Объемные гидравлические двигатели

В гидравлических двигателях происходит преобразование энергии потока жидкости в механическую работу. В объемных гидродвигателях это преобразование осуществляется в замкнутых объемах (рабочих камерах), которые попеременно сообщаются с напорной и сливной полостями. Гидродвигатель – это гидромашина, «противоположная» насосу. К нему подводится жидкость под давлением, а на выходе имеет место возвратно-поступательное или вращательное движения выходного звена.

По характеру движения выходного звена во всём многообразии объемных гидродвигателей выделяют две большие группы: гидравлические цилиндры (гидроцилиндры) и гидравлические моторы (гидромоторы).

Гидроцилиндры

Гидравлическим цилиндром называется объемный гидродвигатель с возвратно-поступательным движением выходного звена. Гидроцилиндры широко применяются в качестве исполнительных механизмов различных машин. По конструкции и принципу действия гидроцилиндры очень разнообразны и классифицируются в соответствии с ГОСТ 17752-81.

По направлению действия рабочей жидкости все гидроцилиндры можно разделить на две группы: одностороннего и двухстороннего действия. На рабочий орган гидроцилиндра одностороннего действия жидкость может оказывать давление только с одной стороны, как, например, в схемах на рис. 4.10, а, г.

Рис. 4.10. Разновидности гидроцилиндров: а) поршневой одностороннего действия; б) поршневой двухстороннего действия; в)поршневой двухстороннего действия с двухсторонним штоком; г) плунжерный; д) телескопический одностороннего действия

В гидроцилиндрах одностороннего действия движение поршня вправо обеспечивается за счет давления жидкости, подводимой в левую полость гидроцилиндра. Обратное перемещение поршня обеспечивается другим способом. Наиболее часто это достигается за счет пружины (рис. 4.10, a) или веса груза при вертикальном движении поршня (рис. 4.10, д). Перемещение рабочего органа гидроцилиндра двухсторонне­го действия в обоих направлениях обеспечивается за счет рабочей жидкости (рис. 4.10, б, е). В таких гидроцилиндрах жидкость может подводиться как в левую полость (тогда поршень движется вправо), так и в правую для обеспечения движения влево.

Гидроцилиндры подразделяются также по конструкции рабочего органа. Наибольшее распространение получили цилиндры с рабочим органом в виде поршня или плунжера. Причем поршневые гидроцилиндры могут быть выполнены с односторонним (рис. 4.10, д) или двухсторонним штоком (4.10, в). Плунжерные гидроцилиндры (рис. 4.10, г) могут быть только одностороннего действия, с односторонним штоком.

По характеру хода выходного звена гидроцилиндры делятся на одноступенчатые и телескопические (многоступенчатые). Одноступенчатые гидроцилиндры рассмотрены ранее (рис. 4.10, а, б, е, г). Телескопические гидроцилиндры представляют собой несколько вставленных друг в друга поршней. В качестве примера на рис. 4.10, г приведена схема двухступенчатого телескопического гидроцилиндра одностороннего действия. В таком гидроцилиндре поршни выдвигаются последовательно друг за другом. Телескопические гидроцилиндры применяются для получения больших перемещений.

Полный КПД гидроцилиндров определяется в первую очередь величиной механического КПД, который для большинства конструкций составляет _м = 0,85 – 0,95. Гидравлические потери в цилиндрах практически отсутствуют и гидравлический КПД равен единице ( _г = 1). Объемные потери в рассматриваемых устройствах могут иметь место в зазоре между поршнем и цилиндром. Однако при уплотнении этого места резиновыми кольцами или манжетами они очень малы. Тогда объемный КПД также можно считать равным единице ( _о = 1).

При расчете гидроцилиндров используются две основные формулы. Первая из них связывает силу F на штоке (рис. 4.11) и перепад давлений на гидроцилиндре р = р₁ – р₂. С некоторым упрощением она выглядит следующим образом:

F = р ∙ S ∙ _м

где S – активная площадь, на которую действует подводимое (высокое) давление.

Рис. 4.11. Расчетная схема гидроцилиндра

При движении жидкости по сплошным стрелкам на расчетной схеме (рис. 4.11) этой площадью является площадь поршня (S = S_n), а при обратном движении (движение по штриховым стрелкам на схеме) – площадь поршня за вычетом площади штока (S = S_n – S_ш).

Вторая формула связывает расход и скорость поршня

.

или

Формула записана в двух вариантах. Это вызвано тем, что расходы до гидроцилиндра и после него различны. Для пояснения этого представим, что поршень на расчетной схеме (рис. 4.11) переместился из начального положения вправо на расстояние (равное толщине поршня). В таком случае в левую полость гидроцилиндра поступил объем жидкости, равный объему поршня (W = S_пl), а из правой полости вытеснился меньший объем W = (S_n – S_ш) (W¢ на рис 4.11 заштрихован). Из соотношения объемов W и W¢ следует, что расходы до и после гидроцилиндра связаны зависимостью

.

Это соотношение следует учитывать при проведении расчетов.

Для обозначения гидроцилиндров на гидравлических схемах используются условные обозначения, приведенные на рис. 4.10.

Гидромоторы

Гидромотором называется объемный гидравлический двигатель с вращательным движением выходного звена. Наибольшее распространение получили роторные гидромоторы. Их конструкции ничем принципиально не отличаются от конструкций одноименных роторных насосов. Некоторые конструктивные отличия обычно вызваны обратным направлением потока мощности через гидромотор (по сравнению с насосом).

Распространение получили шестеренные, пластинчатые и роторно-поршневые гидромоторы. Их конструктивные схемы также не отличаются от конструктивных схем аналогичных насосов. При рассмотрении этих схем применительно к гидромоторам необходимо учитывать, что мощность к гидродвигателю подводится с потоком жидкости, В гидромоторе она преобразуется во вращательное движение, а затем реализуется в виде крутящего момента на его выходном валу.

Наиболее широко используются роторно-поршневые гидромоторы. При этом аксиально-поршневые применяются в случае необходимости получения на выходе высоких скоростей вращения, а радиально-поршневые гидромоторы – для получения низких скоростей вращения (в частности, используются в мотор-колесах самоходных машин).

Основной характеристикой геометрических размеров роторных гидромоторов, как и роторных насосов, является их рабочий объем W₀. Эта величина имеет тот же физический смысл и определяется так же, как и у насосов. Гидромоторы и аналогичные им насосы могут быть с переменным рабочим объемом, т.е. регулируемыми.

Полные КПД роторных гидромоторов определяются произведением объемного и механического КПД. Гидравлические потери в этих гидромоторах малы, поэтому их гидравлические КПД принимают равными единице ( _г = 1). Численные значения объемных _о и механических _м КПД роторных гидромашин практически не отличаются от аналогичных величин для однотипных насосов.

При расчете гидромоторов используются две основные формулы. Они несколько отличаются от аналогичных формул для роторных насосов из-за противоположного направления потока мощности. Первая из этих формул связывает момент на валу гидромотора с перепадом давлений в напорном и сливном трубопроводах р =p₁ –р₂:

.

Вторая формула связывает расход Q через гидромотор с частотой вращения его вала n:

Для обозначения гидромоторов на принципиальных гидравлических схемах используется та же система символов, что для обозначения роторных насосов. Но в отличие от насосов у гидромоторов стрелки (треугольники) внутри окружностей, указывающие направление движения жидкости, всегда направлены внутрь окружности. Символ регулируемых гидромоторов также перечеркивается тонкой стрелкой.

Существуют роторные гидромашины, которые могут работать как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора. Такие гидромашины принято называть насос-моторами. Обозначения перечисленных элементов приведены на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Обозначения роторных гидромоторов и насос-моторов