Объемные гидроприводы

Объемный гидропривод (ГОСТ 17752-81) – это гидропривод, в котором используются объемные гидромашины.

Принцип действия объемного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на свойстве жидкости передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.

Рассмотрим работу простейшего объемного гидропривода, принципиальная схема которого приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Принципиальная схема простейшего объемного гидропривода

Простейший объемный гидропривод состоит из двух гидроцилиндров 1 и 2, расположенных вертикально. Нижние полости в них заполнены жидкостью и соединены трубопроводом.

Пусть поршень гидроцилиндра 1, имеющий площадь S₁, под действием внешней силы F₁ перемещается вниз с некоторой скоростью V₁. При этом в жидкости создается давление р = F₁/S₁ . Если пренебречь потерями давления на движение жидкости в трубопроводе, то это давление передается жидкостью по закону Паскаля в гидроцилиндр 2 и на его поршне, имеющем площадь S₂, создает силу, преодолевающую внешнюю нагрузку

F₂ = р S₂.

Считая жидкость несжимаемой, можно утверждать, что количество жидкости, вытесняемое поршнем гидроцилиндра 1 в единицу времени (расход Q = V₁ S₁), поступает по трубопроводу в гидроцилиндр 2, поршень которой перемещается со скоростью V₂ = Q/S₂. направленной вертикально вверх (против внешней нагрузки F₂).

Таким образом, если пренебречь потерями энергии в элементах гидропривода, то можно проследить следующее. Механическая мощность N₁ = F₁V₁, затрачиваемая внешним источником на перемещение поршня гидроцилиндра 1, воспринимается жидкостью, передается ею по трубопроводу и в гидроцилиндре 2 совершает полезную работу в единицу времени против внешней силы F₂ со скоростью V₂ (реализуется мощность N₂ = F₂∙V₂). Этот процесс можно представить в виде следующего уравнения мощности:

N₁ = F₁V₁ = pS₁V₁ = pQ = pS₂V₂ = F₂V₂ = N₂.

Таким образом, гидроцилиндр 1 в рассмотренном случае работает в режиме насоса, т.е. преобразует механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости, а гидроцилиндр 2 совершает обратное действие, а именно: преобразует энергию потока жидкости в механическую работу, т. е. выполняет функцию гидродвигателя.

По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа.

Насосный гидропривод: источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. При анализе работы такого гидропривода в это понятие также включают и приводящий насос-двигатель. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости (рис. 4.8) (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, откуда всасывается насосом) и гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости (рис. 4.9) (жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гидролинию насоса).

Аккумуляторный гидропривод: источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумулятор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например, гидропривод рулей ракеты).

Магистральный гидропривод: рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с определенным располагаемым напором (энергией).

Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы:

– поступательного движения (рис. 4.8, а). В них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель возвратно-поступательного движения (гидроцилиндр);

– поворотного движения (рис. 4.8, б). В них выходное звено совершает ограниченное по величине возвратно-поворотное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель поворотного движения (поворотный гидромотор);

– вращательного движения (рис. 4.8, в). В них выходное звено совершает вращательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель вращательного движения (гидромотор).

Если в гидроприводе имеется возможность изменять только направление движения выходного звена, то такой гидропривод называется нерегулируемым.

Если же в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена извне по заданному закону, как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым.

На практике используют два основных способа регулирования величины скорости движения выходного звена объемного гидропривода:

– дроссельное регулирование. Регулирование скорости осуществляется регулирующим гидроаппаратом за счет изменения количества рабочей жидкости, поступающей в гидродвигатель. При этом часть потока рабочей жидкости, поступающей от насоса, отводится на слив, минуя гидродвигатель;

– объемное (машинное) регулирование. Регулирование скорости осуществляется регулируемым насосом или регулируемым гидромотором, или обеими объемными гидромашинами с регулируемым рабочим объемом.

Если в объемном гидроприводе регулирование скорости выходного звена происходит одновременно двумя вышеперечисленными способами, то такой способ регулирования называется объемно-дроссельным, или ма-шиннодроссельным.

В некоторых случаях в насосном гидроприводе скорость движения выходного звена регулируется за счет изменения частоты вращения приводящего двигателя (электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и т.п.). Такой гидропривод называется гидроприводом с управлением приводящим двигателем.

Регулирование гидропривода может быть ручным, автоматическим и программным.

Объемный гидропривод, в котором в определенном диапазоне изменения внешних воздействий скорость движения выходного звена путем регулирования поддерживается постоянной, называется стабилизированным.

Объемный гидропривод, в котором перемещение выходного звена находится в строгом соответствии с величиной управляющего сигнала, называется следящим гидроприводом.

Примерами гидроприводов различного назначения являются гидроприводы, схемы которых представлены на рис. 4.8 и 4.9.

На рис. 4.8 приведены три принципиальные схемы, соответствующие трем классам гидроприводов, которые различаются характером движения выходного звена. На схемах использованы следующие обозначения: 1 – регулируемый насос, 2 – гидродвигатель (на схеме а им является гидроцилиндр, на схеме б – поворотный гидродвигатель и на схеме в – гидромотор), 3 – гидрораспределитель (на схеме а – двухпозиционный с управлением от кулачка и с пружинным возвратом, на схеме б – трехпозиционный с управлением от электромагнитов и на схеме в – трехпозиционный с ручным управлением), 4 – предохранительный гидроклапан, 5 – гидробак.

Насос всасывает жидкость из бака и нагнетает ее в гидродвигатель через гидрораспределитель. Из гидродвигателя жидкость сливается в гидробак через другой канал гидрораспределителя. Предохранительный гидроклапан отрегулирован на предельно допустимое давление в гидросистеме и предохраняет гидропривод с приводящим двигателем от перегрузок.

Для улучшения условий всасывания жидкости из бака и предотвращения кавитации в насосе в гидроприводе вращательного движения (рис. 4.8, в) применен гидробак с наддувом, т.е. с повышенным давлением газа над поверхностью жидкости. При необходимости, это обычно обеспечивается при помощи специального компрессора.

Рис. 4.8. Принципиальные схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией: а) возвратно-поступательного движения; б) поворотного движения; в) вращательного движения

Изменение направления движения выходного звена гидродвигателя (реверсирование) осуществляется изменением позиции гидрораспределителя, а регулирование скорости этого движения – увеличением или уменьшением рабочего объема насоса.

На рис. 4.8 показаны принципиальные схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией жидкости. Разрыв циркуляции происходит в баке, при этом исключается возможность реверсирования гидродвигателей путем изменения направления подачи насоса (реверса подачи). В таких гидроприводах для реверсирования гидродвигателя обязательно использовать гидрораспределители.

На рис. 4.9 показана схема гидропривода вращательного движения с замкнутой циркуляцией жидкости.

Рис. 4.9. Принципиальная схема гидропривода с замкнутой циркуляцией

На схеме изображены регулируемый насос 1 с реверсом подачи; регулируемый гидромотор 2 с реверсом вращения; предохранительные гидроклапаны 3, защищающие гидролинии и от чрезмерно высоких давлений (каждая из них может оказаться напорной); система подпитки, состоящая из вспомогательного насоса 4, переливного клапана 5 и двух обратных клапанов 6. Система подпитки предохраняет гидролинии и от чрезмерно низких давлений (система подпитки прежде всего служит для исключения возможности возникновения кавитации на входе в насосе).

На основании анализа приведенных принципиальных схем объемных гидроприводов, а также принимая во внимание задачи, которые необходимо решать по управлению гидроприводом и обеспечению его работоспособности, можно заключить, что реальный объемный гидропривод обязательно должен включать в себя следующие элементы (количество перечисленных ниже элементов в составе гидропривода не ограничивается):

– энергопреобразователи - это устройства, обеспечивающие преобразование механической энергии в гидроприводе. К ним относятся: гидромашины (насосы и гидродвигатели), гидроаккумуляторы и гидропреобразователи.

– гидросеть – это совокупность устройств, обеспечивающих гидравлическую связь элементов гидропривода. К ним относятся: гидробаки, рабочая жидкость, гидролинии, гидравлическая соединительная арматура.

– кондиционеры рабочей среды – это устройства, предназначенные для поддержания заданных качественных показателей и состояния рабочей жидкости (чистота, температура и т.п.). К ним относятся: фильтры, сепараторы, теплообменники и воздухоспускные устройства (частично к этому классу устройств относятся и гидробаки, где также происходит очистка и охлаждение рабочей жидкости);

– гидроаппараты – это устройства, предназначенные для изменения или поддержания заданных значений параметров потока рабочей жидкости (давления, расхода, направления движения). Их еще называют элементами управления объемных гидроприводов. К ним относятся: гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.