическое давление.

Сопротивление течения повышается, а гидравлические потери увеличиваются. Поэтому турбулентный поток в гидравлических установках весьма нежелателен (рис. 9).

Число РейнольдсаR_e

Движение жидкости можно рассчитать по числу

Рейнольдса

v = скорость потока (m/s)

dH = гидравлический диаметр (м)

при круговом сечении он соответствует внутрен­нему диаметру трубы. В других случаях его необходимо рассчитать.

dH= 4*(A/U)

А = площадь сечения

U = объем

v = кинематическая вязкость (m²/s)

R_e критич. ~ 2300

Это значение действительно только для технологически гладких труб с круговым сечением.

При критическом значении R_e поток превращается из ламинарного в турбулентный и наоборот.

ламинарный поток R_e < R_e критич. турбулентный поток R_e > R_e критич.

На этом рисунке изображен принцип действия гидроси­стемы.

Мы давим с какой-то силой на поршень простого порш­невого насоса. Разделив силу на площадь поверхности поршня, получаем давление p=F/A

Чем сильнее мы давим на поршень, т.е. чем больше сила поршня, тем выше давление. Однако, давление увеличи­вается лишь до тех пор, пока оно, распределившись по площади цилиндра, не сможет поднять груз ( F = р * А ) .

В дальнейшем давление не увеличивается, если груз ос­тается прежним. То есть давление зависит от сопротив­ления, оказываемого течению жидкости.

Если есть необходимое давление, груз приходит в дви­жение.

Скорость движения груза зависит только от подачи жид­кости, которая подается в цилиндр.

Применительно к рис. 10 это означает, что чем быстрее движение поршня вниз, тем больше жидкости подается в цилиндр за единицу времени и тем быстрее осущест­вляется подъем груза.

Однако, на практике эту систему следует расширить. Необходимо установить приборы, с помощью которых мы сможем регулировать например

направление движения цилиндра,

скорость движения и максимальную нагрузку цилин­дра.

Кроме того, нужно заменить ручной поршневой насос насосом с непрерывно действующим приводом.

Для наглядности мы приводим здесь схему рабочего • цикла гидравлики.

Основные понятия

Привод насоса 1 осуществляется электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания (рис. 11).

Насос всасывает жидкость из емкости 2 и перекачивает ее по трубопроводу в цилиндр 4 (или гидродвигатель). Жидкость беспрепятственно течет по трубам до тех пор пока не встречает сопротивления.

Расположенный в конце трубопровода цилиндр 4 и явл­яется такого рода сопротивлением движению жидкости.

Движение нарастает до тех пор, пока не удается преодо­леть сопротивление цилиндра, т.е. до тех пор пока ци­линдр не приходит в движение.

Основные понятия

Чтобы предохранить систему от перегрузки (то есть от избытка давления), максимальное давление должно быть ограничено.

Это достигается с помощью предохранительного клапана 3. Пружина в таком клапане механически прижимает шарик к седлу, а существующее в трубопроводе давле­ние действует на поверхность шарика.

Согласно известному уравнению F = р ■ А шарик открывает клапан, когда сила = давлению х площадь пре­высит силу пружины.

С этого момента давление более не увеличивается.

Вся выкачанная насосом жидкость через клапан 3 воз­вращается назад в емкость (рис. 12).

Основные понятия

Ходом поршня 4.1, приводимого в движение поршне­вым штоком 4.2, управляет клапан 5 (распределитель), рис.13.

На рис. 11 жидкость в распределителе 5 течет из трубоп­ровода Р через трубопровод В в цилиндр.

Изменив положение поршня 6 в распределителе, можно соединить трубопровод Р и В. В этом случае жидкость через распределитель течет из насоса в другую половину цилиндра.

Поршневой шток идет во внутрь, а груз движется в об­ратном направлении.

Жидкость из соседней камеры через распределитель 5 поступает из трубопровода А через трубопровод Т назад в емкость.

Основные понятия

Для того, чтобы регулировать не только направление, но и скорость движения груза, необходимо изменить объем циркулирующей в цилиндре жидкости. Это достигается с помощью дроссельного клапана (рис. 14).

Меняя сечение потока (относительно поперечного сече­ния трубопровода), в цилиндр за единицу времени по­дается меньше жидкости.

(Примечание: подробно работа дросселирующей щели изложена в разделе "Поточные клапаны").

Движение груза замедляется.

Избыток жидкости, подаваемой насосом, стекает через предохранительный клапан в емкость. Применительно к давлению в гидравлической системе это означает сле­дующее:

между насосом и дросселем возникает максимально до­пустимое давление, регулируемое предохранительным клапаном;

давление между дросселем и цилиндром регулируется в соответствии с весом груза.

Основные понятия

Принципиальная схема рабочего цикла гидравлической системы

На практике схема рабочего цикла гидравлической си­стемы, изображенная на рис. 11 — 14, не показывается.

Вместо упрощенных изображений гидравлических си­стем в разрезе применяютcя условные обозначения.

Изображение рабочего цикла гидравлической системы с помощью условных обозначений именуется принци­пиальной схемой. Условные обозначения отдельных при­боров и их функции перечислены в стандарте ФРГ DIN 24 300.

В дальнейшем мы будем пользоваться этими условными обозначениями.