Поступательные гидропреобразователи

ГИДРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ГИДРОВЫТЕСНИТЕЛИ

Определение и классификация гидропреобразователей и гидровытеснителей

В системах гидропривода часто возникает потребность в передаче энергии от одного потока рабочей жидкости к другому потоку с изменением или без изменения давления.

Превращение энергии одного потока рабочей среды (первичная цепь) в энергию другого потока (вторичная цепь) с изменением давления обеспечивается в гидропреобразователях, а превращение энергии одного потока рабочей среды в энергию другого потока без изменения давления – в гидровытеснителях [17].

Таким образом, в гидропреобразователях давление и расход рабочей жидкости вторичной цепи отличаются от соответственно давлению и расхода рабочей жидкости первичной цепи даже при пренебрежении энергетическими потерями в объемной машине, а в гидровытеснителях при таком же пренебрежении потерями энергии давления и расходы рабочих жидкостей первичной и вторичной цепей сохраняются неизменными.

Преобразователи и вытеснители состоят из двух ступеней – гидродвигателя и насоса. Рабочая жидкость первичной цепи в качестве энергоносителя подводится к гидродвигателю, за счет механической энергии на выходном звене которого приводится в движение рабочее звено насоса. Поток рабочей жидкости на выходе из насоса – вторичная цепь – отводится к потребителям. Таким образом, первичная и вторичная цепи в гидропреобразователях и гидровытеснителях обязательно отделяются одна от другой.

Различают поступательный и вращательный гидропреобразователи, причем поступательный гидропреобразователь состоит из гидроцилиндров с двумя поршнями разных диаметров, штоки которых жестко соединены между собой, а вращательный гидропреобразователь состоит из гидромотора и насоса с разными рабочими объемами, валы которых также жестко соединены между собой.

Соответственно в гидровытеснителях диаметры поршней гидроцилиндров и рабочие объемы гидромотора и насоса равны между собой.

Гидропреобразователи иногда называют гидротрансформаторами.

Гидропреобразователи

Поступательные гидропреобразователи

Широко распространены поступательные гидропреобразователи, которые состоят из двух гидроцилиндров с поршнями разных диаметров, жестко связанных между собой (рис. 12.1).

Конструктивно такой поступательный гидропреобразовать может быть выполнен в виде корпуса 1 с двумя цилиндрами 2 и 5 (рис. 12.1, а). Поршень 3 цилиндра 2 имеет диаметр , а плунжер 4 цилиндра 5 – диаметр , то есть плунжер 4 является одновременно штоком поршня 3.

а)

б)

Рис. 12.1. Схемы поступательных гидропреобразователей

Рабочая жидкость первичной цепи с давлением подводится в бесштоковую полость цилиндра 2, что обеспечивает перемещение поршня 3 с плунжером 4 вправо (прямой ход гидропреобразователя). При этом жидкость с давлением из штоковой полости цилиндра 2 отводится в сливную сеть, а рабочая жидкость вторичной цепи с давлением из полости цилиндра 5 подается потребителю. Обратное перемещение подвижных элементов гидропреобразователя (обратный ход гидропреобразователя) обеспечивается подачей рабочей жидкости в штоковую полость цилиндра 2 (или усилием обратной пружины).

Пренебрегая силой сливного давления жидкости на рабочую площадь поршня 3 в штоковой (сливной) полости цилиндра 2 и гидромеханическими потерями ( - гидромеханический КПД гидропреобразователя) при прямом ходе гидропреобразователя его толкающую силу ( - сила давления рабочей жидкости первичной цепи на поршень 3) можно приравнять силе давления рабочей жидкости вторичной цепи на плунжер 4, то есть принять

, (12.1)

и - рабочие площади соответственно поршня 3 в бесштоковой полости цилиндра 2 и плунжера 4 ; .

Из (12.1) коэффициент преобразования рассмотренного поступательного гидропреобразователя – отношение давления рабочей среды во вторичной цепи к давлению в первичной цепи – определится зависимостью

. (12.2)

При скорости прямого хода гидропреобразователя, которая составляет , отношение расхода рабочей жидкости вторичной цепи к расходу рабочей жидкости первичной цепи без учета объемных потерь ( , - объемный КПД гидропреобразователя) равняется

. (12.3)

При принятых условиях , мощность потока рабочей среды первичной цепи равняется мощности потока рабочей среды вторичной цепи гидропреобразователя, то есть

,

откуда .

Для получения больших значений коэффициента преобразования и одновременного обеспечения жесткости и прочности конструкции используют поступательные гидропреобразователи с дифференциальным поршнем (рис. 12.1, б).

Для приведенной схемы гидропреобразователя коэффициент преобразования равняется

, (12.4)

где и - рабочие площади соответственно поршня первичной цепи и поршня вторичной цепи гидропреобразователя ; ;

- диаметр хвостовика гидропреобразователя.

Исходя из (12.4), нужную величину коэффициента преобразования при заданных значениях и можно достичь необходимым соотношениям диаметров и .

Находят применение поступательные дифференциальные гидропреобразователи с подвижным цилиндром 1 внешним диаметром и неподвижным штоком 2 диаметром (рис. 12.2).

При пренебрежении весом цилиндра 1, условием его равновесия является зависимость

или

где и - рабочие площади соответственно цилиндра 1 и штока 2 ; .

Пренебрегая, опять же, гидромеханическими и объемными потерями в поступательном дифференциальном гидропреобразователе и высотой штока 2, коэффициент преобразования определится зависимостью (12.2), а отношение расходов рабочей жидкости во вторичной и первичной цепях – зависимостью (12.3).

Рис. 12.2. Схема поступательного дифференциального гидропреобразователя

Рассмотренные поступательные гидропреобразователи являются объемными машинами периодического действия с циклами нагнетания и всасывания. Для устранения указанного недостатка применяют поступательные гидропреобразователи непрерывного действия, которыми являются гидроцилиндры двухстороннего действия с двухсторонними штоками (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Схема поступательного гидропреобразователя непрерывного действия

При вытеснении рабочей жидкости из одной, какой угодно, полости вторичной цепи с давлением во внешнюю сеть, противоположная полость этой же цепи заполняется через соответствующий обратный клапан 1 или 2 рабочей жидкостью первичной цепи с давлением . При попеременной подаче в соответствующие полости первичной цепи рабочей жидкости с давлением , во внешнюю сеть рабочая жидкость с давлением нагнетается непрерывно по закону подачи однопоршневого насоса прямого двухстороннего действия.

В некоторых случаях, в частности, в системе питания тормозов колес самолетов, необходимо снижение давления рабочей жидкости с увеличением ее расхода. В указанных системах это обусловлено необходимостью обеспечения быстродействия тормозов за счет значительного расхода жидкости при ее давлениях, меньших давления в общей гидросистеме самолета.

Примером такого поступательного гидропреобразователя может быть двухцилиндровая объемная машина с цилиндрами 1 малого диаметра и 5 большого диаметра (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Схема поступательного гидропреобразователя – понизителя давления

Рабочая жидкости с высоким давлением и малым расходом подается в цилиндр 1 первичной цепи и под действием гидростатических сил давления на подвижной поршень 3 вытесняется из цилиндра 5 вторичной цепи с низким давлением и большим расходом . Обратный ход поршня 3 после прекращения питания цилиндра 1 обеспечивается усилием пружины 6.

Постоянная компенсация возможных утечек рабочей жидкости замкнутой вторичной цепи гидропреобразователя обеспечивается через обратный клапан 2, который открывается в конце рабочего хода поршня 3 штырем 4. При этом рабочая жидкость с высоким давлением в количестве, необходимом для компенсации объемных потерь вторичной цепи, попадает в цилиндр 5. После повышения давления в цилиндре 5 сверх расчетного значения, равновесие поршня 3 нарушится и он переместится вправо на величину, которая позволяет закрыться обратному клапану 2.

Для рассмотренного поступательного гидропреобразователя значение коэффициента преобразования меньше единицы, то есть давление жидкости вторичной цепи меньше давления жидкости первичной цепи

,

а отношение расходов рабочей жидкости во вторичной и первичной цепях больше единицы

.

В поступательном гидропреобразователе непрерывного действия (рис. 12.3) и в поступательном гидропреобразователе – понизителе давления (рис. 12.4) в процессе работы происходит соединение рабочих полостей первичной и вторичной цепей, что противоречит определению гидропреобразователя. Но следует иметь в виду, что и в первом и во втором случаях соединения рабочих полостей происходит только для их пополнения рабочей жидкостью, а не для энергообмена между потоками жидкостей.