Текст
                    А.С. Наземцев
Д.Е. Рыбальченко
Пневматические и гидравлические приводы и системы
Часть 2
Гидравлические приводы и системы
Основы
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия
для студентов, обучающихся по специальностям технического профиля
Москва
ФОРУМ
2007

УДК 62-85(075.32) ББК 34.4472я723 Н19 Рецензент: кандидат технических наук, заведующий лабораторией гидросистем станков «ЭНИМС» Свешников Владимир Константинович. Авторы: А.С. Наземцев (гл. 1-11) Д.Е. Рыбальченко (гл. 12) Рисунки выполнены А.С. Наземцевым (гл. 1-11) и А.Л. Белковским (гл. 12) Наземцев А.С. Н19 Пневматические и гидравлические приводы и системы. Часть 2. Гидравлические приводы и системы. Основы. Учебное пособие / А,С. Наземцев, Д.Е. Рыбальченко. - М.: ФОРУМ, 2007 - 304 с. ил. ISBN 978-5-91134-128-2 Учебное пособие посвящено современным машиностроительным гидроприводам межотраслевого приме- нения. Описаны структура и принципы построения гидравлических приводов, функциональное назначение, конструктивные особенности, принципы действия и условные графические обозначения основной элементной базы: насосов, исполнительных механизмов, направляющих и регулирующих гццроаппаратов, устройств кон- троля и измерения основных параметров потока рабочей жидкости. Изложена методика проектирования и рас- чета гидроприводов поступательного и вращательного действия, приведены сведения по монтажу, наладке и Эксплуатации гидравлических приводов. Рассмотрены вопросы построения и функционирования различных типов централизованных систем смаз- ки, приведены сведения по системам охлаждения. Для студентов машиностроительных специальностей, слушателей отделений переподготовки и повыше- ния квалификации в области автоматизации технологических процессов и производств. УДК 62-85(075.32) ББК 34.4472я723 ISBN 978-5-91134-128-2 © ЗАО «ЭКОИНВЕНТ», 2007
Оглавление Предисловие .........................................................................7 Введение ........................................................................... 8 1. Структура гидроприводов .........................................................11 2. Физические основы функционирования гидросистем ..................................16 2.1. Силы, действующие в жидкости. Давление.................................... 16 2.2. Основные свойства жидкостей...................................................18 2.3. Основы гидростатики ..........................................................23 2.4. Основы гидродинамики..........................................................26 2.4.1. Расход..................................................................27 2.4.2. Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости........................28 2.4.3. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости.........................31 2.4.4. Режимы течения жидкости.................................................32 2.4.5. Потери энергии в гидросистемах . ,......................................33 2.4.6. Течение жидкости в коротких каналах с дросселированием потока...........38 2.4.7. Кавитация...............................................................40 2.4.8. Гидроудар...............................................................41 3. Энергообеспечивающая подсистема..................................................43 3.1. Рабочие жидкости..............................................................44 3.2. Трубопроводы и присоединительная арматура ....................................48 3.3, Насосы . . ...................................................................54 3.3.1. Шестеренные насосы......................................................55 3.3.2. Пластинчатые насосы ....................................................57 3.3.3. Радиально-поршневые насосы..............................................59 3.3.4. Аксиально-поршневые насосы..............................................60 3.3.5. Винтовые насосы.........................................................62 3.3.6. Статические характеристики объемных насосов.. ........................ 63 3.3.7. Регулирующие устройства.................................................65 3.4. Гидроаккумуляторы.............................................................68 3.5. Дополнительное оборудование...................................................71 3.5.1. Гидробаки............................................................. 71 3.5.2. Фильтры ................................................................72 3.5.3. Теплообменные аппараты..................................................76 3
Оглавление 4. Исполнительная подсистема........................................................78 4.1. Гидроцилиндры........................................................... , . . 78 4,1.1. Плунжерные гидроцилиндры ...............................................79 4.1.2. Поршневые гидроцилиндры.................................................79 4.1.3. Телескопические гидроцилиндры...........................................82 4,1.4. Крепление гидроцилиндров................................................83 4.2. Поворотные гидродвигатели.................................................. 84 4.3. Гидромоторы .................................................................86 5. Направляющая и регулирующая подсистема ..........................................87 5.1. Направляющие гидроаппараты...................................................89 5.1.1. Гидрораспределители . . ................................................89 5.1.2. Обратные клапаны.......................................................104 5-1-3. Гидрозамки ............................................................106 5.2. Регулирующие гидроаппараты................................................ 110 5.2.1. Гидроаппараты управления давлением ....................................110 5.2.2. Гидроаппараты управления расходом......................................121 6. Информационная подсистема ......................................................131 6.1. Контроль давления......................................................... 131 6.2. Контроль расхода ...........................................................136 6.3. Контроль температуры .......................................................140 6.3. Контроль уровня рабочей жидкости в баке.....................................141 6.4. Контроль чистоты рабочей жидкости ..........................................143 7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением ......................144 7.1. Пропорциональные электромагниты.............................................145 7.2. Гидроаппараты с электрическим пропорциональным управлением..................148 7.2.1. Клапаны давления.......................................................148 7.2.2. Гидрораспределители..................................._................149 7.2.3. Регуляторы расхода................................................... 152 7.3. Электронные усилители .................................................., . . , 153 7.4. Электрогидравлические усилители.............................................157 8. Монтаж гидроаппаратов...........................................................160 8.1. Гидроаппараты резьбового исполнения.........................................160 8.2. Гидроаппараты встраиваемого исполнения......................................161 8.3. Гидроаппараты стыкового исполнения..........................................162 8.4. Гидроаппараты модульного исполнения . 164 4
Оглавление 8.5. Способы монтажа гидросистем ..................................................165 8.6. Уплотнения 169 9. Функционирование гидроприводов....................................................174 9.1. Коэффициент полезного действия гидропривода...................................174 9.2. Управление положением выходного звена исполнительного механизма...............176 9.2.1. Позиционирование исполнительных механизмов в крайних положениях..........176 9.2.2. Позиционирование исполнительных механизмов в промежуточном положении.....178 9.2.3. Позиционирование исполнительных механизмов в промежуточном положении с длительной выдержкой под нагрузкой ...........................................179 9.3. Управление скоростью выходного звена исполнительного механизма................181 9 4. Управление усилием на выходном звене исполнительного механизма..............187 9.5. Последовательная работа исполнительных механизмов.............................189 9.6. Параллельная работа исполнительных механизмов.................................190 9.7. Применение гидроаккумуляторов .............................................. 193 10. Основы эксплуатации гидроприводов................................................196 10.1. Ввод гидроприводов в эксплуатацию........................................ 196 10.2. Техническое обслуживание гидроприводов ......................................198 10.3. Поиск и устранение неисправностей............................................201 10.3.1. Виды неисправностей................................................... 201 10.3.2. Характерные неисправности...............................................202 10-3.3. Техническая диагностика гидросистем ....................................206 10.4. Общие требования по технике безопасности ....................................207 11. Основы проектирования гидроприводов..............................................210 11.1. Разработка принципиальной схемы привода .....................................210 11.2. Предварительный расчет гидроприводов.........................................212 11.2.1. Выбор номинального давления.............................................212 11.2.2. Выбор рабочей жидкости .............................’...................212 11.2.3. Выбор насоса............................................................213 11.2.4. Определение основных геометрических параметров исполнительных механизмов ... 215 11.2.5. Выбор гидроаппаратуры...................................................217 11.2.6. Выбор фильтров..........................................................217 11.2.7. Расчет трубопроводов................................................ 218 11.2.8. Расчет потерь давления в гидросистемах..................................218 11.3. Поверочный расчет гидроприводов..............................................220 11.4. Определение мощности и КПД гидроприводов............................... 221 11.5. Тепловой расчет гидроприводов................................................222 5
Оглавление 12. Гидравлические системы смазки и охлаждения.....................................223 12.1. Гидравлические смазочные системы...........................................224 12.1.1. Смазочные материалы...................................................224 12.1.2. Классификация смазочных систем .......................................226 12.1.3. Централизованные смазочные системы . .......................... 2.28 12.1.4. Информационные элементы смазочных систем .............................242 12.1.5. Проектирование централизованных смазочных систем......................243 12.2. Гидравлические системы смазочно-охлаждающих жидкостей ................... 247 12.2.1. Смазочно-охлаждающие жидкости.........................................247 12.2.2. Структура систем СОЖ..................................................249 12.2.3. Элементы энергообеспечивающей подсистемы .............................250 12.2.4. Элементы направляющей и регулирующей подсистемы ......................254 12.2.5. Элементы информационной подсистемы ...................................258 12.2.6. Основные этапы проектирования систем СОЖ .............................259 Приложение ........................................................................260 П1. Справочная информация..........................................................260 П1.1. Соотношения единиц величин, применяемых в гидравлике и пневматике, с единицами международной системы СИ (SI).................................. 260 П1.2. Соотношения между различными единицами давления и температурными шкалами..263 П1.3. Т рубопроводы..............................................................264 П1.4. Структура обозначения индустриальных масел, в соответствии с ГОСТ 17479-87 «Масла индустриальные. Классификация и обозначение».........................265 П1.5. Обозначения индустриальных масел...........................................266 П1.6. Интервалы значений основных характеристик и рекомендуемая область применения некоторых масел .................................................268 П1.7. Извлечения из ГОСТ 17216-2001 «Промышленная чистота. Классы чистоты жидкостей». Определение классов чистоты рабочей жидкости ...............................271 П1.8. Вещества, используемые при работе с системами СОЖ..........................273 П1.9. Зависимость коэффициентов приведенной длины от способа монтажа гидроцилиндра .... 275 П2. Условные обозначения элементов на схемах.......................................276 П2.1. Буквенные коды элементов...................................................276 П2.2. Условные графические обозначения гидравлических элементов на схемах .......278 П2.3. Образец схемы соединений конструктивных элементов гидроприводов............288 Список использованной литературы..... ......... ...........289 Предметный указатель...............................................................290 6
Предисловие Развитие отечественной промышленности многие годы сопровождалось совершенствованием гидрообо- рудования отраслевого применения, что нашло свое отражение и в существующей технической литературе. Специалистам предлагаются книги по гидрооборудованию строительных и дорожных машин, по применению гидроприводов в металлургическом производстве, в летательных аппаратах, станкостроении и пр. Однако, несмотря на большое количество книг, посвященных вопросам применения гидроприводов в различных об- ластях промышленности, учебной литературы для изучения общих вопросов построения, функционирования и обслуживания гидроприводов в различных областях явно недостаточно. В предлагаемых учебниках и пособиях, по мнению авторов, не уделено достаточного внимания структури- рованному подходу к изучению принципов построения гидроприводов, практически не освещены вопросы, связанные с составлением и чтением принципиальных гидравлических схем; не рассмотрены централизован- ные системы смазки и системы смазывающе-охлаждающих жидкостей. Основной задачей авторов являлось структурирование и наглядное представление материалов для ясно- го представления читателями конструктивных особенностей и принципов действия гидравлических элемен- тов, их функционального назначения, вне зависимости от отраслевого применения. Цель пособия: - обобщить информацию в области применения гидрооборудования; - описать наиболее характерные конструкции гидроэлементов; - изложить основы эксплуатации и проектирования гидравлических приводов и систем. Учебное пособие состоит из двенадцати глав и приложения. В главах 1, 2 рассмотрены вопросы построения и физические основы функционирования гидросистем. Главы 3-7 посвящены изучению элементов объемного гидропривода, их конструктивному исполнению и функциональному назначению. Основные принципы монтажа, эксплуатации и проектирования гидроприводов приведены в главах 8-11. В главе 12 собраны и обобщены материалы по классификации, структуре и элементной базе современных централизованных систем смазки и смазочно-охлаждающих жидкостей. В приложении приведена справочная информация, а также условные графические обозначения элемен- тов гидроприводов, систем смазки и смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ). В список использованной литературы включены только источники, составляющие основу изложенных в пособии материалов. Авторы глубоко признательны руководству и сотрудникам ЗАО «ЭКОИНВЕНТ» за предоставленную воз- можность написания данного пособия и за помощь, оказанную при поиске и подготовке материалов. Особую благодарность авторы выражают заведующему лабораторией гидросистем станков «ЭНИМС», кандидату технических наук В.К. Свешникову за обстоятельное рецензирование рукописи и за полезные пред- ложения по улучшению его содержательной части. 7
Введение Автоматизация технологических процессов в современном промышленном производстве является непро- стой технической задачей и часто требует интегрирования в единой установке нескольких систем различной архитектуры с различными энергоносителями. В соответствии с функциональным назначением технические системы делят на системы управления — системы, которые применяются для управления различными машинами, станками, устройствами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс этих объектов (системы смазки, охлаждения, противоаварийной защиты, топливные, системы пожаро/газобезопасности и др.). Системы управления, в состав которых входит комплекс устройств, предназначенных для получения уси- лий и перемещений в машинах и механизмах, называют приводами*. В зависимости от используемого энерго- носителя различают электро-, пневмо- и гидроприводы. Область применения того или иного привода обусловлена их достоинствами и недостатками (табл. В1). Таблица В1 Критерий Э лектропри воды Гидроприводы Пневмоприводы Затраты на энергоснабжение Низкие Высокие Очень высокие Передача энергии На неограниченное рас- стояние со скоростью све- та с « 300 000 км/с На расстояния до 100 м, скорость — до 6 м/с, передача сигналов — до 100 м/с На расстояния до 1000 м, скорость — до 40 м/с, пе- редача сигналов — до 40 м/с Накопление энергии Затруднено Ограничено Легко осуществимо Линейное перемещение Затруднительно, дорого, малые усилия Просто, большие усилия, хорошее регулирование скорости Просто, небольшие уси- лия, скорость зависит от нагрузки Вращательное движение Просто, высокая мощность Просто, высокий крутящий момент, невысокая частота вращения, широкий диапа- зон регулирования Просто, невысокий крутя- щий момент, высокая час- тота вращения Рабочая скорость испол- нительного механизма Зависит от конкретных ус- ловий До 1,5 м/с 1,5 м/с и выше Усилия Большие усилия, не до- пускаются перегрузки Усилия до 3 000 кН и вы- ше, защищены от пере- грузок Усилия до 30 кН, защище- ны от перегрузок Точность позиционирования +1 мкм и выше До ±1 мкм До 0,1 мм Жесткость Высокая (используются механические промежу- точные элементы) Высокая (гидравлические масла практически несжи- маемы) Низкая (воздух сжимаем) Утечки Нет Создают загрязнения Нет вреда, кроме потерь энергии Влияние окружающей среды Нечувствительны к изме- нениям температуры Чувствительны к измене- ниям температуры, пожа- роопасны при наличии утечек Практически нечувствитель- ны к изменениям темпера- туры, взрывобезопасны Гидроприводом называют совокупность источника энергии и устройства для ее преобразования и транс- портировки посредством жидкости к приводимой машине. В зависимости от вида гидропередачи, т.е. устрой- * Привод — энергосиловое устройство, приводящее в движение машину или механизм. Привод состоит обыч- но из источника энергии, передаточного механизма и аппаратуры управления. 8
Введение ства, транспортирующего и преобразующего энергию, различают объемный (ранее называемый гидростати- ческим), гидродинамический и смешанные приводы. Объемный гидропривод—это совокупность устройств, предназначенных для преобразования и передачи энергии посредством рабочей жидкости под давлением, с одним или более объемными гидродвигателями*. Объемный гидропривод позволяет с высокой точностью поддерживать или изменять скорость машины при произвольном нагружении, осуществлять слежение — точно воспроизводить заданные режимы вращатель- ного или возвратно-поступательного движения, усиливая одновременно управляющее воздействие. В объем- ном гидравлическом приводе используется энергия практически несжимаемой рабочей жидкости. Динамический гидропривод (гидродинамическая передача) позволяет осуществлять только вращатель- ное движение. В качестве источника энергии в них используются лопастные насосы, а в качестве двигателя — лопастные турбины. Принцип действия динамических гидроприводов основан на гидродинамическом воздей- ствии потока жидкости на рабочий орган двигателя. Такие приводы применяют в системах управления не столь широко, как объемные приводы. Это вызвано сложностью реверсирования движения выходных звеньев гидродинамических двигателей, необходимостью установки дополнительных редукторов для согласования обычно высоких частот вращения валов двигателей с более низкими скоростями движения управляемых уст- ройств и другими их конструктивными особенностями. В данном пособии речь будет идти об объемных гидроприводах, которые в инженерной практике обычно называют просто гидроприводами. Ряд существенных преимуществ гидроприводов перед другими типами приводов послужил основанием для широкого их применения в различных отраслях промышленности. В процессе развития гидрооборудова- ния сформировались такие крупные традиционные его потребители, как сельскохозяйственное и строитель- но-дорожное машиностроение, металлургиеское производство и станкостроение, транспорт и авиастроение со своими сложившимися конструктивными формами гидрооборудования. В несколько меньших масштабах, но с большими потенциальными возможностями развивается гидрооборудование горного машиностроения, особенно угольной промышленности. Основным достоинством гидроприводов является возможность получения больших усилий и мощностей при ограниченных размерах силовых исполнительных двигателей, что облегчает компоновку гидроприводов в механизмах. Благодаря малой инерционности подвижных частей гидроприводы имеют высокое быстродейст- вие — время их разгона и торможения не превышает обычно нескольких сотых долей секунды. Важным досто- инством гидроприводов является возможность работы в динамических режимах при частых включениях, оста- новках, реверсах движения или изменениях скорости. Гидроприводы при условии хорошей плавности движения обеспечивают широкий диапазон бесступенча- того регулирования скорости исполнительных двигателей, надежно защищают систему от перегрузки, что да- ет возможность механизмам работать по жестким упорам. Использование гидроприводов в станкостроении способствует существенному упрощению кинематики станков, снижению их металлоемкости, повышению точности, надежности работы, а также уровня автомати- зации. В многооперационных станках средства гидроавтоматики используются для обеспечения смены инстру- мента, фиксации направляющих, автоматизированной смены заготовок, шпиндельных узлов, для переключе- ния скоростей и осуществления вспомогательных операций, в системе подач широко применяется следящий гидропривод. Гидропривод в наибольшей мере удовлетворяет реализации общих тенденций развития сельскохозяйст- венных машин: увеличению числа рабочих органов, взаимодействующих с разными потребителями мощности при значительном удалении их от двигателя. В угольной промышленности гидропривод используется в механизмах подачи угольных комбайнов, меха- низмах хода проходческих машин, для управления исполнительными органами добычных машин и приводе другого горношахтного оборудования, а также в гидравлических крепях. * Гидроустройство, предназначенное для преобразования энергии рабочей среды в механическую энергию в процессе попеременного заполнения рабочей камеры рабочей средой и вытеснения ее из рабочей камеры. 9
Введение В металлургическом производстве гидропривод, ране применяемый только во вспомогательных механиз- мах (выталкивателях, кантователях, опрокидывателях и т.д.), является главным и единственным типом при- водов механизмов многих металлургических агрегатов, на которых осуществляется технология плавки чугуна, стали, производство проката. Наряду с указанными выше преимуществами, гидроприводы имеют и недостатки, которые ограничивают область их использования. Так при течении минерального масла по трубопроводам и каналам гидросистемы возникают потери на трение и утечки, снижающие КПД гидропривода и вызывающие нагрев рабочей жидко- сти, насосной установки и гидроагрегатов. Надежная работа гидроприводов может быть гарантирована толь- ко при надлежащей фильтрации рабочей жидкости. Необходимость применения фильтров тонкой очистки по- вышает стоимость гидроприводов и усложняет их техническое обслуживание. В некоторых отраслях промышленности по соображениям пожарной безопасности использовать мине- ральное масло в гидроприводах невозможно. Применение негорючих рабочих жидкостей удорожает гидро- приводы. Тем не менее при правильных конструировании и грамотной эксплуатации гидроприводов их недос- татки могут быть сведены к минимуму. Гидравлические системы в современном оборудовании применяются не только для управления механиз- мами, но и для обеспечения нормального выполнения основного технологического процесса. При работе любого оборудования в соприкасающихся и движущихся деталях возникает трение, которое является причиной износа, т.е. постепенного разрушения поверхности твердого тела под действием сил тре- ния. Продление срока эксплуатации и повышение КПД работы оборудования достигаются созданием смазоч- но-охлаждающих технологических сред в зонах контакта трущихся поверхностей узлов и механизмов, а также в зонах обработки материалов. Эти задачи решаются с помощью гидравлических систем смазки и охлаж- дения. Централизованные системы смазки, задачей которых является своевременная доставка требуемого коли- чества смазочного материала в зону контакта трущихся поверхностей, не только обеспечивают нормальное функционирование тяжелонагруженного оборудования, но и существенно повышают эффективность его ра- боты и снижают эксплуатационные расходы. Применение систем подачи СОЖ значительно повышает производительность механообработки и улучша- ет качество обработанных поверхностей. При использовании СОЖ улучшается износостойкость инструмента, шероховатость обрабатываемой поверхности, точность обработки и т.д. Гидроприводы, системы смазки и подачи СОЖ, которыми оснащено современное технологическое обору- дование, являются сложными техническими системами для отладки, технического обслуживания и ремонта которых, наряду со специалистами по механике и электротехнике (электронике), нужны специалисты-гидрав- лики 10
1. Структура гидроприводов Простейший гидропривод, как совокупность устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобразования движения за счет гидростатического напора жидкости, состоит из объемного насоса (ведущее звено), объемного гидродвигателя (ведомое звено), резервуара для рабочей жидкости и трубопроводов. Рабочая жидкость (минеральное масло или синтетическая жидкость) засасывается из ре- зервуара насосом в его рабочие камеры и затем вытеснителями через трубопроводы нагнетается в рабо- чие камеры гидродвигателя, вызывая изменение их объема (иногда вместо насоса может использоваться другой источник гидростатического напора). Выходное звено гидродвигателя, кинематически связанное с рабочим органом технологической установки (объектом управления), приходит в движение и совершает полезную работу. Для того, чтобы стабилизировать или изменять параметры движения гидродвигателя — перемещение, скорость, ускорение — в приводе применяют устройства, управляющие направлением движения рабочей жидкости, а также ее энергией. Гидроприводы крайне разнообразны и могут различаться по назначению, принципу действия, числу источ- ников гидравлической энергии и двигателей, конструкции устройств, составляющих систему, и по другим при- знакам. Однако в любом приводе, входящие в его состав элементы, подразделяют (в соответствии с выпол- няемыми функциями) на две взаимосвязанные части: силовую; управляющую (рис. 1.1). Управляющая часть гидропривода Силовая часть гидропривода Поток информации [ Выполнение полезной работы Ввод сигналов управления Обработка сигналоа управления Управление гидравлической энергией Энергообеспечение управляющей части привода О О X о Преобразование энергии внешнего источника в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости; кондиционирование рабочей жидкости Рис. 1.1. Структура гидропривода В силовой части гидропривода осуществляются энергетические процессы (выработка, преобразование и передача энергии), конечной целью которых является выполнение полезной работы. Управляющая часть гидропривода реализует информационные процессы (прием, обработка, хранение и передача информационных потоков), формирующие управляющие сигналы. Взаимодействие этих двух частей привода осуществляется следующим образом: сформированные в управляющей части привода сигналы управления подаются на входы устройств управления гидравлической энергией, входящих в состав силовой части привода. Таким образом, выполнение силовой частью привода по- лезной работы осуществляется по сигналам, поступающим от управляющей части. 11
1. Структура гидроприводов Для ознакомления со структурой силовой части рассмотрим гидропривод, в котором функции управления выполняются человеком-оператором (рис. 1.2) Силовая часть гидропривода состоит из трех подсистем: энергообеспечивающей; направляющей и регулирующей; исполнительной. ПикАда энергии внешнего источника в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости,, кондиционирование рабочей жидкости Гидропривод Принципиальная схема гидропривода Объект управления Исполнительная подсистема (Выполнение полезной работы) Направляющая и регулирующая подсистема Управление гидравлической энергией Энергообеспечивающая подсистема Структурная схема гидропривода Рис. 1.2. Структура гидропривода с ручным управлением Энергообеспечивающая подсистема. Элементы, входящие в данную подсистему, преобразуют механи- ческую энергию внешнего источника (электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и т.п.) в гидравличе- скую энергию потока рабочей жидкости и осуществляют ее кондиционирование. Под кондиционированием ра- бочей жидкости понимается одновременное поддерживание в требуемых диапазонах ее качественных пока- зателей' температуры, влагосодержания, чистоты Основными элементами подсистемы являются насос — источник гидравлической энергии — и предохра- нительное устройство, защищающее гидравлическую систему от перегрузок. Кондиционирование рабочей жидкости осуществляется с помощью гидробаков, фильтров, теплообменных аппаратов Направляющая и регулирующая подсистема. Управление гидравлической энергией заключается в рас- пределении и направлении потоков рабочей жидкости, а также в регулировании основных ее параметров, дав- ления и расхода Для реализации указанных функций предназначены устройства, называемые гидроаппаратами: распре- делители, клапаны давления, регуляторы расхода, запорные клапаны и др. Исполнительная подсистема. Назначение элементов исполнительной подсистемы — путем преобра- зования гидравлической энергии в механическую энергию своего выходного звена осуществлять различные перемещения рабочих органов технологического оборудования, т.е. совершать полезную работу Гидро- двигатели, или как их называют гидравлические исполнительные механизмы, могут совершать возврат- 12
1. Структура гидроприводов но-поступательное движение (гидроцилиндры), вращательное (гидромоторы) и поворотное (поворотные гид род вигател и). Следует обратить внимание на то, что принципиальная схема гидропривода (схема соединения элемен- тов гидропривода) воспроизводит его структурную схему. Она показывает с помощью стандартизованных символов, называемых условными графическими обозначениями, как соединены между собой отдельные конструктивные элементы системы. Обычно для большей наглядности ее вычерчивают без учета действи- тельного пространственного расположения составляющих ее элементов и строят по вертикали, как и струк- турные схемы. Направление движения потока гидравлической энергии на схемах силовой части привода при- нято снизу вверх. Условные графические обозначения конструктивных элементов гидропривода следует располагать на принципиальной схеме в направлении потока энергии: внизу — элементы энергообеспечивающей части или условное обозначение источника энергии; в середине — устройства направляющей и регулирующей подсистемы; вверху — исполнительные механизмы. Все устройства изображают на принципиальных схемах в исходном положении, т.е. в состоянии, которое необходимо для запуска системы в работу. Согласно ГОСТ 2.704-76 (см. приложение П.2.1) на принципиальных гидравлических схемах рядом с ус- ловным графическим обозначением каждого устройства проставляют буквенно-цифровое позиционное обо- значение. По возможности обозначения располагают справа и сверху относительно условного графического обозначения элемента. Введение в принципиальные гидравлические схемы индексов упрощает работу со схемами и устанавливает однозначное соответствие между конкретными моделями гидравлических аппара- тов и устройств, перечисленных в спецификации гидравлического оборудования, и местом каждого из них в данном приводе. Элементы управления энергией (гидроаппараты), предназначенные для преобразования и передачи сиг- налов от операторов или контролирующих какой-либо процесс автоматических устройств к исполнительным механизмам образуют цепь управления. В сложных системах управления с несколькими исполнительными механизмами, элементы управления группируют по цепям управления, причем для каждого гидродвигателя образуют свою цепь (рис. 1.3). Цепь управления 3 Цепь управления 2 Цепь управления 1 Рис. 1.3. Цепи управления гидродвигателями В импортных гидравлических схемах элементам привода присваивают не буквенно-цифровое позицион- ное обозначение, а цифровой индекс. При этом исполнительным механизмам и их цепям управления при- сваивают нумерацию по порядку, а элементы той или иной цепи управления обозначают индексами, состоя- 13
1. Структура гидроприводов щими из порядкового номера цепи и кодового числа. Энергообеспечивающая часть привода не может быть от- несена к какой-либо цепи управления, так как она питает одновременно несколько цепей управления. Поэтому ей всегда присваивают на схемах порядковый номер «О». Присвоение кодового числа конкретному элементу может осуществляться разными способами: для слож- ных схем применяется сквозная порядковая нумерация, для более простых схем код формируют по опреде- ленным правилам (табл. 1.1). Таблица 1.1 Наименование устройства Индекс Аппаратура энергообеспечивающей подсистемы 0.1, 0.2, 0.3, ... Исполнительные механизмы (ИМ) 1.0, 2.0, 3.0, ... Исполнительные распределители 1.1, 2.1, 3.1, ... Устройства, подающие сигналы на выдвижение штока цилиндра (после точки — четное число) 1.2, 1.4, 1.6, ... (для 1-го ИМ) 2.2, 2.4, 2.6, ... (для 2-го ИМ) Устройства, подающие сигналы на втягивание штока цилиндра (после точки — нечетное число) 1,3, 1.5, 1.7, ... (для 1-го ИМ) 2.3, 2.5, 2.7, ... (для 2-го ИМ) Устройства регулирования скорости и устройства, расположенные ме- жду исполнительными механизмами и исполнительными распредели- телями 1.01, 1.02, ... (для 1-го ИМ) 2.01, 2.02, ... (для 2-го ИМ) Такой подход облегнает чтение принципиальных схем, поскольку сужает поле отслеживания линий связи между элементами схемы и дает представление о том, что где бы «территориально» на схеме ни располагал- ся элемент, (например, 1.06), он будет установлен в цепи управления соответствующим исполнительным ме- ханизмом (в нашем случае — 1.0). Элементы, входящие в состав законченных функциональных блоков, выделяют на принципиальных схе- мах тонкими штрихпунктирными линиями с указанием позиционного обозначения блока. Так, например, на- сосная станция, показанная на рис. 1.3, в состав которой входит насосный агрегат и предохранительный кла- пан, имеет единый индекс 0.1. Во многих технических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необхо- димостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производи- тельности труда, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относи- тельной недоступности или опасных для здоровья, применяют автоматическое управление. Применение автоматизации (даже частичной) увеличивает надежность и точность работы приводов, по- вышает производительность машин в целом, позволяет управлять приводом на расстоянии. Системы автоматического управления (САУ)* бывают разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых системах отсутствует контроль состояния управляемого объекта, управляющее воздействие формируется исходя из цели управления и свойств управляемого объекта. В замкнутых же САУ управляющее воздействие произво- дится на основе результата сравнения состояния — текущего или в контрольных точках — объекта управле- ния с заданным (требуемым). В большинстве случаев исполнительные механизмы приводов технологического оборудования имеют же- сткую или кинематическую связь с объектом управления, что позволяет по состоянию их выходных звеньев * Устройство, машина и вообще какая-либо система называются автоматическими, если они выполняют по заданной программе без непосредственного участия человека все операции в процессе получения, передачи и использования энергии, материалов и информации. За человеком остаются лишь функции наладки, настройки и общего наблюдения за работой машин. 14
1. Структура гидроприводов судить о соответствующем состоянии объекта. Системы автоматического управления технологическими объ- ектами, организованные подобным образом, имеют структурную схему, представленную на рис. 1.4. Устройства, входящие в управляющую часть привода, по функциональному назначению делят на две под- системы: информационную (сенсорную); логико-вычислительную (процессорную). В информационную подсистему входят различного рода устройства ввода внешних управляющих сигна- лов, а также датчики и индикаторы. Если внешние управляющие сигналы («Пуск», «Стоп», «Аварийный оста- нов» и т.п.) вводит в систему оператор, то датчики автоматически «собирают» информацию о состоянии объ- екта управления, а индикаторы визуализируют необходимую для оператора часть этой информации. Логико-вычислительная подсистема осуществляет обработку введенных управляющих сигналов в соот- ветствии с заданной программой и вывод их на устройства управления энергией в силовой части привода. Из схемы, приведенной на рис. 1.4, следует, что в САУ сигналы передаются по замкнутому контуру. При этом реализуется основной принцип построения САУ, который заключается в применении обратной связи, обеспечивающей передачу информации об изменении состояния объекта управления (или, как в нашем слу- чае, — о состоянии исполнительного механизма) в систему управления. В зависимости от условий эксплуатации, требований безопасности или степени сложности силовой части привода его управляющая часть может быть реализована на базе пневматических, электрических или элек- тронных средств автоматизации. Управляющая часть привода не является предметом рассмотрения настоящего учебного пособия. Хотя для полноты представления на схемах эта часть была представлена, элементная база и принципы ее по- строения в электрогидравлических приводах приводятся в первой части учебного пособия «Пневматические приводы и средства автоматизации», раздел 9 «Релейно-контактные системы управления». 15
2. Физические основы функционирования гидросистем В гидроприводах и системах применяются различные рабочие жидкости, физические свойства которых удовлетворяют условиям эксплуатации. Несмотря на существенные отличия свойств, процессы и явления, происходящие в различных жидкостях в состоянии равновесия или движения, подчиняются единым физиче- ским законам. Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими ее поверхностями, называют гидромеха- никой. Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению конкретных технических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, по- токи жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е, течения в открытых и закрытых кана- лах — в руслах рек, в трубопроводах, в элементах гидромашин и других устройствах, внутри которых проте- кает жидкость*. При этом к понятию «жидкость» относят все тела, для которых свойственна текучесть, т.е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, под термином «жид- кость» понимают как обычные жидкости, называемые капельными, так и газы. Для капельных жидкостей характерным является то, что они, будучи в малом количестве, под действием сил поверхностного натяжения принимают сферическую форму, а в большом количестве — обычно образуют свободную поверхность раздела с газом. Важной особенностью капельных жидкостей является и то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, могут значительно уменьшаться в объеме под действием давления и неограниченно рас- ширяться при его отсутствии, т.е. они обладают большой сжимаемостью. В дальнейшем под термином «жид- кость» будем понимать именно капельную жидкость. В начале своего развития гидравлика представляла собой теоретическую науку — математическую меха- нику жидкости или гидромеханику. Используя сложный математический аппарат и принимая некоторые допу- щения в отношении физических свойств жидкости, эта наука рассматривала движение жидкости по упрощен- ным схемам. Но методы математической гидромеханики не позволили решить целый ряд практических задач. В связи с этим стала развиваться практическая наука — техническая механика жидкости, решающая инженер- ные задачи методом упрощения гидравлических явлений, но с введением в теоретические уравнения попра- вочных коэффициентов, полученных в результате эксперимента. В современной гидравлике для достоверного математического описания исследуемых явлений использу- ют как чисто теоретические методы, основанные на применении законов механики, так и зависимости, полу- ченные экспериментальным путем. Поэтому различие в методах этих двух ветвей одной и той же науки посте- пенно исчезает. Современная гидравлика представляет собой самостоятельную, сформировавшуюся от- расль знаний, находящую применение в различных областях техники. 2.1. Силы, действующие в жидкости. Давление Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости не действуют сосредоточенные силы, а толь- ко непрерывно распределенные по ее объему или поверхности. В связи с этим силы, действующие на объ- ем жидкости и являющиеся по отношению к ней внешними, разделяют на объемные (массовые) и поверх- ностные. К объемным силам относятся силы тяжести и силы инерции, а к поверхностным — силы, обусловленные воздействием соприкасающихся с жидкостью тел (твердых или газообразных) или же соседних объемов жидкости. * Задачи, связанные с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твер- дого тела в жидкости или газе (воздухе), рассматривают в аэрогидромеханике. 16
2.1. Силы, действующие в жидкости. Давление Далее более подробно остановимся на рассмотрении поверхностных сил, поскольку, согласно третьему закону Ньютона, жидкость действует на соприкасающиеся с нею тела с такими же силами, но в противополож- ном направлении. В общем случае поверхностная сила R, действующая на площадке А, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную Fи тангенциальную ^составляющие (рис. 2.1). Первая называется силой давления, а вторая — силой трения. Массовые и поверхностные силы в гидромеханике рассматривают в виде единичных сил, отнесенных к единице массы и единице площади соответственно. Таким образом, единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскла- дывается на нормальное р и касательное напряжения t. Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим давлением, или просто давлением. Давление. Давление является одним из важнейших физических параметров, используемым, как в расчет- ных целях, например для определения расхода, количества энергии жидкости, так и для контроля и прогнози- рования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы элементов гидросистем. Итак, давлением р называют отношение абсолютной величины нормального, т.е. действующего перпен- дикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади этой поверхности А. F Поскольку в международной системе единиц СИ (см. приложение П1.1) единицей площади является м2, а единицей силы — Н (ньютон), то единицей измерения давления будет Н/м2. Эта единица носит название пас- каль и обозначается Па: 1 Па = 1 Н/м2. Давление измеряют в различных единицах (см. приложение П1.2), однако следует применять единицу из- мерения паскаль [Па], а также производные от нее, такие как килопаскаль [кПа = 103 Па], мегапаскаль [МПа = 106 Па] и т.п.; в виде исключения используют бар [бар]: 1 бар - 10е Па - 102 кПа = 0,1 МПа. На практике давление могут измерять относительно двух различных уровней (рис. 2.2): уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления — идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды; уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271-77). Атмосферным давлением называют давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность и обозначают рдпл. В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление меняет- ся в зависимости от погодных условий и географического положения местности; на уровне моря его значение 17
2. Физические основы функционирования гидросистем колеблется от 0,098 до 0,104 МПа (от 0,98 до 1,04 бар). Среднее значение датм составляет 0,101325 МПа (1,01325 бар). Рис. 2.2. Системы отсчета давления Давление, измеряемое относительно абсолютного вакуума, называют абсолютным давлением ра5с (атмо- сферное давление — это абсолютное давление земной атмосферы). Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, назы- вают соответственно избыточным давлением диз6 или вакуумметрическим давлениемрвак (давлением разре- жения). Разность двух отличных от атмосферного давлений, одновременно измеряемых в различных процес- сах или двух точках одного процесса, называют дифференциальным давлением рдиф. Диапазон давлений, измеряемых в технике, составляет 17 порядков: от 10-8 Па — в электровакуумном оборудовании до 103 МПа — при обработке металлов давлением. Для прямого измерения избыточного давления с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). За ну- левую точку шкалы манометров принимают атмосферное давление. Для измерения вакуума используют вакуумметры, шкала которых проградуирована от 0 до -1 бар. Прибо- ры, измеряющие вакуум и избыточное давление, называют мановакуумметрами. Дифференциальное давле- ние измеряют специальными дифференциальными манометрами. 2.2. Основные свойства жидкостей Плотность. Плотностью р [кг/м3] называют отношение массы жидкости т [кг] к объему И[м3], который эта масса занимает: т Ск- удельный вес. Удельным весом у [Н/м3] называют вес единицы объема жидкости: G у = —, Г V где G — вес жидкости в объеме И Поскольку G = mg, плотность и удельный вес связаны между собой соотношением: _ т _ G _ у Р V gV g 18
2.2. Основные свойства жидкостей Сжимаемость. Свойство жидкости изменять объем под действием давления называют сжимаемостью. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемного сжатия рр [Па ~1], который представляет собой от- носительное изменение объема, приходящееся на единицу давления: где И, — начальный объем, м3, ЛИ— изменение объема, м3; Л р— изменение давления, Па. Величина, обратная коэффициенту рр, носит название объемного модуля упругости (модуля сжимаемо- сти) Е[Па]. Для капельных жидкостей модуль £ незначительно уменьшается с увеличением температуры и возраста- ет с повышением давления. Для воды он составляет при атмосферном давлении приблизительно 2 000 МПа, для минеральных масел — 1 400... 1 700 МПа. Следовательно, при повышении давления на 0,1 МПа, объемы этих жидкостей уменьшатся всего на 1/20 000 и на 1/12 000 части соответственно, что дает основание считать ка- пельные жидкости несжимаемыми, т.е. считать плотность жидкостей независимой от давления. Температурное расширение. Температурное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения рг[К ~1], который представляет собой относительное изменение объема при изменении темпера- туры 7на 1 К при постоянном давлении: Коэффициент рг воды, находящейся под давлением 0,1 МПа, возрастает от 14 10-6 до 700 10-6 с увеличе- нием температуры от 0 до 100 °C. Для минеральных масел в диапазоне давлений от 0 до 15 МПа рг можно в среднем принимать равным 8 10-4. При обычных гидравлических расчетах температурное расширение жидкостей, как правило, не учиты- вают. Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу (скольжению) слоев жидкости называют вязкостью. Вязкость — свойство противоположное текучести (степени подвижности частиц жидкости); более вязкие жидкости менее текучие и наоборот. Наличие вязкости приводит к тому, что при течении жидкости вдоль твердой стенки происходит торможе- ние потока (рис. 2.3). Рис. 2.3. Профиль скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки Скорость V движения слоев жидкости уменьшается по мере приближения к стенке вплоть до нуля. Между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений (напряжений трения). 19
2. Физические основы функционирования гидросистем Величина касательных напряжений т [Па] зависит от рода жидкости и характера ее течения, и при слои- стом течении (рис. 2.3) определяется следующим соотношением: где ц — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости; Д г — приращение скорости, м/с; Д у — приращение координаты, м Помимо коэффициента динамической вязкости р. вязкость может быть охарактеризована и коэффициен- том кинематической вязкости v: v = ^. р Единицей измерения коэффициента динамической вязкости ц, является паскаль-секунда [Па с]. Исполь- зуется также единица измерения пуаз [П] системы единиц СГС*: 1 П = 0,1 Па с. Единицей коэффициента кинематической вязкости v служит м2/с; применяют также единицу СГС стокс [Ст]: 1 Ст = 1 см2/с = 1(Н м2/с. Сотая доля стокса называется сантистоксом (сСт). Вязкость зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен: вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, тогда как вязкость газов, наоборот, увеличива- ется (рис. 2.4). Рис. 2.4. Зависимость кинематической вязкости от температуры Это объясняется различием природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с увеличением температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена, глав- ным образом беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с повы- шением температуры. Вязкость жидкостей зависит также и от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления (в несколько десятков мегапаскалей). С увеличением дав- ления вязкость большинства жидкостей возрастает. * Система единиц СГС (сантиметр-грамм-секунда, CGA) является системой механических величин. Основ- ными единицами этой системы являются: сантиметр — единица длины, грамм — единица массы, секунда — едини- ца времени. 20
2.2. Основные свойства жидкостей Вязкость жидкостей измеряют при помощи вискозиметров. Наиболее распространенным является виско- зиметр Энглера, который представляет собой сосуд диаметром 106 мм, с короткой трубкой диаметром 2,8 мм, встроенной в дно. Время t истечения 200 см3 испытуемой жидкости из вискозиметра через эту трубку под дей- ствием силы тяжести, деленное на время /вод истечения того же объема дистиллированной воды при 20 °C, выражает вязкость в условных единицах — в градусах Энглера: 1°£ = —, ^вод где /ВОд = 51,6 с. Методов точного перевода условных единиц вязкости в абсолютные не существует, пересчет производит- ся по эмпирическим формулам и таблицам. Так пересчет градусов Энглера в стоксы для применяемых в гидросистемах минеральных масел осущест- вляют по формуле Пересчет градусов Энглера в абсолютные единицы вязкости для распространенных в гидросистемах жид- костей может быть проведен и по упрощенной формуле: ц = 0,00065е Е. Испаряемость. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако ее интенсивность зависит от свойств конкретной жидкости, а также условий, в которых она находится. Одним из показателей, характери- зующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давле- нии — чем выше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости. В гидросистемах жидкости обычно находятся под избыточным давлением, поэтому испаряемость характе- ризуют давлением насыщенных паров, т,е. давлением, при котором данная жидкость, имеющая некую темпе- ратуру, закипает. Поверхностное натяжение. На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного на- тяжения, стремящиеся придать жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление. Однако это давление сказывается лишь при малых объемах жидкости. Растворимость газов в жидкостях. Все жидкости обладают способностью растворять газы. Количество растворенного газа, например воздуха, в единице объема жидкости увеличивается с увеличением давления и температуры. При понижении давления или температуры жидкости, газ, находившийся в ней в дисперсном состоянии, начинает бурно выделяться в виде пузырьков. Выделившиеся пузырьки образуют механическую смесь газа с жидкостью, которая отрицательно сказывается на работе гидросистем вследствие увеличения сжимаемости рабочего тела. На время растворения газов в жидкости влияет величина поверхности соприкосновения этих двух сред. Так при вспенивании жидкости величина этой поверхности сильно увеличивается и время насыщения жидко- сти газом может уменьшиться до нескольких минут вместо нескольких часов, как это наблюдается в жидкостях со спокойной поверхностью. Наличие растворенного в жидкости газа влияет на ее вязкость — чем больше в жидкости растворенного га- за, тем меньше ее вязкость. Образование пены. При эксплуатации гидросистем может образоваться пена, которая состоит из пу- зырьков воздуха различного размера. Пена понижает смазывающую способность масла, а также вызывает коррозию деталей гидравлических агрегатов и окисление масла. Устойчивая пена превращается со временем в вязкие включения, которые откладываются на внутренних поверхностях гидроагрегатов и могут нарушить их нормальную работу. 21
2. Физические основы функционирования гидросистем Пена образуется, как правило, тем интенсивнее, чем ниже поверхностное натяжение и давление насы- щенного пара жидкости. Такие условия возникают при добавлении в жидкость даже небольшого (менее 0,1 % по весу) количества свободной или растворенной воды. Сопротивление растяжению. Согласно молекулярной теории сопротивление растяжению внутри жидко- сти может быть весьма значительным — теоретическая прочность воды на разрыв равна 1,5 108 Па. Реальные жидкости менее прочны. Максимальная прочность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при растяжении воды при 10 °C, составляет 2,8 107 Па, а технически чистые жидкости не выдерживают даже не- значительных напряжений растяжения. Так, попытка выдвинуть поршень из полностью заполненного жидкостью цилиндра, приводит к тому, что жидкость при этом «разрывается» — в ней образуются полости в виде пузырьков, заполненных насыщенными парами жидкости и растворенным газом (чаще всего воздухом) (рис. 2.5). Рис. 2.5. Пример появления кавитации Обычно разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: микро- скопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, и др. Появление в жидкости паровоздушных пузырьков называется кавитацией. Сжимаемость жидкости, содержащей паровоздушную смесь, значительно возрастает. Сопротивление жидкостей растяжению уменьшается с увеличением растворенного в них газа и увеличивается после опрессо- вывания их давлением, а также в результате выдержки времени. Теплопроводность и теплоемкость. Для поглощения, отвода и последующего рассеивания теплоты, выделяющейся при работе гидросистемы, необходимо, чтобы рабочие жидкости обладали высокими показа- телями теплопроводности и теплоемкости. Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой, если эти поверхности имеют разную температуру. Численной характеристикой теплопроводности ма- териала является коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности жидкостей Tt зависит от температуры и равен количеству тепло- ты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности на единицу толщины слоя: \ =о(1+0,012/), где о — коэффициент, зависящий от сорта жидкости (для минеральных масел о = 0,0003 — 0,00027). Для практических расчетов можно принимать =0,136 Вт/(м °С). Теплоемкость — свойство материала при нагревании поглощать теплоту, а при охлаждении - отдавать ее. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость с (количество теплоты, необходимое для по- вышения температуры единицы массы на 1 °C). Для минеральных масел с = 1,88...2,1 кДж/(кг °С). 22
2.3. Основы гидростатики 2.3. Основы гидростатики Гидростатикой называют раздел гидромеханики, в котором рассматривают законы, действующие в жидко- стях, находящихся в состоянии относительного покоя, т.е. когда отсутствуют перемещения частиц жидкости относительно друг друга. Поскольку жидкости практически не способны сопротивляться растяжению, на неподвижную жидкость из поверхностных сил могут действовать только силы давления, причем на внешней поверхности рассматривае- мого объема* силы давления всегда направлены по нормали внутрь объема жидкости и, следовательно, явля- ются сжимающими. Таким образом, в неподвижной жидкости возможен только один вид напряжения — напряжение сжатия, т.е. гидростатическое давление, основным свойством которого является то, что в любой точке жидкости дав- ление по всем направлениям одинаково. Рассмотрим условие равновесия объема V жидкости ограниченного цилиндром, в основании которого на- ходится некоторая произвольная точка М, расположенная на глубине h (рис. 2.6, а). _ F_ &F Р°~ А ~дА Рис. 2.6. Схемы для рассмотрения вопросов гидростатического давления Так как на свободную поверхность жидкости, находящуюся в сосуде, действует давление р0, то на рас- сматриваемый объем в проекции на вертикаль действуют силы: p0AA + G = р\А, где G = Vpg — вес выделенного цилиндра жидкости; ДЛ — площадь основания цилиндра; р — давление в точке М. Силы давления на боковую поверхность цилиндра в уравнение не входят, поскольку они нормальны к вер- тикали. Подставив математическое выражение для G, и перегруппировав члены уравнения, получим P = Po+pgh. Данное уравнение называют основным законом гидростатики: абсолютное давление в любой точке по- коящейся жидкости равно сумме давления на свободной поверхности и давления, созданного весом столба жидкости над данной точкой. Основной закон гидростатики позволяет подсчитать давление в любой точке по- коящейся жидкости. Величина р0 является одинаковой для всех точек объема жидкости, поэтому, учитывая основное свойство гидростатического давления, можно утверждать, что внешнее давление на поверхность А жидкости, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенных извне, к площади поверхности А, переда- ется всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково. Это положение называют законом Паска- ля (рис. 2 6, б). * Под внешней поверхностью жидкости понимают не только поверхность раздела жидкости с газообразной средой или твердыми стенками, но и поверхность объема, мысленно выделяемого из общего объема жидкости. 23
2. Физические основы функционирования гидросистем Закон Паскаля лежит в основе принципа действия множества гидравлических устройств и машин в кото- рых реализуются преобразование силы, перемещения и давления. Преобразование силы. Рассмотрим принцип действия гидравлического домкрата (рис. 2.7, а). Если к на- гнетательному поршню А, площадь которого равна Д, приложить силу Fv то в жидкости появится давление р =FJAV Это же давление действует на поршень В, площадь которого равна А2: р = F2I А2, следовательно: F' F2 F2 А2 А2 р = — = —; — = —; Fq = F. А А2 Ft Д 1А, Таким образом, приложив к нагнетательному поршню А малые силы, можно за счет большей площади ра- бочего поршня В, получить на нем силы большей величины. Рис. 2.7. Преобразование силы и перемещения Преобразование перемещений. Давление в рассмотренной системе всегда соответствует нагрузке и площади, на которую она действует. Если сила F1 будет такой, что сила давления на поршень В окажется больше нагрузки F2, то поршни начнут перемещаться (рис. 2.7, б). Поршень А, опустившись на расстояние Ц выдавит под поршень В объем жидкости V=А-\Ц, который под- нимет его на высоту 12 — VIА2. Таким образом, перемещения поршней обратно пропорциональны их площадям: к=4/,=л/2; = Преобразование давлений. Устройство для повышения давления жидкости, состоящее из двух соединен- ных между собой цилиндров разного диаметра называют гидравлическим мультипликатором (рис. 2.8). Рис. 2.8. Схема гидравлического мультипликатора Давление /^.действующее на поршень площадью Av создает на нем силу F, которая передается на пор- шень площадью А2, в результате чего под ним возникает давление р2: Pi А А F = plAl=p2A2, — = ^Г’ P2=Pl^~- РХ А А2 24
2.3. Основы гидростатики Отношение величин входного и выходного давлений в мультипликаторе обратно пропорционально отно- шению площадей его поршней. Простейшим прибором для измерения давления является пьезометр, представляющий собой вертикаль- но установленную прозрачную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединен к емкости, в которой измеряется давление. Высоту йр столба данной жидкости, соответствующую давлению р в данной точке, называют пьезометрической высотой'. Если на свободную поверхность жидкости действует атмосферное давление (рис. 2.9, а), то пьезометр по- казывает высоту столба жидкости над точкой подключения пьезометра, т.е. фактически выполняет функцию уровнемера. Рис. 2.9. Измерение давления с помощью пьезометра Если в емкости создать избыточное давление диз6= F/A (рис. 2.9, б), то уровень жидкости в пьезометре поднимется на высоту Яизб: fj _ РузЪ п изб Р<? При этом давление жидкости на уровне подключения пьезометра к емкости будет равно /’ = ЙОр&+#и3бР<? = ЛрР& где h0 — глубина подсоединения пьезометра. Если в емкости создать вакуум (рис. 2.9, в), то пьезометрическая высота Лр окажется ниже уровня жидко- сти в этой емкости на величину Явак. Измерения посредством пьезометра проводят в единицах длины, поэтому значения давления могут быть выражены в единицах высоты столба определенной жидкости. Например, одно’й технической атмосфере со- ответствуют . р 100 000 1П к . h. = —— =---------= 10 м водяного столба (вод. ст.); Рвод£ 1000 10 , р 100 000 . А2 = —— =----------= 0,735 мм ртутного столба (рт. ст.). ppTg 13 600 10 Пьезометры просты по конструкции и обеспечивают высокую точность измерений, однако их нельзя ис- пользовать для замеров давлений в промышленных гидросистемах, поскольку рабочие жидкости в них нахо- дятся под давлениями во много раз превышающими атмосферное. Так для измерения давления воды всего в 1 МПа потребуется пьезометр высотой 100 м. 25
2. Физические основы функционирования гидросистем 2.4. Основы гидродинамики Гидродинамика — раздел гидромеханики, в котором изучаются движение несжимаемых жидкостей и их взаимодействие с твердыми телами. Для описания течения жидкостей с применением современного математического аппарата, в качестве объекта исследования используют абстрактную, не существующую в природе абсолютно несжимаемую и не- вязкую жидкость, которую называют идеальной жидкостью. Описание течения реальных жидкостей произво- дится на основании математических моделей, составленных для идеальной жидкости, с введением в них кор- ректирующих поправок. Течение жидкости может быть установившимся (стационарным) и неустановившимся (нестационарным). Установившимся называют течение жидкости, при котором давление и скорость зависят от координат рассматриваемой точки и не зависят от времени. Давление и скорость могут изменяться по пути следования частицы жидкости, но в конкретно взятой точке эти параметры остаются неизменными. Траектории частиц жидкости при установившемся течении остаются неизменными во времени. Неустановившимся называют течение жидкости, параметры которого (все или некоторые) в рассматри- ваемых точках изменяются во времени. При неустановившемся течении траектории различных частиц, прохо- дящих через данную точку пространства, могут иметь разную форму. Поскольку исследование установившихся течений гораздо проще, чем неустановившихся, в дальнейшем будем рассматривать установившиеся течения. Для рассмотрения картины течения, возникающей в каждый данный момент времени, вводится понятие линии тока. Линией тока называют кривую, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлен по касательной (рис 2.10, а). Рис. 2.10. Линия тока и элементарная струйка При установившемся течении линия тока совпадает с траекторией частицы жидкости и не изменяет своей формы с течением времени. Если в движущейся жидкости выделить бесконечно малый замкнутый контур и через все его точки провес- ти линии тока, то образуется трубчатая поверхность, называемая трубкой тока. Часть потока, заключенную внутри трубки тока, называют элементарной струйкой (рис. 2.10, б). В любой точке трубки тока векторы скорости направлены по касательной, следовательно, при установив- шемся движении ни одна частица жидкости, ни в одной точке трубки тока не может проникнуть внутрь струйки или выйти наружу. Потоки конечных размеров будем рассматривать как совокупность элементарных струек, т.е. будем пред- полагать течение струйным. Из-за различия скоростей соседние струйки будут скользить одна по другой, но не будут перемешиваться между собой. Сечениями потока жидкости принято называть поверхности, нормальные линиям тока При параллель- но-струйном течении сечения представляют собой плоскости, перпендикулярные направлению движения жидкости. 26
2.4. Основы гидродинамики Различают напорные и безнапорные течения жидкости. Напорными называют течения в закрытых руслах без свободной поверхности, а безнапорными — течения со свободной поверхностью. Примерами напорного течения могут служить течения в трубопроводах, гидромашинах, гидроаппаратах. Безнапорными являются течения в реках, открытых каналах. В данном пособии рассматриваются напорные течения жидкости. 2.4.1. Расход Расходом называют количество жидкости, протекающее через сечение потока в единицу времени. В зави- симости от единиц измерения этого количества различают объемный, весовой и массовый расходы. При рас- четах гидравлических систем обычно пользуются объемным расходом жидкости. В технической литературе объемный расход обозначают латинской буквой Q (или и определяют из со- отношения Н' где Q — объемный расход, м3/с; V— объем, м3; t — время, с. При установившемся течении идеальной жидкости, например по трубопроводу, эпюра скоростей в произ- вольном сечении 1-1 будет иметь прямоугольную форму (рис. 2.11, а). Рис. 2.11. Эпюры распределения скоростей идеальной (а) и реальной (б) жидкостей Равенство скоростей течения различных слоев идеальной жидкости является следствием отсутствия сил трения между ними, т.е. отсутствием вязкости. Через некоторое время t все частицы жидкости, находящиеся в сечении 1-1, площадь которого равна А, сместятся на расстояние /, и займут новое положение в сечении 2-2. Это означает, что за время t через сече- ние 1-1 пройдет объем жидкости V =А I, т.е. объемный расход составит: п V А1 . Q = — = — =vA, t t где v — скорость потока в сечении, м/с; А — площадь поперечного сечения, м2. Таким образом, при течении идеальной жидкости существует зависимость, связывающая основные кине- матические и геометрические параметры потока в конкретном сечении: объемный расход Q, скорость жидко- сти v и площадь сечения А. Скорости движения слоев реальной жидкости будут различными по сечению потока, поскольку вязкость вызывает проскальзывание слоев относительно друг друга. Слои жидкости, взаимодействующие со стенками канала имеют практически нулевую скорость, а по мере удаления от стенки каждый последующий слой приоб- ретает более высокую скорость. С максимальной скоростью перемещаются слои жидкости расположенные в центре потока (рис. 2.11, б). 27
2. Физические основы функционирования гидросистем Для определения объемного расхода реальной жидкости по полученной выше формуле, вводят понятие средней скорости в сечении »ср, под которой понимают скорость, удовлетворяющую равен- ству: В прикладных расчетах гидросистем индекс «ср» и термин «средняя» обычно опускают и говорят о скоро- сти в конкретном сечении потока, понимая при этом ее среднюю величину. Исходя из закона сохранения вещества, а также из предположения о сплошности (неразрывности) потока для установившегося течения несжимаемой жидкости, можно утверждать, что величины объемных расходов через любые сечения потока одинаковы (рис. 2.12). Рис. 2.12. Схема течения жидкости по трубе переменного сечения Это явление описывается уравнением неразрывности: Q} =Ajvi = A2v2 = Q? = const. Из полученного уравнения следует, что средние скорости в потоке несжимаемой жидкости обратно про- порциональны площадям сечений: »2 Ai ' Уравнение неразрывности позволяет определить среднюю скорость в любом сечении потока, напри- мер в сечении 2-2, геометрические размеры которого известны (площадь А2), если известны хотя бы одна средняя скорость потока и площадь его поперечного сечения, например, скорость щ в сечении 1-1 пло- щадью 2.4.2 Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости Рассмотрим установившееся течение идеальной жидкости, находящейся под действием лишь одной мас- совой силы — силы тяжести, и выведем для этого случая основное уравнение, связывающее между собой давление в жидкости и скорость ее движения. Как было показано выше, при переходе жидкости с участка трубы с большим сечением на участок с мень- шим сечением скорость течения возрастает, т.е. жидкость движется с ускорением. Следовательно, на жид- кость действует сила. В горизонтальной трубе эта сила может возникнуть только из-за разности давлений в сечениях 1-1 и 2-2: давление в сечении 1-1 больше, чем в сечении 2-2, что и обеспечивает течение жидкости в данном направлении. Если участки трубы расположены на разной высоте, то ускорение жидкости вызывается совместным дей- ствием силы давления и силы тяжести. 28
2А. Основы гидродинамики Применим к некоторому выделенному в потоке объему жидкости массой т теорему механики о том, что работа сил, приложенных к телу, равна приращению кинетической энергии этого тела (рис. 2.13). Рис. 2.13. К выводу уравнения Бернулли При перемещении выделенного объема жидкости из сечения 1-1 в сечение 2-2 за время t силы давления совершают работу Ар. Ар = р} Л]/, - д2Л2/2 =plAlvlt-p2A2v2t = plVl-p2V2=plt^~ р2 Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии положения выделенного объема: Ag =mgZi -mgz2. Приращение кинетической энергии равно Е -Е - 2 1 2 2 Таким образом, Ар + ^g = ^2~ Е\- Отсюда следует Разделив все члены уравнения на т, и сгруппировав члены, относящиеся к первому сечению, в левой час- ти уравнения, а члены, относящиеся ко второму сечению, в правой, получим уравнение Бернулли для идеаль- ной несжимаемой жидкости, записанное в энергетической форме Д1 V । р2 V 2 gz} +—+v = ^2+ —+V’ р 2 р 2 где gz— удельная энергия* положения (g = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения); р/р — удельная энергия давления; v2-! 2 — удельная кинетическая энергия Таким образом, энергетический смысл уравнения Бернулли для потока идеальной жидкости заключается в постоянстве вдоль потока полной удельной энергии жидкости, т е. выражает закон сохранения механиче- ской энергии в идеальной жидкости. Механическая энергия движущейся жидкости может иметь три формы: * Удельная энергия — энергия, отнесенная к единице массы. 29
2. Физические основы функционирования гидросистем энергия положения, давления и кинетическая энергия. Первая и третья формы механической энергии извест- ны из механики и в равной степени свойственны твердым и жидким телам. Энергия давления является специ- фической для движущихся жидкостей. В процессе движения идеальной жидкости одна форма энергии может превращаться в другую, однако величина полной удельной энергии жидкости остается неизменной. Разделив все члены уравнения Бернулли на g, получим другую форму его записи: Д1 V । V 2 Z1 +—+^- = z2+—+А Pg 2g pg 2g где z — геометрическая высота, или геометрический напор; pl(pg) — пьезометрическая высота, или пьезометрический напор; v2l(2g) — скоростная высота, или скоростной напор. Трехчлен вида 2 Р v u z.+—+— = H Pg 2g называют полным напором. Очевидно, что для идеальной движущейся жидкости сумма трех напоров (высот): геометрического, пьезо- метрического и скоростного есть величина постоянная вдоль потока (рис. 2.14). Рис. 2.14. Графическая иллюстрация уравнения Бернулли для потока идеальной жидкости Замер напоров в трех сечениях трубы переменного сечения осуществляется пьезометрами и трубками Пито. Напомним, что пьезометры служат для измерения пьезометрического напора р l(pg). Трубки Пито, пред- ставляющие собой изогнутые трубки, отверстия которых расположены перпендикулярно линиям тока жидко- сти, а противоположные колена ориентированы вертикально, показывают полный, за исключением геометри- ческого, напор, т.е. р l(pg) + v2l(2g). Разность показаний трубок Пито и пьезометров представляют собой скоростной напор v2 /(2g) в данном се- чении. Линию изменения пьезометрических высот называют пьезометрической линией, ее можно рассматривать как геометрическое место уровней в пьезометрах, установленных вдоль потока. Штриховой линией на рис. 2.14 показана пьезометрическая линия при увеличении расхода жидкости в 42 раз, вследствие чего скоростные высоты увеличиваются в 2 раза, а в узкой части потока давление становится меньше атмосферного. 30
2.4. Основы гидродинамики В ряде случаев удобно применять форму записи уравнения Бернулли, в которой члены уравнения имеют размерность давления: PV]2 р<у2 P^i +А = Р^2 +Р2 + 2’ где pgz — весовое давление; р — гидромеханическое давление (или просто давление); ри2/ 2 — динамическое давление*. 2.4.3. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости При течении реальной жидкости между ее слоями возникает трение, что приводит к существенной нерав- номерности распределения скоростей по сечению потока, а также к потерям энергии при перемещении жидко- сти от одного сечения к другому (рис. 2.15). Рис. 2.15. Графическая иллюстрация уравнения Бернулли для потока реальной жидкости Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости будет иметь следующий вид: „2 2 Р\ Ucpl ул I Р1 ^ср2 — + а1 9---2Л =Z2+ —+ «2^—• PS 2g pg 2g где — коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению потока; — суммарные потери полного напора (гидравлические потери). Коэффициент Кориолиса представляет собой отношение действительной кинетической энергии потока в данном сечении к кинетической энергии того же потока и в том же сечении, но при равномерном распределе- нии скоростей. При равномерном распределении скоростей (поток идеальной жидкости) =1, а в потоках ре- альной жидкости коэффициент Кориолиса обычно лежит в пределах 1 2. Величина потерь напора (удельной энергии) определяется многими факторами: площадью поперечного сечения и длиной трубопровода, шероховатостью его внутренней поверхности, наличием местных сопротив- лений, скоростью и режимом течения, вязкостью жидкости * Реально существующим в потоке является только гидромеханическое давление р, две другие величины на- зываются давлениями условно. 31
2. Физические основы функционирования гидросистем Потери энергии при течении жидкости принято делить на две группы: потери на трение подлине Атр и мест- ные потери (рис. 2.16). а Рис. 2.16. Гидравлические потери по длине (а) и местные (б, в, г) Потери на трение по длине йтр — это потери энергии, которые в чистом виде возникают в прямых трубах постоянного сечения, т.е. при равномерном течении, и возрастают пропорционально длине трубы. Данные по- тери обусловлены не только трением жидкости о стенки канала, но и трением слоев жидкости между собой, а потому имеют место не только в шероховатых, но и в гладких трубах. Местные потери — это потери в местных (локальных) гидравлических сопротивлениях, вызывающих деформацию потока, изменение его скорости и вихреобразование. Суммарная потеря полного напора на участке между начальным и конечным сечениями складывается из потерь удельной энергии во всех гидравлических сопротивлениях, расположенных на рассматриваемом уча- стке потока. 2.4.4. Режимы течения жидкости Экспериментальные исследования потоков реальной жидкости показывают, что процессы, происходящие в них, существенно зависят от характера течения. Различают два режима течения жидкостей: ламинарный (рис. 2.17, а) и турбулентный (рис. 2.17, б). Ламинарное течение характеризуется упорядоченным (слоистым) движением без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давлений. Когда скорость движения превысит некоторую критическую величину, слои начинают перемешиваться, образуются вихри; течение становится турбулентным, возрастают потери энергии. 32
2А. Основы гидродинамики При течении жидкости по трубопроводу переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается в тот момент, когда осредненная по сечению трубы скорость движения потока становится равной критической икр. Как показывает эксперимент, критическая скорость прямо пропорциональна кинематической вязкости v жидкости и обратно пропорциональна внутреннему диаметру d трубы: V -к- кр где к — коэффициент пропорциональности; v — кинематическая вязкость жидкости, м2/с; d — внутренний диаметр трубы, м. Экспериментально был установлен и тот факт, что смена режима течения любой жидкости по трубе любо- го диаметра имеет место лишь при определенном значении безразмерного коэффициента к. Данный коэффи- циент называют критическим числом Рейнольдса: _ d Для труб круглого сечения ReKp » 2 300. Число Рейнольдса используют для описания режима течения: Re=^ = ^. V Ц Значение числа Рейнольдса позволяет судить о характере течения жидкости по трубе: ламинарное течение Re < 2 300; турбулентное течение Re > 2 300. Таким образом, зная скорость движения потока, вязкость жидкости и внутренний диаметр трубы, можно найти число Рейнольдса и, сравнив его с величиной ReKp, определить режим течения жидкости. Результаты экспериментов показывают, что сразу после разрушения ламинарного течения устойчивого турбулентного течения еще не появляется. Развитое турбулентное течение устанавливается при Re > 4 000. Если значение Re уменьшается и оказывается ниже ReKp, турбулентное течение не сразу становится ла- минарным. Устойчивое ламинарное течение жидкости снова достигается лишь при значении Re = 0,5 ReKp Исходя из того, что законы распределения скоростей по сечению трубы при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости различны, коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределе- ния скоростей в уравнении Бернулли, принимает разные значения: для ламинарного течения a = 2; для турбулентного течения a = 1. 2.4.5. Потери энергии в гидросистемах Все элементы гидравлических систем оказывают то или иное сопротивление движению жидкости, что при- водит к потерям энергии, которые принято называть гидравлическими потерями. В общем случае формулу для подсчета гидравлических потерь между двумя произвольно выбранными се- чениями можно получить из уравнения Бернулли для потока реальной жидкости: 2 2 5Л =(Zj + — + «! y-)-(z2+ — + aA. Pg 2g pg 2g Для анализа влияния, которое оказывают потери на параметры потока, сгруппируем однотипные члены уравнения: 2 2 = (?i -Z2) + (—-—) + («!^--а2|^-). Pg Pg 2g 2g 33
2. Физические основы функционирования гидросистем Нетрудно заметить, что для горизонтальных труб (z-i - z2) постоянного диаметра (г?1 = v2) уравнение примет вид pg* pg pg где Ар = р--р2 — перепад давления между двумя сечениями. Из полученного уравнения следует, что гидравлические потери приводят к уменьшению давления в потоке жидкости. Они не могут вызывать изменения скоростей, которые определяются кинематическим соотношени- ем — уравнением неразрывности, и, тем более, влиять на геометрические высоты. Как показывают опыты, во многих случаях гидравлические потери пропорциональны скорости течения жидкости во второй степени, поэтому в гидравлике принят общий способ выражения гидравлических потерь полного напора в линейных единицах: или в единицах давления Л • г СР APn =pg^n = где £ — коэффициент потерь. Потери давления на трение по длине. Потери на трение по длине имеют достаточно сложную зависи- мость от средней скорости жидкости и подсчитываются по формуле Вейсбаха—Дарси- , .Iv2( I А тр d2g{ d TPJ или _ lv2 где X — коэффициент Дарси (коэффициент потерь на трение по длине); I — длина трубы; d — диаметр трубы. Значение коэффициента потерь на трение по длине / зависит от многих факторов, и в первую очередь от режима течения жидкости. Для ламинарных потоков , 64* ^=Re' Учитывая, что D d Q 4Q Re=u-; v = ~ = ~^, V 5 nd2 находим Дртр=рХл^ = 128-^-О; Ддтр =128^-0. d 2 nd nd * С учетом дополнительных сопротивлений, вызываемых в основном сужением и прочими искажениями сече- ния труб, а также охлаждением наружных слоев жидкости, соприкасающихся со стенками- трубы, значение I при практических расчетах труб следует принимать для ламинарного режима ^„=75 / Re. 34
2А. Основы гидродинамики Полученное выражение, отражает закон Пуазейля — при ламинарном режиме течения потеря давления на трение в трубах круглого сечения пропорциональна вязкости и расходу (а, следовательно, и скорости тече- ния) жидкости, в первой степени и обратно пропорциональна диаметру в четвертой степени. Ввиду сложности турбулентного течения и трудности его аналитического исследования, в большинстве случаев для практических расчетов пользуются экспериментальными данными. Для гидравлически гладких труб* Хт при 2300<Re<105 можно определять по полуэмпирической формуле Блазиуса: . 0,316 Ат — -г Ше Для шероховатых труб Хт зависит не только от числа Рейнольдса, но и от шероховатости внутренней по- верхности труб Д (рис. 2.18). * Гидравлически гладкой трубой принято считать такую трубу, в которой шероховатости скрыты в толще лами- нарного граничного слоя жидкости у стенок (цельнотянутые трубы из цветных металлов, высококачественные бес- шовные стальные трубы). 35
2. Физические основы функционирования гидросистем Анализируя приведенные зависимости можно отметить следующие три области значений Re и d/Д, отли- чающиеся друг от друга характером изменения коэффициента Хт Первая область — область малых значения Re и больших значений d/A, где коэффициент от шерохова- тости не зависит, а определяется лишь числом Re; это область гидравлически гладких труб. Во второй области коэффициент ^зависит одновременно от двух параметров—числа Re и отношения ci/Д. Третья область — область больших Re и малых J/Д, где (при достижении некоторого предельного значе- ния ReKp) коэффициент ?.т не зависит от Re, а определяется лишь отношением J/Д. Эту область называют об- ластью автомодельности, или режимом квадратичного сопротивления, так как независимость коэффициента от Re означает, что потеря давления пропорциональна скорости во второй степени (см. формулу Вейсба- ха—Дарси). Для практических расчетов по определению потерь в трубах можно воспользоваться формулой А.Д. Альт- шуля Хт =0,11 Д 68^ d ReJ 0,25 Характерные значения Д, мм, для труб из различных материалов приведены ниже: Стекло...........................................................О Трубы, тянутые из латуни, свинца, меди.......................0...0,002 Высококачественные бесшовные стальные трубы..................0,06...0,2 Стальные трубы............................0,1...0,5 Чугунные асфальтированные трубы..............................0,1 ...0,2 Чугунные трубы...............................................0,2...1,0 Подведем некоторые итоги: при ламинарном течении потеря давления на трение возрастает пропорцио- нально скорости (расходу) в первой степени, т.е. линейно. При переходе к турбулентному течению заметны некоторый скачок сопротивления и затем более крутое нарастание величины Ар по кривой, близкой к парабо- ле второй степени (рис. 2.19). Рис. 2.19. Зависимость потери давления по длине трубы от скорости и расхода Для гидросистем, в которых расход жидкости зависит от потерь давления, следует избегать режимов тече- ния, при которых числа Рейнольдса Re = 2 200 — 2 500 ввиду неустойчивости такого течения и возможности появления в системе колебательных процессов. 36
2А. Основы гидродинамики Местные гидравлические потери. К местным сопротивлениям относят короткие участки трубопроводов, в которых происходит деформация потока, т.&. изменение скоростей движения жидкости по величине и/или направлению. Простейшими местными гидравлическими сопротивлениями являются: расширение потока; сужение потока; поворот потока. Большинство местных сопротивлений, включая гидравлическую арматуру (вентили, краны, клапаны), представляет собой комбинации простейших местных сопротивлений. Как правило потери в местных сопротивлениях вызваны вихреобразованием и подсчитываются по форму- ле Вейсбаха , _ v2 2g или ри2 &рм = PghK = , где v — средняя скорость жидкости в трубе, в которой установлено данное местное сопротивление. Из-за сложности процессов, происходящих в местных гидравлических сопротивлениях, теоретически най- ти удается только в отдельных случаях, большинство же значений этого коэффициента получено в резуль- тате экспериментальных исследований (рис. 2. 20). Внезапное сужение Внезапное расширение Вход в резервуар <^=1 Закругленное колено (отвод)* Рис. 2.20. Потери в простейших местных сопротивлениях * Приведенная потеря давления учитывает лишь дополнительное сопротивление, обусловленное кривизной русла, поэтому при расчете трубопроводов, содержащих отводы, следует длины этих отводов включать в общую длину трубопровода, по которой рассчитывается потеря на трение, а затем к этой потере на трение нужно доба- вить дополнительную потерю от кривизны, определяемую £м. 37
2. Физические основы функционирования гидросистем В гидравлических системах достаточно часто встречаются постепенное сужение потока, называемое кон- фузором и постепенное расширение потока, называемое диффузором. Эти местные сопротивления могут иметь достаточно большие длины, поэтому кроме потерь из-за вихреобразования, вызванного изменением геометрии потока, в них учитываются потери давления на трение по длине. Расчет потерь в конфузорах и диффузорах приводится в справочной литературе. Коэффициенты потерь для прямоугольных тройников представлены на рис. 2.21. Общая потеря напора в магистрали равна сумме потерь в отдельных ее компонентах. При практических расчетах трубопроводов потерями, вызванными взаимным влиянием друг на друга близко расположенных местных сопротивлений, обычно пренебрегают. Энергия, теряемая жидкостью во время течения, не исчезает бесследно, а превращается в другую фор- му— тепловую. Процесс преобразования механической энергии в тепловую является необратимым, т.е. та- ким, обратное течение которого (превращение тепловой энергии в механическую) невозможно. 2.4.6. Течение жидкости в коротких каналах с дросселированием потока* Особенностью течения жидкости через короткие каналы, например, отверстия или щели в тонкой стенке (диафрагму), является то, что запас потенциальной энергии жидкости в процессе течения превращается в ос- новном в кинетическую энергию струи. Такой вид течения является одним из наиболее распространенных в гидроаппаратах. Под тонкой понимают стенку такой толщины, при которой вытекающая струя соприкасается лишь с перед- ней кромкой отверстия и не касается его боковой поверхности (рис. 2.22). Рис. 2.22. Схема течения жидкости через отверстие в тонкой стенке (дросселирующую диафрагму) * Дросселирование — протекание жидкости, пара или газа через дроссель — местное гидродинамическое со- противление потоку (сужение трубопровода, вентиль, кран и др.), при котором происходит изменение давления и температуры. 38
2.4. Основы гидродинамики Опыт показывает, что длина участка, на котором происходит сжатие струи, может быть равна половине диаметра отверстия, следовательно, тонкой можно назвать стенку, толщина которой не больше диаметра от- верстия: I < do Отношение площади сжатого поперечного сечения струи к площади отверстия называют коэффициентом сжатия е: Л Л Для приблизительных расчетов коэффициент сжатия струи для случаев течения через круглое отверстие принимают равным е = 0,64. Расход Qжидкости через дросселирующее отверстие, при известном перепаде давлений Ад на нем, опре- деляется по формуле, являющейся одной из основных среди применяемых в технических приложениях при расчетах разнообразных дроссельных устройств: где ц — коэффициент расхода; А — площадь отверстия; Др = д-1 — д2 — перепад давления на отверстии. Коэффициент расхода равен произведению ц = еср, где <р — коэффициент скорости, учитывающий разницу теоретической скорости ит истечения идеальной жидкости при напоре Я и фактической скорости v реальной жидкости: V ф=—, где ит = JlgH. Коэффициент расхода ц для конкретного дросселирующего отверстия обычно принимают по эксперимен- тальным данным, представленным в зависимости от числа Рейнольдса (рис. 2.23). Рис. 2 23. Зависимость коэффициентов расхода дроссельных устройств от числа Рейнольдса На рис 2 23 приведены графики зависимостей ц от Re для круглого отверстия с острой кромкой (кривая 1) и для прямоугольного окна в гильзе гидроаппарата с цилиндрическим золотником, бурты которого имеют ост- рые (кривая 2) и притупленные (кривая 3) кромки. При больших числах Рейнольдса коэффициент расхода от- верстия с острой кромкой достигает значения, равного 0,62, и практически стабилизируется. 39
2. Физические основы функционирования гидросистем 2.4.7. Кавитация Кавитацией называется образование в капельной жидкости полостей, заполненных паром, газом, или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения />кр (в реальной жидкости ркр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если пони- жение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидко- сти, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие прохождения звуковых волн большой интенсивности — акустической. Гидродинамическая кавитация обычно возникает в результате местного понижения давления, вызван- ного возникновением больших местных скоростей в потоке. Мельчайшие пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком и попадая в область давления р < ркр, сильно расширяются в результате того, что давление содер- жащегося в них пара и газа оказывается больше, чем суммарное действие поверхностного натяжения и дав- ления в жидкости. В результате на участке потока с пониженным давлением, например в трубе с местным сужением, создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пу- зырьками. Выделившиеся из жидкости пузырьки пара и газа увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой пузырьки паров жидкости конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Так как сокращение кавитационного пузырька проис- ходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью. В результате кине- тическая энергия соударяющихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравличе- ские микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления и температуры в центрах пузырь- ков. По расчетам температуры могут достигать значений 1 500 °C и выше, а местное давление — до 200 МПа. Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей вблизи поверхности обтекае- мого тела, может приводить к ее повреждению. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эро- зией, могут быть разными — от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастро- фического выхода из строя насосов, гидроаппаратов и т.п. Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижа- ется коэффициент полезного действия гидравлического оборудования, может стать причиной снижения пода- чи насоса и даже срыва его работы. Для избежания опасности возникновения кавитации в гидросистемах, рекомендуется соблюдать, как ми- нимум, следующие условия: давление в потоке жидкости должно быть больше давления насыщенных паров; режим течения жидкости по возможности должен быть ламинарным; температура рабочей жидкости не должна превышать значение, при котором может начаться образова- ние газовых пузырьков; максимально возможное ограничение попадания воздуха в рабочую жидкость. Наиболее эффективным способом предотвращения возникновения кавитации в гидросистемах является повышение рабочего давления в проблемных зонах. В частности, радикальным способом борьбы с кавитаци- ей в насосах является применение насосов подкачки. Для уменьшения разрушающего эффекта кавитации используют противоэрозионные материалы, специ- альные покрытия из бронзы, хрома и др. Наиболее стойкими к гидравлической эрозии являются титан, бронза и нержавеющая сталь, а наименее стойкими — чугун и углеродистая сталь. Полностью устранить разрушительное действие кавитации путем применения стойких против коррозии материалов не представляется возможным. 40
2А. Основы гидродинамики 2.4.8. Гидроудар Гидравлическим ударом называется колебательный процесс резкого изменения давления в жидкости, вы- званного внезапным изменением скорости её течения в напорном трубопроводе. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления. Изменение давления при этом тесно связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода. Гидравлический удар чаще всего возникает при быстром перекрытии трубопровода запорным устройст- вом (рис. 2.24). Рассмотрим стадии гидравлического удара: жидкость движется по трубопроводу со скоростью го (рис. 2.24, а); мгновенное закрытие задвижки (рис. 2,24, б). Скорость частиц жидкости, натолкнувшихся на задвижку, погашается, их кинетическая энергия переходит в работу деформации стенок трубы и жидкости. Стенки трубы растягиваются, жидкость сжимается* в соответствии с повышением давления на величину Адуд. На остановившиеся частицы жидкости набегают текущие за ними и тоже останавливаются, в результате чего сечение 1-1 перемещается от задвижки со скоростью с, называемой скоростью ударной волны. Область, в которой давление изменяется на величину Ддуд, называют ударной волной, ударная волна достигла резервуара (рис. 2 24, в) Жидкость в трубе остановлена и сжата, стенки тру- бы — растянуты, под действием перепада давления Ддуд жидкость из трубы устремляется в резервуар, начиная с сече- ния, непосредственно прилегающего к резервуару (рис. 2.24, г). Сечение 1-1 перемещается в обратном направлении — к задвижке — с той же скоростью с. Давление за сечением выравнивается до р0, труба приобретает начальное состояние; работа деформации жидкости и трубы полностью переходит в кинетическую энергию, жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость v0, но направленную в другую сторону (рис. 2.24, д); движущаяся в резервуар жидкость стремится оторваться от задвижки, в результате возникает отрица- тельная ударная волна под давлением р0 —ДРуд (Рис- 2.24, е). Ударная волна направляется от задвижки к резервуару со скоростью с, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся под дейст- вием давления рс — Друд жидкость. Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформа- ций, но противоположного знака; * В данном случае нельзя пренебрегать сжимаемостью жидкости, так как именно малая сжимаемость жидко- сти является причиной возникновения большого ударного давления. 41
2. Физические основы функционирования гидросистем отрицательная ударная волна достигает резервуара (рис. 2.24, ж); давление в трубе начинает выравниваться, что сопровождается возникновением движения жидкости из резервуара со скоростью vo (рис. 2.24, з). Когда отраженная от резервуара ударная волна достигнет за- движки, возникнет ситуация уже имевшая место (см. рис. 2.24, б). Весь цикл гидравлического удара по- вторится. Увеличение давления Ддуд при гидроударе определяется по формуле Жуковского: ЛРуд =pfc0-^|)C> где г;0 и — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки, м/с; с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода, с = K+pd!?>E, где К — объемный модуль упругости жидкости; Е — модуль упругости материала стенки трубопровода; d — внутренний диаметр трубопровода; 8 — толщина стецки трубопровода. При реальных гидроударах имеет место затухания колебаний давления вследствие трения и ухода энер- гии в резервуар (рис. 2.25). Рис. 2.25. Изменение давления во времени около задвижки Штриховой линией на рис. 2.25, а приведена теоретическая диаграмма изменения давления около за- движки прир0 > Лдуд. Сплошными линиями показан примерный вид действительной картины изменения давле- ния во времени. При р0 < Лдуд снижение давления в трубопроводе на величину Лдуд невозможно, так как давление около за- движки падает практически до нуля (/?иэ6 « —0,1 МПа), что вызывает кавитацию и образование паровой кавер- ны. В связи с этим нарушается периодичность процесса (рис. 2.25, б). Формулы Жуковского справедливы, когда время закрытия задвижки равно ^зак <Е; =21/C, где t0 — фаза гидравлического удара; /— длина трубопровода. При этом условии имеет место прямой гидравлический удар. Непрямой гидравлический удар возникает когда ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к задвижке раньше, чем она будет полно- стью закрыта. При этом повышение давления в трубопроводе будет меньше, чем при прямом гидроударе. Гидравлический удар может привести к повреждению мест соединений отдельных участков трубопровода (стыки, фланцы), разрыву стенок трубы, поломке насосов и т.п. Для предотвращения гидравлического удара применяют различные устройства, устанавливаемые на тру- бопроводах, которые либо увеличивают время закрытия запорных устройств, либо принимают на себя возни- кающие резкие забросы давления: предохранительные клапаны, гидроаккумуляторы. 42
3. Энергообеспечивающая подсистема Энергообеспечивающая подсистема предназначена для сообщения рабочей жидкости гидравлической энергии и поддержанию ее параметров (чистоты, давления, температуры и т.п.) в требуемом диапазоне зна- чений Обычно элементы энергообеспечивающей подсистемы монтируют компактным образом в виде функ- ционально единой установки, которую в промышленной практике так и называют насосная установка, либо маслостанция (рис. 3.1). № поз. Наименование 0 1 Гидробак V = 50 л HLP 22 cSt 0.2 Электродвигатель 1 кВт, 1500 мин-1 0.3 Муфта пальчиковая 04 Насос шестеренный, Уо=12 см3, рн=16 МПа 0.5 Воздушный фильтр 0.6 Предохранительный клапан 0.7 Фильтр сливной 0.8 Манометр 10 МПа Рис. 3.1. Маслостанция Насосные установки в зависимости от предъявляемых к ним требований имеют разную комплектацию. В состав полностью укомплектованной насосной установки входят: бак 9 с рабочей жидкостью; один или не- сколько насосных агрегатов (насос 10 с приводным двигателем 11); гидравлические аккумуляторы 12 для на- копления энергии; предохранительные клапаны 4 для защиты насосов от перегрузки; гидроаппаратура управ- ления 2, приборы контроля давления — манометры 1, температуры 6 и уровня жидкости в баке 5; фильтры 7, 8; устройства для охлаждения или подогрева рабочей жидкости (теплообменники 3); а также трубопроводы и различные устройства для ее обслуживания. В современном производстве используют маслостанции нескольких типов: небольшие индивидуальные типовые, обслуживающие один механизм или одну машину; мощные станции с одним или группой аккумуляторов и общим насосным блоком, обслуживающие груп- пу механизмов или агрегатов; мощные станции, имеющие общий насосный блок и индивидуальные аккумул яторы для каждого обслу- живаемого механизма. Несмотря на большое разнообразие компоновок и комплектаций маслостанций, в любой гидросистеме главным элементом является рабочая жидкость. 43
3. Энергообеспечивающая подсистема 3.1. Рабочие жидкости В гидроприводах рабочим телом, с помощью которого энергия от ее источника передается исполнитель- ным механизмам, приводящим в действие технологическое оборудование, является жидкость. Будучи энерго- носителем, рабочая жидкость выполняет целый ряд других, не менее важных функций, обеспечивающих нор- мальную работу, как отдельных элементов гидравлических приводов, так и системы в целом: является смазкой трущихся деталей; отводит теплоту от контактных пар элементов насосов и гидрдвигателей, возникающее при их трении; уносит образующиеся вследствие трения продукты износа (абразивные частицы); защищает от коррозии внутренние поверхности трубопроводов и гидравлических устройств. Выполнение рабочей жидкостью такого многообразия функций возможно только при ее соответствии це- лому ряду требований (рис. 3.2): хорошая смазывающая способность; химическая стабильность в течение длительного времени работы (устойчивость к старению); хорошие противоизносные свойства; хорошая теплопроводность; нейтральность к материалам гидроэлементов и уплотнений; малая токсичность жидкости и ее паров (экологическая чистота); высокая температура кипения и низкая температура замерзания; высокая устойчивость к воспламенению (пожаробезопасность); малая склонность к пенообразованию; малая способность к поглощению влаги и воздуха; возможность регенерации (т.е. восстановления) начальных свойств; низкая стоимость и небольшие расходы на техническое обслуживание. Экологическая чистота Вынос частиц Защита износа от коррозии Пожаро- безопасность Смазывающие свойства Рис. 3.2. Требования к гидравлическим жидкостям Невыполнение этих требований приводит к различным нарушениям в функционировании гидропривода. В частности плохие смазочные или антикоррозийные свойства приводят к уменьшению сроков службы гидро- привода; неоптимальная вязкость или ее слишком большая зависимость от режимов работы гидропривода снижают общий КПД и т.д. Нормальная и долговременная работа гидропривода определяется в равной мере 44
3.1. Рабочие жидкости как правильностью выбора марки рабочей жидкости при конструировании, так и грамотной эксплуатацией гид- ропривода. Всем перечисленным выше требованиям не удовлетворяет в полной мере ни одна жидкость. И менее все- го — самая распространенная — вода, так как она является плохой смазкой и активно способствует коррозии контактирующих с ней металлов. В качестве рабочих жидкостей в гидроприводах применяют минеральные масла, эмульсии и синтетиче- ские жидкости. Минеральные масла. Наиболее часто в приводах используются минеральные масла, которые получают путем перегонки нефти-сырца и на 85...98 % состоящие из базового масла. Однако базовые масла в чистом виде за редким исключением (веретенное АУ, турбинное и некоторые другие) не применяются, так как они не обладают требуемыми для гидропривода свойствами. Для получения рабочих жидкостей с нужными эксплуа- тационными свойствами в базовые масла вводятся различные присадки: вязкостные — замедляют повышение вязкости при понижении температуры; антиокислительные — приостанавливают реакцию окисления (хим ическую реакцию металлических по- верхностей с кислородом); антикоррозионные — обеспечивают образование на металлических поверхностях пленки, предотвра- щающей коррозию; противоизносные — улучшают смазывающую способность жидкости в местах контактного трения под- вижных элементов насосов и гидродвигателей; противопенные — уменьшают коэффициент поверхностного натяжения на поверхности контакта масла с воздухом; противозадирные — образуют в прецизионных парах гидроаппаратов химическую пленку, которая эф- фективно предотвращает задиры и наволакивания металла; деэмульгаторы — предотвращают смешивание рабочей жидкости с водой. Обычно в рабочую жидкость вводят несколько присадок или комплексные присадки, улучшающие сразу несколько показателей рабочей жидкости. К отечественным маслам, содержащим весь комплекс присадок, и пригодным для использования в гидро- системах различных машин промышленного назначения относятся масла индустриальные гидравлические типа ИГП, которые изготовлены из нефтей, подвергнутых глубокой селективной очистке. Непосредственное влияние на рабочие процессы и явления, происходящие в элементах гидропривода оказывает вязкость масла. При чрезмерно высокой вязкости силы трения в жидкости настолько значитель- ны, что могут привести к нарушению сплошности потока. При этом происходит незаполнение рабочих камер насоса, возникает кавитация, снижается подача, ухудшаются показатели надежности. Наряду с этим высо- кая вязкость рабочей жидкости позволяет снизить утечки через зазоры и щелевые уплотнения, т.е. увели- чить объемный КПД Изменение вязкости является критерием достижения предельного состояния рабочей жидкости. Вязкость минеральных масел повышается с ростом давления и снижается при увеличении температуры масла, что отрицательно сказывается на его смазывающей способности, поэтому предпочтительно приме- нять масла, у которых зависимость вязкости от температуры слабее. Вязкостно-температурные свойства ма- сел оценивают с помощью индекса вязкости (ИВ), являющегося паспортной характеристикой современных масел. ИВ определяется сравнением данного масла с двумя эталонами. Один из этих эталонов характеризу- ется крутой вязкостно-температурной характеристикой, т.е. сильной зависимостью вязкости от температуры, а другой — пологой характеристикой. Эталону с крутой характеристикой присвоен ИВ=0, а эталону с пологой характеристикой — ИВ=100. Сжимаемость минерального масла более чем в 100 раз превышает сжимаемость стали и часто сущест- венно влияет на качество работы гидропривода. На сжимаемость масла существенное влияние оказывает на- личие в ней нерастворенного воздуха (обычно до 6 % объема масла). Рекомендуемый температурный диапазон для длительной и непрерывной работы масла составляет +20...+50 °C. При периодической работе и достаточно длительных перерывах температура масла может достигать +60 °C. Эксплуатация гидросистем при более высоких температурах масла не рекомендуется 45
3. Энергообеспечивающая подсистема вследствие резкого сокращения срока службы масла вследствие возрастания скорости окислительных про- цессов, которая увеличивается вдвое на каждые 10 °C приращения температуры сверх приведенных выше значений Антиокислительная стабильность масла определяет долговечность его работы в гидроприводах. При длительной эксплуатации в результате реакции углеводородов масла с кислородом воздуха в нем появля- ются осадки смолистых веществ, вызывающие заклинивание трущихся деталей, засорение малых отвер- стий, понижение способности масла отделять воду и воздух. На скорость окисления существенно влияют температура масла, интенсивность его перемешивания, содержание в нем воздуха и воды, а также метал- лических загрязнений. Значительное каталитическое воздействие на процесс окисления масла оказывает контакт с медными деталями, например с трубопроводами. При возрастании температуры от 50 до 70 °C в связи с резким увеличением скорости окислительных реакций срок эксплуатации масел уменьшается в 2 раза. Степень окисленности масла характеризуется так называемым кислотным числом, которое представляет собой количество миллиграммов щелочи КОН расходуемых на один миллилитр масла для его нейтрализации. Это показатель определяется в лабораторных условиях и должен сравниваться с первоначальной величиной, характерной для данного масла в состоянии поставки и указываемой в сопроводительной документации. Из- менение кислотного числа масел типа ИГП на 0,8.. 1,0 мгКОН/мл, по сравнению с исходным значением, явля- ется браковочным показателем, свидетельствующим о необходимости замены масла. Еще одним браковочным показателем является наличие в масле воды в количестве большем, чем 0,2 % объема масла (200 мл воды на 100 л масла) В процессе работы гидросистемы вследствие дросселирования масла и его окисления происходит посте- пенное разрушение присадок, что снижает эксплуатационные свойства масла. Косвенным показателем выра- ботки присадок является изменение первоначальной вязкости масла более чем на 20 % Определить степень разрушения присадок и изменения вязкости без использования приборов и специаль- ных реактивов нельзя, поэтому важно проводить периодические проверки качества масел в лабораторных ус- ловиях. При технически грамотной эксплуатации гидросистем масла можно нормально эксплуатировать в течение 6 .8 тыс. ч. В соответствии с областью применения гидравлические масла выпускают: для гидроприводов, гидропередач и циркуляционных масляных систем различных агрегатов, машин и механизмов, составляющих оборудование промышленных предприятий; для летательных аппаратов, мобильной наземной, речной и морской техники; для гидротормозных и амортизаторных устройств различных машин. Эмульсии. Помимо минеральных масел в качестве рабочих жидкостей в гидроприводах иногда использу- ют эмульсии, которые приготавливают на основе базовых масел. Эмульсии представляют собой смеси масла на нефтяной основе и смягченной воды. Различают два типа эмульсий «масло в воде» и «вода в масле». Первые представляют собой мелкодис- персионные смеси воды и 2...3 % эмульсола, в состав которого входят минеральное масло с добавкой 12...14 % олеиновой кислоты и 2,5 % едкого натра. Они обладают малой вязкостью, низкой смазывающей способно- стью, высокой коррозионной активностью и ограниченным температурным диапазоном. Положительными свойствами эмульсий типа «масло в воде» являются негорючесть и низкая стоимость. Эмульсии типа «вода в масле» представляют собой смесь масла с водой (около 40 %) и присадками (эмульгаторами), обеспечивающими стойкость эмульсии. При невысоких давлениях такие рабочие жидкости немного уступают минеральным маслам по коррозионной стойкости и смазывающим свойствам. Эмульсии нельзя смешивать между собой, поскольку, имея почти одинаковый состав, их физико-химиче- ские свойства сильно различаются. Эмульсии используют в качестве рабочих жидкостей в гидроприводах кузнечно-прессовых и горных ма- шин, где повышенные требования противопожарной безопасности. 46
3.1. Рабочие жидкости Синтетические рабочие жидкости. Для гидроприводов, работающих в условиях, отличающихся от нор- мальных (Гра6 >100 °C, повышенные требования к пожаробезопасности, чрезмерно низкие температуры окру- жающей среды и т.п.), или от которых требуется повышенная стабильность характеристик, применяются син- тетические рабочие жидкости, основу которых составляют продукты, полученные в результате химических ре- акций. Обладая повышенными отдельными свойствами, синтетические рабочие жидкости имеют некоторые не- достатки, препятствующие их широкому применению. Это, в первую очередь, высокая стоимость и ограничен- ность сырьевых ресурсов, используемых для изготовления синтетических жидкостей. Кроме того, ряд таких жидкостей плохо совместим с основными материалами гидроприводов. Они токсичны и имеют худшие, по сравнению с минеральными маслами, показатели по отдельным свойствам. Из множества типов синтетических жидкостей в гидроприводах нашли применение следующие: ди- эфиры, силоксаны, фосфаты, водосодержащие жидкости, фтор- и хлорорганические рабочие жидкости. Органические жидкости обладают по сравнению с минеральными маслами повышенными противопо- жарными свойствами. Наилучшими в этом отношении являются фторорганические жидкости, которые отличаются полной негорючестью. Кроме того, они химически инертны и термически стабильны. Водосо- держащие жидкости не воспламеняются при распылении на пламя или на поверхность, нагретую до тем- пературы 700 °C. Остальные жидкости имеют повышенную огнестойкость по сравнению с нефтяными маслами, но являются горючими и могут воспламеняться при попадании на огонь или раскаленные пред- меты. Водосодержащие жидкости (водно-гликолевые и водно-глицериновые) относятся к огнестойким ра- бочим жидкостям, пожаробезопасность которых обеспечивает присутствующая в них вода. Основными компонентами водногликолевых жидкостей являются гликоль (обычно, этиленгликоль) — 50...60 % и во- да -35...45 %. В состав рабочих жидкостей также входят водорастворимый загуститель и другие при- садки. Обозначение рабочих жидкостей. В настоящее время действуют различные системы обозначения ма- рок рабочих жидкостей. Рабочие жидкости общего назначения принято называть «индустриальные» с указа- нием вязкости в сСт при t = 50 °C. Кроме того, существуют еще отраслевые системы обозначений. Например, рабочие жидкости для станочных гидроприводов — ИГП, для гидроприводов транспортных установок — МГ, МГЕ, для авиационных гидроприводов — АМГ. В будущем предполагается переход на новую систему маркировки, основой которой будет являться меж- дународный стандарт MS ISO 6443/4, устанавливающий классификацию группы Н (гидравлические системы), которая относится к классу L (смазочные материалы, индустриальные масла и родственные продукты). Доба- вочные к наименованию группы Н индексы L, V, М, R и другие являются закодированными обозначениями раз- личных улучшающих присадок. Например: L — НН — очищенные минеральные масла без присадок; L — HL — масла с антиокислительными и антифрикционными свойствами; L — HF — жидкость с улучшенными огнестойкими свойствами; L — HR — масла типа HL с вязкостными присадками; L — НМ — масла типа HL с улучшенными противоизносными свойствами; L — HV — масла типа НМ с присадками, увеличивающими вязкость. На основе международного стандарта разрабатываются национальные стандарты. В России действует группа стандартов ГОСТ 17479.0-85 — ГОСТ17479.4-87, по которым будет проводиться маркировка для вновь создаваемых рабочих жидкостей на нефтяной основе. Рекомендуемые для применения в станочных гидроприводах марки минеральных масел отечественнрго производства и эквивалентные масла производства ведущих иностранных фирм приведены в приложении П1, табл. П1.8. 47
3. Энергообеспечивающая подсистема 3.2. Трубопроводы и присоединительная арматура Трубопроводы и присоединительная арматура являются важными элементами гидропроводов, поскольку ими соединяются между собой отдельные гидроаппараты, образуя единую гидросистему. К трубопроводам относятся жесткие трубы, гибкие рукава (шланги) и поворотные соединения труб, а к присоединительной ар- матуре — различного рода разъемные и неразъемные соединения. Жесткие трубы. Жесткие трубы применяют в случаях, когда различные части гидросистемы неподвижны относительно друг друга. Для трубопроводов высокого давления используют стальные бесшовные холоднодеформированные тру- бы, которые способны выдерживать высокое давление и имеют хорошее качество внутренних поверхностей. В трубопроводах низкого давления применяют водогазопроводные стальные и электросварные трубы, а так- же медные, латунные и алюминиевые трубы. В процессе работы гидросистем трубопроводы подвергаются действию статических и динамических на- грузок. Статические нагрузки возникают от давления рабочей жидкости на внутренние стенки трубопроводов, а также вследствие погрешностей монтажа и от температурных деформаций. Динамические нагрузки обу- словлены пульсацией давления рабочей жидкости, гидравлических ударов при срабатывании гидроаппара- тов, кавитационных явлений и др. Подавляющее большинство разрушений трубопроводов носит усталостный характер под воздействием часто повторяющихся динамических нагрузок. Интенсивность разрушения трубопроводов под действием ди- намических нагрузок зависит от искажения профиля сечения труб при изгибе, кривизны изгиба, возможности резонансных колебаний и др. Под действием давления изогнутый трубопровод стремится распрямиться, в результате в месте макси- мальной его кривизны возникают наибольшие напряжения при колебаниях давления и усталостные разруше- ния. Поэтому необходимо монтировать трубопровод с максимально возможным радиусом кривизны, что уменьшает сплющивание и повышает долговечность трубопровода. На участках гидролиний, работающих в условиях пульсирующих давлений, рекомендуется применять радиус изгиба R >3d (d — наружный диаметр трубы). Для предупреждения разрушения трубопроводов под действием статических нагрузок нужно правильно выбирать размеры и материал труб, производить тщательно монтаж, не допуская натяжений, сжатий или пе- рекосов труб и соединений, принимать меры по защите трубопроводов от теплового воздействия окружающей среды и обеспечивать нормальную работу охлаждающих устройств рабочей жидкости. При монтаже следует принимать меры для исключения резонансных колебаний трубопроводов: частое крепление трубопроводов к рамам и фундаментам, установка демпфирующих прокладок, применение специ- альных соединений и т.д. При изготовлении трубопроводов внутренняя поверхность труб должна быть чистой. Если при монтаже трубопровода осуществляется гибка труб с предварительным нагревом, приварка отводов, фланцев и подоб- ные операции, то после этого необходимо очистить внутреннюю поверхность труб. Неочищенные трубопроводы могут служить источником сильного загрязнения.гидросистемы и рабочей жидкости. В процессе работы окалина, остатки сварочного шлака, брызги металла и другие загрязнители не- избежно проявят себя и могут привести к возникновению серьезных неполадок в работе гидросистемы и преж- девременному выходу из строя ее элементов Существуют два способа очистки внутренних поверхностей труб: механический и химический. При монта- же оборудования должны проводиться оба вида очистки. Сначала выполняют механическую очистку щетка- ми, ершами, шарошками для того, чтобы удалить грат и шлак, которые не растворяются при химической очист- ке. Химическую очистку проводят обработкой труб в водных растворах серной и соляной или 20%-ной орто- фосфорной кислоты. После этого трубопровод промывают, нейтрализуют и сушат. Гибкие трубопроводы (шланги). Их используют для соединения подвижных элементов гидроприво- дов, для компенсации неточностей при сборке агрегатов, облегчения сборки и получения быстроразъемных соединений, а также для демпфирования кратковременных динамических забросов (пиков) давления. Кро- 48
3.2. Трубопроводы и присоединительная арматура ме того, иногда шланги применяют вместо жестких труб для снижения вибраций и шума при работе гидро- привода. В качестве шлангов обычно используют резиновые рукава, упроченные снаружи хлопчатобумажной или металлической оплеткой. Иногда шланги имеют внутренний каркас из тех же материалов. Шланги с одинарной и двойной оплеткой применяют в системах с давлением до 4 МПа. Для систем сдавлением до 20 МПа исполь- зуют одинарную оплетку из стальной проволоки, для больших давлений — двойную и даже тройную. Запас прочности шлангов принимают равным 3-4. Наименьший радиус изгиба шлангов с двойной оплеткой должен быть не менее 12 внутренних радиусов. Для систем с давлением до 40 МПа применяют шланги с внутренней трубкой из фторопласта. Большое значение для обеспечения работоспособности гибких шлангов имеет качество их соединения с присоединительным штуцером. Основные способы заделки резино-тканевых шлангов в арматуре представ- лены на рис. 3.3. Рис. 3.3. Способы заделки шлангов Неразборные соединения шлангов со штуцерами (рис. 3.3, а) изготавливают на специальных обжимных прессах, а разборные соединения (рис. 3.3, б) могут быть собраны без специальных приспособлений. Осевые нагрузки в соединении воспринимаются силами трения на конусном хвостовике ниппеля и в винтовой нарезке муфты. Важно правильно проводить монтаж шлангов, поскольку от этого в значительной степени зависит их дол- говечность. Шланги следует монтировать так, чтобы они не терлись один о другой и о детали конструкции при работе гидропривода, чтобы их участки вблизи арматуры не подвергались изгибу и механическому растяже- нию (рис. 3.4). Рис. 3.4. Монтаж гибких трубопроводов (шлангов) Дефекты трубопроводов сводятся в основном к нарушению герметичности и разрушению труб или рука- вов, нарушению герметичности их концевых соединений, а также загрязненности внутренних поверхностей и уменьшению площади поперечного сечения трубопровода, обусловленных неправильной гибкой труб, смина- нием рукава и нарушениями технологии сварки. 49
3. Энергообеспечивающая подсистема Поворотные соединения труб. Для питания потребителей, которые находятся на механизмах, совер- шающих при работе поворот на значительный угол или вращающихся без ограничения относительно подхо- дящих трубопроводов, применяют поворотные соединения (рис. 3.5). Рис. 3.5. Поворотное соединение труб Штуцер 1 и фланец 4 соединяются с трубопроводами, которые размещены на подвижных относительно друг друга механизмах. Поворот в соединении осуществляется через цилиндрический шарнир 2, который уп- лотняется манжетами 3. Существуют подвижные соединения труб, обеспечивающие герметичное соединение трубопроводов при взаимном возвратно-поступательном перемещении различных частей гидросистемы. Например, в металлур- гическом производстве на станах полирования и шлифования листа, такие соединения обеспечивают ход до 10...20 м. Неразъемные соединения труб. Их применяют достаточно редко, только для трубопроводов, не подле- жащих демонтажу. Соединения выполняются пайкой, либо сваркой. Разъемные соединения труб. Трубы с внутренним диаметром более 40 мм обычно соединяют при помощи фланцев. Герметичность соединения обеспечивается прокладками в виде резиновых колец (рис. 3.6, а), либо колец из красной отожженной меди (рис. 3.6, б, в, г). Для низких давлений применяют кольца из паронита. Рис. 3.6. Фланцевое соединение трубопроводов Для жесткой связи с трубой применяют плоские приварные фланцы (рис. 3.6, а, б). Если при монтаже необ- ходим разворот фланцев или труб, то используют накидные фланцы, надеваемые на трубу с приваренным к ней ниппелем (рис. 3.6, в), либо резьбовые фланцы (рис. 3.6, г). 50
3.2. Трубопроводы и присоединительная арматура Для соединения трубопроводов с агрегатами, диаметр условного прохода которых не превышает 32 мм, в гидросистемах применяют соединения с приварным ниппелем и накидной гайкой (рис. 3.7). Рис. 3.7. Соединения трубопроводов с приварным ниппелем В соединении, показанном на рис, 3.7, а, шаровый ниппель 3, со сферической контактной поверхностью, приваривают к трубе. Предварительно надетая на ниппель накидная гайка наворачивается на штуцер 1, обес- печивая герметичный контакт сферической поверхности ниппеля 3 с конической проточкой штуцера 1. Подоб- ные соединения обеспечивают герметичность при давлениях до 40 МПа. Модернизированные соединения с накидной гайкой (рис. 3.7, б), в которых сферический профиль ниппеля заменен коническим с добавленным в конструкцию резиновым кольцом, позволяют производить многократ- ный монтаж и демонтаж. Для тонкостенных металлических труб наиболее широкое применение нашли соединения с развальцов- кой трубы и с врезающимся кольцом, допускающие многократный монтаж-демонтаж (до 15-20 раз) без нару- шения герметичности. Соединение для развальцованной трубы (рис. 3.8, а) состоит из штуцера 1 с присоединительной цилинд- рической или конической резьбой*, ниппеля 3 и накидной гайки 2. Трубу с предварительно надетым на нее ниппелем развальцовывают в виде раструба, надеваемого на коническую часть штуцера. Ниппель с трубой и штуцер стягиваются вместе с помощью накидной гайки, при этом в месте сопряжения образуется плотное со- единение и обеспечивается требуемая герметичность. Рис. 3.8. Соединения для тонкостенных труб Соединение с врезающимся кольцом (рис. 3.8, б) не требует применения специального инструмента и предварительной разделки конца трубы. Оно также содержит штуцер и накидную гайку, между которыми рас- полагается кольцо, охватывающее трубу по наружному диаметру и упирающееся коническими поверхностями в соответствующие конические расточки в штуцере и гайке. При завинчивании гайки кольцо, деформируясь, врезается в поверхность трубы, что препятствует ее выскальзыванию и обеспечивает необходимую герметич- ность соединения. При использовании таких соединений предъявляются повышенные требования к точности геометрических размеров и качеству наружной поверхности трубы. * Соединения с конической резьбой не имеют уплотнительных колец, поскольку коническая резьба является самоуплотняющейся. 51
3. Энергообеспечивающая подсистема Быстроразъемные соединения. В мобильных машинах, на которых достаточно часто осуществляется установка того или иного навесного оборудования, а зачастую и в стационарных установках, например, станах горячей и холодной прокатки листа, для сокращения времени перевалки валков, гибкие рукава снабжают бы- строразъемными соединениями, позволяющими разъединять трубопроводы без потери их герметичности (рис. 3.9). Рис. 3.9. Быстроразъемное соединение В обеих частях соединения — розетке 1 и штекере 7 установлены обратные клапаны 2 и 9, которые не по- зволяют вытекать рабочей жидкости из шлангов, если соединение находится в разъединенном состоянии. Об- ратные клапаны 2 и 9 принудительно открывают друг друга при вводе штекера 7 в розетку 1. Соединение ро- зетка— штекер надежно удерживается в замкнутом состоянии посредством шариков 4, запертых в проточке 8 штекера 7 подпружиненной фиксирующей втулкой 6, Герметичность соединения обеспечивается резиновым кольцом 3, охватывающим штекер 7 по наружному диаметру. Разъединение соединения осуществляется путем сдвига фиксирующей втулки 6 в сторону шланга. При этом шарики 3 получают возможность радиального перемещения в проточке 5 и не удерживают штекер 7, ко- торый вследствие этого выталкивается из розетки пружинами обратных клапанов 2 и 9. Условные графические обозначения соединений представлены в табл. 3.1. Таблица 3.1 Соединение Графическое обозначение Соединение Графическое обозначение 1 Место присоединения: несоединенное соединенное Быстроразъемное соединение без запорного элемента: соединенное несоединенное Разъемное соединение Быстроразъемное соединение с запорным элементом: соединенное несоединенное Фланцевое L Поворотное однолинейное 1 Штуцерное резьбовое [ Присоединительное устройство к другим системам (испытательным, промывочным машинам и т.д.) /г| J 52
3.2. Трубопроводы и присоединительная арматура Гидролинии. Трубопроводы, соединения, а также каналы, выполненные в гидроаппаратах, плитах и кор- пусах, называют гидролиниями. В зависимости от функционального назначения различают следующие гидро- линии: всасывающие — подвод жидкости к насосам; напорные — подача жидкости под высоким давлением (от насоса или гидроаккумулятора); сливные — слив жидкости в бак; управления — подача жидкости для управления гидроаппаратами или отдельными элементами внутри гидроаппаратов; дренажные — отвод утечек в бак. Условные графические обозначения гидролиний представлены в табл. 3.2. Таблица 3.2 Название гидролинии Графическое обозначение Название гидролинии Графическое обозначение Линии всасывания, нагнетания, выхлопа Линии управления, дренажа, отвода конденсата. — Соединение трубопроводов Гибкий трубопровод (шланг) Пересечение трубопроводов без соединения —I— —/ Расчет гидролиний осуществляется на этапе проектирования гидросистемы и состоит из нескольких ша- гов: расчет проходных сечений; определение потерь давления и расчет на прочность. Проходные сечения гидролиний должны быть такими, чтобы скорости рабочей жидкости в них были эконо- мически приемлемыми и технологически допустимыми. Опыт проектирования и эксплуатации гидросистем показывает, что средние скорости движения жидкости в гидролиниях не должны превышать следующих зна- чений: всасывающие — 1,5 м/с; напорные — 6 м/с; сливные — 2 м/с; линии управления — 5 м/с. Расчет проходных сечений гидролиний производится на основе известного соотношения, связывающего между собой площадь проходного сечения А, расход жидкости Q и скорость потока V. Q = Av. Для труб и каналов круглого сечения, в которых площадь равна А = ти/2/4, диаметр проходного сечения оп- ределяется по формуле Полученный в результате расчета диаметр d используют при выборе внутреннего диаметра трубы. При этом полученное значение округляют до ближайшего большего значения из стандартного ряда (см. приложение П1). Потери давления в гидролиниях на трение по длине и в местных сопротивлениях зависят от режима тече- ния жидкости и определяются по известным соотношениям. 53
3. Энергообеспечивающая подсистема 3.3. Насосы Насосы—гидравлические машины, назначение которых состоит в преобразовании механической энергии приводного двигателя в гидравлическую энергию рабочей жидкости. В гидравлических приводах применяют насосы, которые по своему принципу действия называют объ- емными. В таких насосах, независимо от конструктивных особенностей, всасывание рабочей жидкости и ее вытеснение в систему происходит в результате последовательного увеличения и уменьшения геомет- рического объема их рабочих камер. Рабочая камера насоса — это изолированное пространство внутри насоса ограниченное деталями данной конструкции, изменение взаимного положения которых и приводит к увеличению или уменьшению ее объема. В процессе работы объемного насоса каждая рабочая камера при увеличении ее объема соединяется с линией всасывания, а при ее уменьшении —- с линией нагнета- ния. При этом давление в вытесняемой жидкости повышается до значения, достаточного для преодоле- ния суммарного сопротивления гидросистемы, которое складывается из внешнего и внутреннего сопро- тивлений. Внешнее сопротивление обусловлено противодействием полезной нагрузки, механическим трением, а также статической нагрузкой и динамическими силами, действующими на исполнительные ме- ханизмы. Внутреннее (гидравлическое) сопротивление является следствием трения, возникающего меж- ду слоями рабочей жидкости, а также между рабочей жидкостью и стенками каналов, и возникает при дви- жении жидкости по трубопроводам и через гидроаппараты системы. Характерным параметром для насоса любой конструкции является его рабочий объем — объем жидкости, который вытесняется насосом за один оборот приводного вала (обычно рабочий объем выражается в кубиче- ских санти ментрах). Подача насоса определяется как произведение его рабочего объема на частоту вращения приводного ва- ла в единицу времени, т.е. подача насоса — это расход жидкости подаваемой насосом в систему: 0н = Иол/1ООО, где 0Н — объемный расход, л/мин; Vo — рабочий объем, см3; п — частота вращения вала, мин-1. Действительная подача насоса несколько меньше расчетной вследствие перетекания жидкости внут- ри насоса из полостей с большим давлением в полости с меньшим. Это так называемые объемные потери, которые в разных насосах составляют от 3 до 15 % теоретической подачи и характеризуются объемным КПД. Наряду с параметрами, отмеченными выше, объемные насосы характеризуются номинальным давлени- ем, мощностью и полным КПД. Номинальное давление — наибольшее давление, при котором насос должен работать в течение установ- ленного срока службы при сохранении параметров в пределах установленных норм. Мощность насоса — мощность, потребляемая насосом от приводного двигателя: — ^пол Al, где 7VnoJ1 = р QH / 60 — полезная мощность насоса, кВт; р — давление развиваемое насосом, МПа; QH — объемный расход, л/мин; 11 — полный КПД насоса. Полный КПД показывает какую долю полезная мощность составляет от мощности насоса, т.е. характери- зует потери энергии, обусловленные внутренними утечкамив насосе, потерями давления на трение жидкости о стенки внутренних каналов аппаратов и машин, а также вследствие потерь на механическое трение в движу- щихся элементах конструкции. Классификация насосов основывается на их конструктивных особенностях, отражающих вид вытесните- лей, т.е. рабочих органов насоса, совершающих работу всасывания и вытеснения рабочей жидкости, кинема- тическую схему качающего узла насоса, способ распределения жидкости при всасывании и нагнетании, воз- можность регулирования рабочего объема и т.д. 54
3.3. Насосы В зависимости от конструкции вытеснителей объемные насосы бывают следующих типов: шестеренные; роторно-пластинчатые; аксиально-поршневые; радиально-поршневые; винтовые. Насосы, рабочий объем которых может изменяться путем внешних настроек, либо автоматически в зави- симости от параметров потока, называют регулируемыми. Нерегулируемые насосы — насосы, в которых ра- бочий объем регулировать нельзя. К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены принципом действия и отличают их от лопа- стных насосов (центробежных и осевых), относятся следующие: цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и неравномерность подачи; герметичность насоса, т.е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего; самовсасывание, т е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости до уровня расположения насоса; жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат p—Q, что означает малую зависимость подачи насоса от развиваемого им давления; независимость давления, создаваемого объемным насосом, от частоты вращения приводного вала. 3.3.1. Шестеренные насосы Шестеренные насосы, являясь нерегулируемыми, отличаются простотой конструкции, малыми габарита- ми и весом. В качестве вытеснителей в них используются две цилиндрические шестерни, находящиеся в зуб- чатом зацеплении. В зависимости от вида зацепления шестерен, различают насосы с внешним (рис. 3.10) и внутренним зацеплением (рис. 3.11). Рис. 3.10. Шестеренный насос с внешним зацеплением Насос с внешним зацеплением состоит из корпуса 1, в котором находятся в зацеплении две одинаковые шестерни 2 и 3. Одна из них (2) является ведущей и приводится во вращение валом 6, связанным муфтой с ва- лом приводного электродвигателя. Вторая шестерня (3) является ведомой, так как ее вращает за счет зубча- того зацепления ведущая шестерня 2. 55
3. Энергообеспечивающая подсистема При вращении шестерен 2 и 3, когда зубья выходят из зацепления объем камеры 5 увеличивается, давле- ние в полости S уменьшается и происходит всасывание жидкости. Жидкость, попавшая во впадины между зубьями 4, перемещается по радиусу внутренней поверхности корпуса 1 и, наконец, вытесняется входящими в зацепление зубьями в нагнетательную полость Р. При малых зазорах в зубчатом зацеплении возможно образование полости с защемленным объемом рабочей жидкости, что может привести к резкому увеличению давления и радиальной силы, действующей на оси и валы насоса. Для устранения резкого роста давления (компрессии жидкости) предусматривают каналы во впадинах шестерен, на боковых крышках и на нерабочих поверхностях зубьев (для нереверсив- ных насосов). При изменении направления вращения ведущей шестерни направление нагнетания жидко- сти также меняется на противоположное. Недостатком шестеренных насосов с внешним зацеплением яв- ляется большая пульсация (неравномерность) подачи и обусловленный ею довольно высокий уровень шума. Насосы с внутренним зацеплением шестерен имеют достаточно низкий уровень шума и практически из- бавлены от пульсаций давления. Это обусловлено большим углом зоны зацепления зубьев и меньшей скоро- стью изменения объема рабочих камер. Они имеют меньшие габариты, чем насосы с внешним зацеплением, но являются конструктивно более сложными (см. рис. 3.11). Рис. 3.11. Шестеренный насос внутреннего зацепления В насосе с внутренним зацеплением внутренняя шестерня 2 является ведущей и вращает в том же на- правлении внешнюю шестерню 3. Свободные от зацепления межзубные впадины заполняются жидкостью из полости всасывания S. Далее в образованных шестернями и корпусом 1 замкнутых камерах жидкость перено- сится в полость нагнетания Р. В полости нагнетания зубья шестерен вновь входят в зацепление, тем самым не позволяя жидкости пере- текать из полости нагнетания в полость всасывания. Серповидный сегмент 4, с которым почти плотно контак- тируют одновременно обе шестерни, является конструктивным элементом насоса, разделяющим всасываю- щую и нагнетательную полости. Рабочий объем шестеренного насоса, см3, определяют по следующей формуле: Vo = 2лт2^-10-6г где m — модуль зубчатого зацепления, мм; z — число зубьев шестерни; b — ширина венца шестерни, мм. 56
3.3. Насосы Шестеренные насосы относятся к группе нерегулируемых насосов (параметры, определяющие рабочий объем шестеренного насоса являются величинами постоянными). Невозможность регулирования подачи у шестеренных насосов компенсируется их приспособленностью для соединения друг с другом при создании насосных агрегатов. 3.3.2. Пластинчатые насосы Пластинчатые насосы, как и шестеренные, относятся к числу так называемых роторных насосов — объем- ных насосов, в которых вытеснение жидкости производится из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей относительно статора. Часть роторного насоса, вращаемая непосредственно приводным валом, называется ротором. Статором называют неподвижную часть насоса — корпус, имеющий приемную (всасывающую) и выходную (напорную) полости. На рис. 3.12 представлена полуконструктивная схема пластинчатого насоса с нерегулируемым рабочим объемом. Насос состоит из статора 1, во внутренней расточке которого (в плоскости рисунка она имеет форму ова- ла) расположен ротор 2, в радиальных пазах которого установлены пластины (вытеснители) 3. На боковых стенках корпуса насоса имеются окна 5 и 4, сообщающиеся соответственно с всасывающими (S) и напорными (Р) линиями, условно показанные на схеме в виде наружных подводов. При вращении ротора 2 подвижные пластины 3 постоянно прижимаются к внутренней поверхности стато- ра 1 под действием центробежных сил, а в зоне нагнетания также давлением масла и, следовательно, совер- шают возвратно-поступательное движение в направляющих пазах. Пространство между рабочими поверхностями статора, ротора, двух соседних пластин и боковых сте- нок корпуса образует рабочие камеры насоса, объем которых при вращении ротора изменяется. При прохождении окон всасывания 5 рабочие камеры увеличиваются и наполняются жидкостью, т.е. осу- ществляется процесс всасывания. Проходя окна нагнетания 4, рабочие камеры уменьшаются, и находя- щаяся в них жидкость вытесняется на выход из насоса в напорную линию, осуществляется процесс нагне- тания. Поскольку зоны нагнетания и всасывания расположены диаметрально относительно ротора, на него не действуют радиальные силы, что положительно сказывается на долговечности подшипников приводного вала. 57
3. Энергообеспечивающая подсистема В зависимости от того, сколько раз за один оборот ротора происходит всасывание и нагнетание, различа- ют насосы однократного и двукратного действия. Рабочий объем пластинчатого насоса двукратного действия, см3, определяется как сумма объемов всех его рабочих камер: Vo = 2b{R - г)[я (А + г) -Л1-10-3) где А и г— максимальный и минимальный радиус расточки статора, мм; b — ширина статора, мм; j — толщина пластины, мм, z — число пластин. В пластинчатых насосах однократного действия движение пластин ограничивается статором с цилиндри- ческой внутренней расточкой. Изменение объемов рабочих камер происходит за счет эксцентричного распо- ложения статора и ротора насоса. Изменяя величину эксцентриситета, можно регулировать рабочий объем, а, следовательно, и подачу пластинчатого насоса однократного действия при неизменном числе оборотов при- водного двигателя (рис. 3.13). В пластинчатых насосах однократного действия с регулируемым рабочим объемом статор выполняют в виде подвижного в поперечном направлении (относительно оси приводного вала) кольца 3, которое с одной стороны опирается на упор 2 и с другой стороны поджимается в эксцентричное относительно ротора 4 поло- жение пружиной 6. Предварительная настройка максимального эксцентриситета (максимальной подачи насо- са) производится с помощью упора 2. В процессе работы насоса статорное кольцо 3, опирающееся на непод- вижную 5 и подвижную 8 опоры, может перемещаться в поперечном направлении, изменяя эксцентриситет от- носительно ротора 4. Смещая статор в направлении уменьшения эксцентриситета, можно изменять подачу насоса от Отя„ до 0. Давление с напорной стороны действует на внутреннюю поверхность статора 3, при этом возникает горизонтальная составляющая сила, действующая в направлении пружины 6, усилие которой регули- руется винтом 7. Таким образом, максимальное давление, развиваемое насосом, настраивается вин- том 7. Если потребитель не расходует жидкость, то давление на выходе насоса начинает возрастать, при этом статор 3 перемещается в сторону пружины 6, что сопровождается уменьшением эксцентриситета и, следова- 58
3.3. Насосы тельно, снижением подачи насоса вплоть до минимального значения, равного значению внутренних утечек в насосе. Принцип работы данного типа насоса тот же, что и в описанном выше нерегулируемом насосе. Для отвода внутренних утечек из зоны высокого давления предусмотрен дополнительный канал L, наряду с каналами всасыва ния S и нагнетания Р. Недостатком пластинчатых насосов является наличие большего количества деталей и большего числа мест трения, что приводит к их большему износу Повышаются требования и к качеству очистки рабочей жидкости. Несомненным достоинством пластинчатых насосов является плавность подачи и низкий уровень шума. 3.3.3. Радиально-поршневые насосы Отличительной чертой радиально-поршневых насосов является расположение поршней в одной плос- кости, перпендикулярной оси приводного вала. Движение поршней происходит в радиальном направ- лении. На рис. 3.14 представлен радиально-поршневой самовсасывающийо насос с клапанным распределением (имеется в виду распределение циклов всасывания и нагнетания жидкости). Насос состоит из корпуса 1, приводного вала 3, имеющего эксцентрическую шейку (кулачок) в зоне трех ка- чающих узлов 6, каждый из которых включает в себя поршень 5, всасывающий клапан 8 и нагнетательный кла- пан 2. Сферическая головка 9 закреплена в корпусе 1. Поршень 5 через цилиндрическую опорную поверх- ность опирается на шейку вала 3, при этом пружиной 4 обеспечивается постоянный контакт между втулкой 7 и сферической головкой 9. Рабочие камеры насоса образуются поверхностями поршней 5 втулок 7 и сфериче- ских головок 9. При вращении кулачка каждый поршень совершает за один оборот вала два хода: один — вверх, другой — вниз. Всасывание осуществляется при движении поршня вниз. При этом объем рабочей камеры увеличивает- ся, открывается всасывающий клапан 8 и жидкость через канавку на поверхности кулачка поступает в рабо- чую камеру. Нагнетание происходит при дальнейшем повороте кулачка, но уже при движении поршня вверх: клапан 8 прижимается к уплотнительной кромке, жидкость в рабочей камере сжимается и открывается напорный кла- пан 2 в сферической головке 9. Жидкость под давлением поступает в круговой канал, соединяющий качающие узлы и далее на выход насоса. 59
3. Энергообеспечивающая подсистема Рабочий объем радиально-поршневого насоса, см3, определяют по следующей формуле: Vo =Д1А^/и-10-3! где Ап — площадь поршня, мм2; h — полный ход поршня, мм, h = 2е\ е — эксцентриситет, мм; Z — количество поршней; m — количество циклов всасывания-нагнетания за один оборот кулачка (вала). В рассмотренной выше конструкции m = 1, однако, существуют многотактные радиально-поршневые насо- сы, в которых качающие узлы за один оборот вала могут совершать несколько рабочих ходов. Поскольку в радиально-поршневых насосах поршни взаимодействуют с выполненным как единое целое с приводным валом кулачком, регулирование подачи в них не может осуществляться изменением рабочего хо- да поршней. Регулирование подачи в них осуществляется за счет того, что рабочие камеры в течение некото- рой величины хода поршней при нагнетании, или даже в течение всего хода нагнетания, остаются сообщен- ными с всасывающей линией посредством принудительно удерживаемых в открытом состоянии всасываю- щих, или специальных сливных клапанов. 3.3.4. Аксиально-поршневые насосы Аксиально-поршневые насосы являются насосами роторно-поршневого типа с аксиальным расположени- ем поршней в цилиндрах, когда продольные оси цилиндров параллельны друг другу и оси вращения ротора. Рабочие камеры образованы рабочими поверхностями поршней и цилиндров. Различают аксиально-поршневые насосы двух типов: с наклонным диском и с наклонным блоком цилинд- ров. У насосов с наклонным диском ось приводного вала и ось вращения ротора совпадают, а у насосов с на- клонным блоком эти оси расположены под углом друг к другу. На рис. 3 15 представлен аксиально-поршневый насос с наклонным диском В корпусе 2 расположен блок цилиндров 6, шлицами соединенный с приводным валом 1 и поджатый пру- жиной 7 к крышке 8. В расточках блока цилиндров 6 размещены поршни 5, опирающиеся на наклонный диск 3 через шаровые шарниры 4. 60
3.3. Насосы При вращении вала 1 приходит во вращение и блок цилиндров 6 (ротор). Поскольку опорная поверхность диска 3 расположена под углом р к оси вращения приводного вала 1, поршни 4 осуществляют сложное движе- ние: вращаются вместе с ротором 6 и одновременно совершают в цилиндрах ротора возвратно-поступатель- ные движения. При этом последовательно происходят процессы всасывания и нагнетания жидкости через торцевые окна и каналы S и Р, выполненные в крышке 8. Насосы, у которых наклонный диск имеет неизменный угол наклона, называются насосы с нерегулируемой подачей. В регулируемых насосах подача может быть изменена путем изменения рабочих ходов поршней 5, которые зависят от угла р наклона диска 3. При максимально допустимом угле наклона диска* насос обеспечи- вает максимальную подачу, а при перпендикулярном его расположении относительно оси вращения вала 1, подача насоса становится равной нулю. Для изменения угла наклона диска обычно применяют механические или гидравлические установочные механизмы, которые могут приводиться в действие механическим, электрическим или гидравлическим спосо- бом. В аксиально-поршневом насосе применен гидравлический способ регулирования подачи. С этой целью в конструкцию введен управляющий поршень 9, который при подаче давления управления в канал X передает усилие на подпружиненную опору 10 и, смещая ее, меняет угол наклона диска 3. Возможные утечки жидкости из рабочих цилиндров осуществляются через дренажный канал L. Насосы с наклонным блоком цилиндров также выпускаются в регулируемом и нерегулируемом исполне- нии (рис. 3.16). В аксиально-поршневых насосах с наклонным блоком цилиндров оси приводного вала 8 и блока цилинд- ров 5 расположены в корпусе 1 под некоторым углом р, а поршни 3 связаны с диском 7 посредством толкате- лей 2 со сферическими шарнирами. Вращательное движение приводного вала 8 передается на блок цилиндров 5 через толкатели 2 и поршни 3, при этом блок цилиндров центрируется относительно распределительного диска 6 с помощью оправки 4. Поршни 3 движутся относительно блока цилиндров 5 возвратно-поступательно, обеспечивая всасывание ра- бочей жидкости из линии всасывания S и нагнетание ее в линию Р. * Максимально допустимый угол наклона диска ограничивается возможностью деформации поршня поддей- ствием боковых сил и не превышает 20 . 25'. 61
3. Энергообеспечивающая подсистема Рабочий объем аксиально-поршневых насосов, см3, определяют по следующей формуле: Го = Д^ Ю-з = (я</2/4) (£» tg р) Z-10-3, где Ап — площадь поршня, мм2; d — диаметр поршня, мм; h — максимальный ход поршня, мм; D — диаметр окружности блока цилиндров, мм; Р — угол наклона диска (блока цилиндров); Z — количество поршней. Возможность регулирования подачи и изменения ее направления путем изменения направления наклона диска является одним из основных преимуществ насосов данного типа. 3.3.5. Винтовые насосы Винтовые насосы представляют собой одну или несколько пар зацепляющихся, параллельно располо- женных винтов со специальным профилем нарезки, размещенных с малыми зазорами в расточках корпуса. Наиболее распространены трехвинтовые насосы с двухзаходными винтами, устройство которых рассмотрим на примере конструкции, представленной на рис. 3.17. Центральный ведущий винт, выполненный заодно с приводным валом 1 и. два боковых ведомых вин- та 2 имеют профили нарезки, посредством которых, зацепляясь, обкатываются друг относительно друга, образуя с поверхностями расточек в корпусе 3 герметически отделенные от всасывающего S и нагнета- тельного Р каналов камеры. Эти камеры при вращении винтов переносятся вдоль их осей из зоны всасы- вания в зону нагнетания, где жидкость вытесняется боковыми поверхностями винтов. Благодаря такому принципу действия, насос создает очень плавную, без пульсаций подачу жидкости и малый уровень шума. Ведомые винты вращаются под действием сил давления жидкости и не нагружаются крутящим моментом, а весь качающий узел хорошо уравновешен. Поэтому винтовые насосы отличаются большой долговечностью и способны работать с высокими частотами вращения. К недостаткам винтовых насосов относят: невозможность регулирования их рабочего объема, трудность агрегатирования друг с другом, и худшие, чем у других насосов, массо-габаритные показатели. 62
3.3. Насосы 3.3.6. Статические характеристики объемных насосов Статической характеристикой объемных насосов называют зависимость подачи насоса от развиваемого им давления при постоянной частоте вращения приводного вала. Поскольку теоретическая (идеальная) пода- ча нерегулируемого объемного насоса определяется его рабочим объемом и частотой вращения, теоретиче- ская характеристика насоса в указанной системе координат имеет вид горизонтальной прямой Qr (рис. 3.18). Рис. 3.18. Характеристики нерегулируемых объемных насосов Действительная подача насоса отличается от теоретической на величину перетечек (внутренних утечек) рабочей жидкости через зазоры между сопрягаемыми деталями насосов, образующими рабочие камеры — из полости нагнетания в полость всасывания, т.е. од= ет-Суг- Поскольку уплотняющие зазоры в насосах малы и протяженны, а вязкость рабочей жидкости обычно зна- чительна, то режим ее течения в этих зазорах, как правило, ламинарный. Поэтому при не очень высоких дав- лениях утечки будут возрастать прямопропорционально росту давления. Отсюда следует, что реальная характеристика объемного насоса имеет вид наклонной прямой, причем, чем более совершенен насос, тем угол наклона меньше (тем больше «жесткость» характеристики). Сравни- вая характеристику насоса, которая приводится в его техническом паспорте, с реальной, можно судить о сте- пени его износа. Из приведенной на рис. 3.18 характеристики следует, что подача насоса может стать равной нулю при зна- чениях давления близких к бесконечности. Другими словами, если напорную линию насоса полностью пере- крыть, т.е. обеспечить условие Qp= 0, то давление в ней может вырасти практически до бесконечности, что не- пременно приведет к разрыву трубопровода, либо к разрушению деталей насоса. Во избежание этого, все на- сосные установки снабжают предохранительными клапанами"' (рис. 3.19), которые начинают сбрасывать часть рабочей жидкости обратно в бак, при достижении давления в напорной линии некоторого предельно до- пустимого значения. Рис. 3.19. Принцип действия предохранительного клапана * Разновидность напорных клапанов, см. разд. 5.2.1. 63
3. Энергообеспечивающая подсистема В нормальном состоянии запорно-регулирующий элемент — конический клапан 2 — прижат к седлу 1 пру- жиной 3, величина усилия которой настраивается посредством регулировочного винта 4. Пока давление насоса дн< р0 = Fnp0 /А^ (где Гпр0 — сила пружины при закрытом клапане; — площадь от- верстия, перекрываемого клапаном), клапан закрыт. При повышении давления на входе в клапан выше значе- ния ро, определяемого настройкой пружины 3, конический клапан 2 начинает отходить от седла 1, обеспечивая сброс части рабочей жидкости в бак. Степень открытия клапана увеличивается с увеличением давления на его входе. Когда величина давления в напорной линии насоса упадет ниже номинального значения срабаты- вания клапана, он закрывается. Характеристика с бъемного насоса с установленным параллельно предохранительным клапаном, показа- на на рис. 3.20. Рис. 3.20. Характеристика объемного насоса с предохранительным клапаном При давлении насоса рн< ро, предохранительный клапан закрыт и характеристика насоса с клапаном совпа- дает с характеристикой собственно насоса. При давлениях рн> ро часть подачи переливается через клапан, ха- рактеристика резко «заваливается» вниз (эту часть характеристики приблизительно можно представить тоже в виде прямой линии). При достижении давления полного открытия предохранительного клапанарп 0, вся подача насоса через клапан поступает в бак. Очевидно, что такой способ регулирования подачи неэкономичен, по- скольку часть мощности, развиваемой насосом (а в точке рп о вся мощность), теряется в клапане. Почти такую же по виду характеристику имеют насосы с регулируемой подачей (рис. 3.21). Рис. 3.21. Характеристика объемного насоса с регулируемой по давлению подачей С точки зрения расхода энергии, такой способ регулирования подачи является более экономичным. Если потребитель не расходует жидкость, то давление на выходе насоса возрастает, рабочий объем насоса умень- шается, что сопровождается уменьшением подачи вплоть до полного ее прекращения. При этом потребляе- мая насосом мощность становится минимально возможной. 64
3.3. Насосы 3.3.7. Регулирующие устройства Нерегулируемые насосы широко применяются в насосных станциях гидроприводов малой и средней мощ- ности. Однако, значительные потери энергии при режимах работы, когда подача насоса превышает нужды по- требителя, делают экономически невыгодным их использование в гидроприводах высокой мощности. Задачи энергосбережения успешно решаются путем использования регулируемых насосов, снабженных различного рода регуляторами: давления, расхода и мощности. Регулятор давления. Регулятор давления определяет максимальное значение давления в гидросисте- ме. В качестве примера рассмотрим принцип регулирования давления в гидросистеме посредством регули- руемого пластинчатого насоса непрямого управления с регулятором давления (рис. 3.22). Рис. 3.22. Регулируемый пластинчатый насос непрямого управления с регулятором давления В данной конструкции перемещение статора насоса осуществляется двумя, находящимися под давлени- ем, установочными поршнями разного диаметра (отношение площадей 2:1). Установочный поршень 5 подпру- жинен, благодаря чему устанавливается максимальный эксцентриситет при запуске насоса. Давление в на- порной линии постоянно воздействует на поршень меньшего диаметра 6, а в пружинную полость поршня большего диаметра 5 — передается через регулятор давления 1, настройка которого определяет максималь- ное давление в гидросистеме. Регулятор давления состоит из регулирующего золотника 2, имеющего одно продольное и два радиаль- ных сверления, настроечной пружины 3 и регулировочного винта 4. В исходном состоянии под действием пру- жины 3 золотник 2 находится в левом положении, а рабочая жидкость подступает в камеру установочного поршня 5 через сверления в золотнике. Сливная линия Т перекрыта буртиком золотника 2. Пока усилие, соз- даваемое давлением жидкости на левый торец золотника 2 меньше усилия пружины 3, давления в камерах ус- тановочных поршней 5 и 6 равны, насос обеспечивает максимальную подачу. При увеличении давления в гидросистеме золотник 2, сжимая пружину 3, смещается вправо, камера ус- тановочного поршня 5 соединяется со сливом Т, и давление в ней падает. Поскольку малый установочный поршень 6 постоянно соединен с напорной линией, он смещает статор насоса практически в концентричное ротору положение. Подача насоса стремится к нулю, а рабочее давление в гидросистеме поддерживается на заданном уровне. Таким образом, потери мощности в гидросистеме при достижении максимального уста- новленного давления незначительны, нагрев рабочей жидкости невелик, а энергопотребление — мини- мально. 65
3. Энергообеспечивающая подсистема Регулятор расхода. Регулятор расхода автоматически поддерживает подачу насоса на заранее задан- ном уровне, для чего в линии нагнетания устанавливают регулируемый дроссель, перепад давления на кото- ром и является параметром регулирования (рис. 3.23). ДавлениеРу, равное давлению перед дросселем 1, одновременно действует на левый установочный пор- шень 6 насоса и левый торец золотника 2 регулятора. Давление в гидросистеме д2, равное давлению за дрос- селем 1, через канал, связанный с пружинной полостью 4 регулятора, воздействует на правый торец золотни- ка 2. Посколькур2<Ру золотник 2, сжимая пружину регулятора, смещается вправо, и через кромку 3 золотника 2 часть жидкости уходит в канал слива Т, вследствие чего на установочный поршень 5 насоса действует мень- шее давление, чем на поршень 6. Это приводит к смещению статора насоса, т.е. к установке подачи, обеспе- чивающей перепад давления А р на дросселе 1. На установочных поршнях насоса 5 и 6, а также и на золотнике 2 регулятора, устанавливается равновесие сил. Изменение давления в гидросистемер2 (например, вследствие изменения нагрузки) будет вызывать такое изменение давления ру, что перепад давления Др на дросселе 1, величина которого определяется настройкой пружины регулятора, будет оставаться постоянным, т.е. при неизменном проходном сечении дросселя 1, рас- ход жидкости через него останется постоянным. Если увеличить проходное сечение дросселя 1, то перепад давления на нем уменьшится, и золотник 2 ре- гулятора сместится влево, уменьшив поток части рабочей жидкости в канал Т. Давление в пружинной полости установочного поршня 5 возрастет, что приведет к смещению статора и увеличению подачи насоса. Вследст- вие увеличения потока в напорной линии перепад давления на дросселе начнет возрастать до момента уста- новки нового стабильного состояния насоса и золотника регулятора. Таким образом, посредством настройки регулируемого дросселя 1 можно устанавливать требуемую, не зависящую от давления в системе, подачу насоса. Рассмотренные регуляторы давления и расхода могут иметь различные настроечные механизмы: механи- ческие, гидравлические и электрические. Комбинация из регуляторов давления и расхода позволяет созда- вать особо экономичные, так называемые Load-sensing (чувствительные к нагрузке), гидроприводы. 66
3.3. Насосы Регулятор мощности. Регулятор мощности представляет собой механизм, который автоматически изме- няет величину подачи Q в зависимости от величины давленияр на выходе насоса таким образом, что произве- дение подачи и давления, определяющее мощность насоса Р, остается все время постоянным. На базе описанных регуляторов выполняются различные модификации, в том числе и комбинированные, когда, например, насос с регулятором мощности после достижения максимального давления ртах переходит в режим работы с регулятором давления, поддерживая значение ртах постоянным. Предметом отдельного рассмотрения являются механизмы управления, осуществляющие изменение по- дачи насосов по сигналам, формируемым электронными устройствами регулирования, и известными как ме- ханизмы с электрическим пропорциональным управлением. Тип регулятора определяет вид статической характеристики насоса, по которой и осуществляется его вы- бор для конкретного привода. Примеры статических характеристик регулируемых насосов с соответствующи- ми регуляторами приведены на рис. 3.25. Рис. 3.25. Примеры статических характеристик регулируемых насосов 67
3. Энергообеспечивающая подсистема 3.4. Гидроаккумуляторы Гидроаккумуляторы — устройства, основное назначение которых накопление (аккумулирование) находя- щейся под давлением рабочей жидкости и последующая отдача ее потребителю. Применение гидроаккумуля- торов вызвано необходимостью обеспечения нормального функционирования гидравлических систем: для компенсации потерь рабочей жидкости вследствие утечек в гидроприводе; для сглаживания пульсаций подачи насоса (рис. 3.26); для обеспечения работы в аварийных ситуациях (например, при выходе из строя насосной установки); для гашения опасных увеличений давления, например при гидравлическом ударе, т.е. для так называе- мого демпфирования (сглаживания) колебаний давления в гидросистеме. Рис. 3.26. Применение гидроаккумулятора для сглаживания пульсаций подачи насоса Гидроаккумулятор представляет собой емкость, в которой под давлением находится жидкость. Это давле- ние может создаваться различными способами: с помощью груза (рис. 3.27, а), сжатой пружины (рис. 3.27, б), сжатого газа (рис. 3.27, в, г, д). Грузовые гидроаккумуляторы обычно используются в стационарных установках большой мощности, рабо- тающих на воде или водных эмульсиях. В силу конструктивных особенностей такие гидроаккумуляторы уста- навливают только вертикально. 68
3.4. Гидроаккумуляторы Пружинные гидроаккумуляторы находят применение для работы при сравнительно небольших расходах жидкости, невысоких давлениях (до 2 МПа) и низких температурах окружающей среды,. В настоящее время пружинные и грузовые гидроаккумуляторы используются только в специальных случа- ях и в промышленности практически не применяются. Гидропневматический аккумулятор (рис. 3.27, в, г, д) в общем случае представляет собой сосуд, наполнен- ный сжатым газом и подсоединенный к напорной линии гидропривода. Под действием давления в гидролинии жидкость частично заполняет сосуд, при этом занимаемый газом объем уменьшается, а давление газа воз- растает. Давление газа будет возрастать до тех пор, пока оно не уравновесится давлением рабочей жидкости в напорной линии. Непосредственный контакт газа с жидкостью нежелателен, поскольку газ будет растворяться в жидкости и окислять ее. Поэтому между жидкостью и сжатым газом в гидроаккумуляторах располагают разделитель: пор- шень (рис. 3.27, в), эластичный баллон (рис. 3.27, г) или мембрану (рис. 3.27, д). В зависимости от конструкции раз- делителя аккумуляторы и называют соответственно поршневыми, баллонными или мембранными. Поршневые гидроаккумуляторы обычно применяют в машинах с большими расходами рабочей жидкости. Пространственное положение аккумуляторов может быть любым, однако вертикальная установка является предпочтительной. В современных гидравлических приводах чаще всего используются гидропневматические аккумуляторы с эластичным баллоном (рис. 3.28). В них используется энергия сжатого газа, обычно, азота (N2), реже — гелия (Не). Рис. 3.28. Гидроаккумулятор с эластичной камерой В корпусе 2 гидроаккумулятора находится разделитель в виде эластичного баллона 3. Для приведения ак- кумулятора в рабочее состояние, его предварительно заряжают газом (рекомендуемое давление зарядки обычно составляет 90 % минимально допустимого давления в гидросистеме). При этом эластичный баллон 3 полностью заполняет внутреннее пространство корпуса 2, закрывая тарельчатый клапан 4. Тарельчатый кла- пан препятствует экструзии (выходу наружу) баллона и предохраняет его от механических повреждений (рис. 3.28, а). Аккумулятор заряжают газом до давления зарядки р0 и объема Fo (исходного рабочего состояния) произ- водится от внешнего источника через газовый клапан 1. При увеличении давления в гидросистеме до величины рь большей чем р0, жидкость начинает перетекать через подводящий канал 5 и тарельчатый клапан 4 в полость аккумулятора, и сжимать газ в эластичном бал- лоне 3 (рис. 3.28, б). 69
3. Энергообеспечивающая подсистема Данный процесс может продолжаться до достижения значения давления в баллоне р2 (максимального ра- бочего давления в подсоединенной гидролинии) и объема V2 (рис. 3.28, в). Изменение объема жидкости в ак- кумуляторе при минимальном и максимальном значениях рабочих давлений соответствует вытесняемому (полезному) рабочему объему аккумулятора. При снижении давления в гидросистеме газ в эластичном баллоне начинает расширяться и вытеснять жидкость в гидросистему. Давление газа и, следовательно, давление жидкости в гидроаккумуляторе, изменя- ется в соответствии с уравнением pk,!=const. При медленном изменении давления в гидросистеме процесс сжатия газа близок к изотермическому (и=1), когда осуществляется полный теплообмен с окружающей средой. Когда изменение объема газа происходит очень быстро, без теплообмена с окружающей средой, говорят об адиабатическом процессе изменения со- стояния газа («=1,4). На практике работа аккумулятора сопровождается политропным изменением состояния газа (1<п<1,4)- Мембранные гидроаккумуляторы используются в системах с малыми расходами, например, для уменьше- ния уровня вибрации и снижения пульсаций в гидролиниях. Пространственное положение мембранных и бал- лонных аккумуляторов может быть любым. Обычно в гидросистеме аккумуляторы используются вместе с блоком управления, посредством которого осуществляется подключение-отключение аккумулятора, настройка и визуализация величины давления ра- бочей жидкости в нем (рис. 3.29). Рис. 3.29. Блок управления гидроаккумулятором Для расчетов гидроаккумуляторов необходимо знать следующие параметры: До — давление зарядки гидроаккумулятора; д-i — минимальное рабочее давление; д2 — максимальное рабочее давление; Ко — эффективный объем газа; ш Vi — объем газа при минимальном давлении; У2 — объем газа при максимальном давлении; Дг/До — максимально допустимое отношение давлений; Vi-V2 — полезный объем гидроаккумулятора. Выбор параметров гидроаккумуляторов производится расчетным путем на основании решения уравнения состояния газа для случаев, когда между газом, камерой и жидкостью происходит тот или иной процесс тепло- обмена. 70
3.5. Дополнительное оборудование 3.5. Дополнительное оборудование К дополнительному оборудованию гидравлических установок относятся устройства, с помощью кото- рых обеспечивается должное качество рабочей жидкости, контроль за давлением и расходом жидкости. Такими устройствами являются: гидробаки, фильтры, теплообменники и пр. 3.5.1. Гидробаки Гидробаки предназначены для создания резерва рабочей жидкости, который должен быть не менее всего объема жидкости в гидросистеме. Номинальные вместимости баков регламентированы ГОСТ 12448-80. Поскольку в процессе работы гидросистем могут происходить утечки жидкости, баки проектируют с запа- сом по вместимости. Запас по объему в баке необходим и для того, чтобы рабочая жидкость после прохожде- ния через аппараты гидросистемы и возвращения (слива) в бак отстаивалась и охлаждалась. Если в гидросистеме применяется минеральное масло, то минимальный объем бака должен быть равным объемному количеству жидкости, которое насос перекачивает за 2...4 мин. При работе на других жидкостях минимальный объем бака должен быть не менее 5-8 подач насоса за 1 мин. Гидробак, как правило, используется и как основание (каркас), на котором крепится большинство из эле- ментов энергообеспечивающей подсистемы. Поэтому баки выполняют достаточно прочными, чаще всего пря- моугольного сечения, сварными из стальных листов. Обычно баки делают со съемной верхней крышкой, в ко- торой выполнены различные технологические отверстия для присоединения и установки насоса с приводным двигателем, а также вспомогательных устройств (рис. 3.30). Гидробак 1 разделен успокоительной перегородкой 9 на всасывающую 8 и сливную 2 полости. Из полости всасывания 8 через всасывающий патрубок 6 насосной установкой жидкость подается в гидросистему, запол- нив которую, она возвращается в бак — в сливную полость 2 через сливной патрубок 4. Диаметр всасывающего патрубка 6 равен или больше условного прохода всасывающего отверстия насо- са. Сливной патрубок 4 погружен в масло, имеет скос под углом 45° и расположен от дна бака на расстоянии не меньшем, чем 2,5 наружного диаметра. В процессе отстоя жидкости в баке, на его дне оседают различного рода загрязнители (твердые частицы — продукты износа деталей элементов гидросистемы, загустевшая грязь и др.). Для их сбора и последующего 71
3. Энергообеспечивающая подсистема удаления днище бака рекомендуется делать с наклоном (в цилиндрических баках днище делают конусообраз- ной формы), что способствует скоплению загрязнителей в самой глубокой части бака. На боковых стенках бака располагают маслоуказатели 3, люк 7 для чистки бака, а ближе ко дну — отвер- стие, закрытое резьбовой спускной пробкой 11, предназначенное для слива жидкости при ее замене или пе- ред промывкой бака. Для облегчения слива масла и увеличения поверхности охлаждения дно бака располага- ют на расстоянии не менее 100 мм от пола. В отверстие для заливки рабочей жидкости в бак устанавливают заливной фильтр 10, а пробкой зачастую служит воздушный фильтр — сапун 5, который предназначен для сообщения внутренней полости бака с окру- жающей средой. 3.5.2. Фильтры Фильтры предназначены для понижения загрязненности рабочей жидкости до приемлемого уровня и за- щиты элементов гидросистемы от преждевременного износа. Производственный опыт показывает, что за счет качественной очистки рабочих жидкостей срок исправной работы гидрооборудования может быть увели- чен в 2-3 раза. Загрязненность рабочей жидкости оценивается классами чистоты, установленными ГОСТ 17216-2001 и определяемыми как количество загрязняющих частиц оговоренных размеров в 100 мл жидкости (см. приложе- ние П1.7). Эти частицы разделены по размерам в микронах (мкм) на следующие группы: 0.5...1; 1...2; 2...5; 5...10; 10...25; 25...50; 50...100; 100...200 и волокна, длина которых более 200 мкм. Частицы очень малых размеров (первых двух групп) не оказывают заметного влияния на работу гидросис- тем, поэтому их можно не принимать во внимание. Частицы следующих двух групп уже заметно влияют на из- нос деталей и долговечность систем, в первую очередь на те ее элементы, у которых зазоры в парах трения соизмеримы с размером загрязняющих частиц. К ним относятся гидравлические аппараты золотникового типа и аксиально-поршневые насосы высокого давления с торцевым распределительным диском. Частицы размером 10...50 мкм являются наиболее опасными для гидросистем так как к ним чувствитель- ны практически все виды гидрооборудования. Частицы более крупных размеров опасны тем, что, разрушаясь продуцируют большое число частиц меньших размеров. Основные источники загрязнителей гидросистем показаны на рис. 3.31. Рис 3 31. Источники загрязненности рабочей жидкости Степень проникновения внешних загрязнителей 1 в систему зависит от состояния окружающей среды, конструкции гидросистемы и ее компонентов. Загрязнители могут попасть в систему при монтаже 2 и проведе- 72
3.5. Дополнительное оборудование нии ремонтных работ 6 (уплотнительные материалы, сварочные брызги, окалина, шлифовальная пыль), а также при пуске 3 системы. Причиной попадания загрязнителей может оказаться заливка нового масла 7, а также за- грязнения, попавшие в аппараты при их изготовлении 4 (стружка, пыль, частицы краски, вода или консерван- ты). К внутренним загрязнителям относят продукты износа гидроаппаратов 5. Полностью исключить присутствие загрязняющих частиц в рабочей жидкости практически невозможно, однако, необходимо ограничить их число и размеры с помощью различных методов очистки и фильтрации. Практика показывает, что до 80 % отказов в работе гидросистем возникает вследствие несоответствия ра- бочей жидкости условиям нормальной эксплуатации. Высокое качество рабочей жидкости является необходимым условием надежного функционирования гид- росистемы любой машины. В общем случае очистка рабочих жидкостей от твердых загрязняющих веществ осуществляется двумя ме- тодами: силовым и механическим. При силовом методе очистки жидкость подвергается воздействию силового поля — магнитного, электрического, гравитационного, центробежного. Такой метод очистки является весьма дорогим и сложным. В гидроприводах используется, главным образом, механический метод очистки, при котором жидкость пропускается через сетчатые или пористые материалы фильтрующих элементов. В зависимости от конструк- ции фильтроэлемента фильтры бывают глубинные и поверхностные. Глубинные фильтры представляют собой устройства, в которых очистка рабочей жидкости происходит при ее прохождении через толщу пористого материала из спрессованного или многослойного текстиля, цел- люлозы, металла, синтетики, стекловолокна и др. Глубинные фильтры очищают рабочую жидкость от частиц достаточно малого размера, менее 0,01 мм (10 мкм). Их называют фильтрами тонкой очистки и устанавливают в гидросистемах на участках гидроли- ний, где жидкость обладает достаточно высокой энергией давления, например на напорном участке (рис. 3.32, а). Рабочая жидкость через входной канал в головке фильтра 1 поступает в стакан корпуса 2, где размещает- ся цилиндрический фильтроэлемент 3 из по ристого материала. Под действием давления (на входе в фильтр) жидкость через поры фильтроэлемента попадает во внутренний канал фильтра и далее в линию выхода. Час- 73
3. Энергообеспечивающая подсистема тицы примеси остаются в порах фильтроэлемента. Вместо пробки 4 в головку фильтра может быть вмонтиро- ван индикатор загрязненности. В поверхностных фильтрах в качестве фильтровального материала используются различные проволоч- ные ткани, которые выполняются, как правило, из нержавеющей или оцинкованной стали, фосфористой брон- зы в виде тканевого кружева, щелевой трубки. Поверхностные фильтры очищают рабочую жидкость лишь от частиц достаточно крупного размера, так называемых грубых частиц, размером более 0,1 мм (100 мкм)*. По- этому их часто называют фильтрами грубой очистки В гидросистемах их устанавливают на участках гидроли- ний, где рабочая жидкость обладает малой энергией давления, например на линии всасывания или в сливном трубопроводе. На рис. 3,32, б показан сливной фильтр. С помощью крепежного фланца 9 фильтр устанавливается непо- средственно на крышке бака, а корпус 7 располагается непосредственно в баке. Достоинством такого конст- руктивного решения является простота ухода за фильтром в процессе его эксплуатации. Сняв крышку 5, мож- но легко извлечь фильтроэлемент 6, а также жестко связанный с ним стакан 8, что позволяет избежать вытека- ния накопившихся осадков в бак с рабочей жидкостью. Таким образом, конструктивное-исполнение фильтра во многом определяется его функциональным на- значением, типом фильтроэлемента, рабочим давлением в гидросистеме, способом его промывки и восста- новления (регенерации). При выборе типа фильтра учитывают расход жидкости, требуемую тонкость фильтрации, давление и ме- сто установки фильтра. Установка фильтров в гидросистеме может осуществляться по двум схемам: последо- вательно (рис. 3.33, а, б, в), когда через фильтр проходит весь поток жидкости и параллельно (рис. 3.33, г), при которой фильтрации подвергается только часть потока. Для фильтра, включенного во всасывающую гидролинию (см. рис. 3.33, а) характерна работа при низком давлении рабочей жидкости. По мере загрязнения фильтра увеличивается перепад давления на нем, что мо- жет привести к появлению кавитации на входе насоса, поэтому их тонкость фильтрации обычно составляет 80. 160 мкм (грубая очистка). Фильтр, установленный в напорной линии (см, рис. 3.33, б), работает при высоком давлении рабочей жид- кости, поэтому для обеспечения требуемой прочности толщина стенок корпуса таких фильтров увеличена. Повышение металлоемкости фильтра влечет за собой и увеличение его стоимости. * В авиационных фильтрах применяются проволочные ткани, способные задерживать частицы размером 16 мкм. 74
3.5. Дополнительное оборудование Установка фильтров в линии слива (см. рис. 3.33, в), хотя и не предохраняет гидравлические аппараты от загрязняющих частиц, имеет значительные преимущества. Во-первых, фильтр не препятствует всасыванию жидкости насосом; во-вторых, не подвержен большому давлению и при этом защищает жидкость, находящую- ся в баке, от попадания в нее продуктов износа гидроагрегатов. Недостатком установки фильтра в линии сли- ва является то, что при его засорении в сливной линии появляется подпор. Преимуществом установки фильтров в линии рециркуляции (рис. 3.33, г) является их автономное функ- ционирование независимо от цикла работы гидросистемы. Поток жидкости через фильтроэлемент всегда по- стоянен, что замедляет процесс старения рабочей жидкости и увеличивает ее долговечность. Поскольку фильтр эффективно защищает элемент гидросистемы, установленный непосредственно после него (остальные элементы защищены частично), схемы фильтрации обычно содержат комбинацию фильт- ров, устанавливаемых на разных линиях гидросистемы. В общем случае, в зависимости от размера задерживаемых фильтром частиц, различают фильтры: грубой очистки — более 0,1 мм (100 мкм); нормальной очистки — более 0,01 мм (10 мкм), тонкой очистки — более 0,005 мм (5 мкм); особо тонкой очистки — более 0,001 мм (1 мкм) Фильтрация считается удовлетворительной, если размер каппилярных каналов фильтровального мате- риала не превышает величины наименьшего зазора в скользящих парах гидроаппаратов. Этим требованиям в общем случае эксплуатации гидроприводов удовлетворяют фильтры тонкой очистки. Высококачественные фильтры должны иметь следующие характеристики: высокую устойчивость к перепаду давлений; постоянство эффективности фильтрования в широком диапазоне перепадов давления; подходящую тонкость фильтрации для всех классов чистоты; хорошую грязеемкость, большую площадь фильтрующей поверхности; длительный срок службы Условные графические обозначения фильтров отличаются от общего обозначения (рис. 3.34, а) в зависи- мости от конструктивного исполнения. Для своевременной замены или очистки фильтроэлемента фильтры снабжают оптическими (рис. 3.34, б) или электрическими (рис. 3.34, г) индикаторами загрязненности, реагирующими на перепад давления на фильтре. По мере засорения фильтра перепад давления на нем растет и когда его значение достигает порого- вого, информация об этом либо визуализируется, либо поступает в систему управления Для того, чтобы при загрязнении фильтроэлемента или пуске установки в холодном состоянии не возника- ло перебоев в работе системы, фильтроэлементы нередко снабжают перепускными клапанами (рис. 3.34, в), которые позволяют протекать части рабочей жидкости в обход фильтра. Установка фильтров с перепускными клапанами недопустима на ответственных линиях гидросистемы, поскольку при засорении фильтроэлемента неочищенная жидкость начнет поступать в гидросистему, минуя фильтр. 75
3. Энергообеспечивающая подсистема 3.5.3. Теплообменные аппараты Потери мощности в гидроприводах, вызванные наличием гидравлических сопротивлений, объемных и гидромеханических потерь, превращаются в теплоту, которая аккумулируется в жидкости и гидрооборудова- нии. При повышении температуры рабочей жидкости объемные потери увеличиваются, нарушаются условия смазки движущихся деталей гидрооборудования, повышается износ деталей, активизируется окисление ра- бочей жидкости и выделение из нее смолистых осадков, ускоряющих облитерацию проходных капиллярных каналов и дроссельных щелей. Для предупреждения чрезмерного нагрева рабочей жидкости из-за неизбеж- ных потерь энергии во время работы гидросистем применяют специальные теплообменные аппараты — воз- душные и водяные маслоохладители, а в гидросистемах большой мощности источниками холода являются специальные хладоновые холодильные машины. Поскольку именно температура рабочей жидкости существенно влияет на коэффициент полезного дейст- вия гидросистемы, теплообменные аппараты, отбирая теплоту у рабочей жидкости, поддерживают ее посто- янную нормальную температуру диапазоне +50...+60 °C. Естественными теплообменниками являются собственно гидробаки и гидроаппараты, через стенки корпу- сов которых происходит естественный теплообмен с окружающей средой. Однако для обеспечения строго нормированного теплового режима применяются специальные теплообменные аппараты. Водяные теплообменные аппараты. Эффективность работы теплообменных аппаратов возрастает при увеличении разности температур между маслом и охлаждающей средой, поэтому водяные теплообменные аппараты (рис. 3.35) имеют большую рассеивающую способность, чем воздушные. Рис. 3.35. Теплообменный аппарат с водяным охлаждением Рабочая жидкость из гидросистемы (от входа Ат до выхода Вт) проходит через змеевик, охлаждаемый во- дой или другой охлаждающей жидкостью (ее вход А2 и выход В2), и поступает снова в гидросистему. Трубки змеевика обычно выполняются из меди или латуни, реже — из алюминия или стали. Недостатком водяных теплообменных аппаратов является большой расход воды, необходимой для его функционирования, а также вероятность попадания воды в масло. Водяные теплообменные аппараты способны рассеивать мощность от 0,7 до 500 кВт, отличаются ком- пактностью, их можно встраивать в баки и оснащать термостатическими клапанами, регулирующими поток ох- лаждающей воды. 76
3.5. Дополнительное оборудование Воздушные теплообменные аппараты. В гидросистемах малой мощности для охлаждения масла ис- пользуется воздух, нагнетаемый вентилятором. Теплорассеивающая способность зависит от разности темпе- ратур рабочей жидкости на входе в теплообменный аппарат и окружающего воздуха, а также от величин пото- ков жидкости и воздуха. Воздушные теплообменные аппараты (рис. 3.36) состоят из масляного радиатора 4, обдуваемого вентиля- тором 1 с приводным двигателем 2. Предохранительный клапан 3 защищает радиатор от перегрузки, перепус- кая часть масла в обход радиатора при перепаде давления более 0,2 МПа. Рис. 3.36. Теплообменный аппарат с воздушным охлаждением В новейших воздушных теплообменных аппаратах давление рабочей жидкости увеличено до 1 ...2 МПа, приводом малошумного вентилятора является электродвигатель постоянного или переменного тока, возмож- но— гидромотор, теплорассеивающая способность превышает 100 кВт, широко применяются встроенные термостаты. При работе теплообменных аппаратов могут возникать неисправности, выражающиеся в снижении тепло- съема вследствие образования осадка на внутренних поверхностях труб, а также — в смешивании охлаждаю- щей и охлаждаемой сред из-за негерметичности соединений либо нарушения целостности труб. В первом случае теплообменник необходимо промыть и прочистить, во втором — устранить причину негерметичности. Трубчатые электронагреватели. При очень низкой температуре увеличивается вязкость рабочей жидко- сти вследствие чего растут гидравлические потери, ухудшается всасывающая способность насосов. При очень низкой температуре увеличивается вязкость рабочей жидкости, вселедствие чего растут гидравлические поте- ри, ухудшается всасывающая сила насосов. Для подогрева рабочей жидкости (масла) при работе в условиях низких температур в зимнее время используют специальные нагревательные устройства — трубчатые электронагреваетели (ТЭНы). Для сохра- нения качества рабочей жидкости на основе минеральных масел необходимо следить, чтобы не проис- одило локального перегрева масла и его термического разложения вследствие длительного контакта с нагревательным элементом, имеющим высокую температуру. Поэтому, при включении электроподогревате- лей должна быть обеспечена интенсивная циркуляция масла, создаваемая специальными вспомогательны- ми насосами, способными работать даже при низких температурах. Не следует включать в работу поршневые и пластинчатые насосы основной гидросистемы до нагрева масла. 77
4. Исполнительная подсистема Широкое применение гидроприводов в различных областях промышленного производства в первую очередь связано с поистине уникальными возможностями гидравлических исполнительных механиз- мов — устройств, в которых происходит преобразование гидравлической энергии в механическую ра- боту. Являясь связующим звеном между гидросистемой и рабочей машиной, обладая высокой энергона- сыщенностью, гидравлические исполнительные механизмы позволяют осуществлять линейное, пово- ротное или вращательное движение ведомых рабочих органов технологического оборудования без использования каких-либо передаточных устройств. При этом задачи бесступенчатого регулирова- ния скорости в широких пределах, торможения и защиты машины от перегрузки решаются относительно просто. Многообразие производственных задач, решаемых посредством гидравлических исполнительных меха- низмов, реализуется благодаря достаточно обширной гамме конструктивных решений этих машин. При выбо- ре конкретного исполнения принимают по внимание целый ряд критериев: вид движения — вращательное, поворотное или линейное; направление движения — реверсивное или нереверсивное; развиваемая скорость вращения (угловая) или перемещения (линейная); создаваемый момент или усилие; эргономические показатели. По реализуемому виду движения различают три основных типа исполнительных механизмов: линейные гидродвигатели — гидравлические цилиндры; поворотные гидродвигатели; гидродвигатели вращательного действия — гидромоторы. 4.1. Гидроцилиндры Гидроцилиндры используют для создания определенного усилия при осуществлении прямолинейных воз- вратно-поступательных движений. Основными параметрами, характеризующими силовые возможности гидроцилиндров, являются: диаметр поршня Z)n; диаметр штрка </шт; номинальное давление ртм. Основные параметры гидроцилиндров регламентирует ГОСТ 6540-68 «Гидроцилиндры и пневмоцилинд- ры. Ряды основных параметров»: диаметры поршня D„ (мм): 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250;320; 400; 500; 630; 800; (в исключительных случаях разрешаются дополнительные значения — 36; 45; 56; 70; 90; 110; 140; 180; 220; 280; 360; 450; 560; 710; 900); диаметры штока г/шт (мм). 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 25, 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; (в исключительных случаях разрешаются дополнительные значения — 14; 18; 22; 36; 45; 56, 70; 90, 110; 140; 180; 220; 280, 360; 450; 560; 710; 900); номинальные давления дном (МПа): 2,5; 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63. По принципу действия все гидроцилиндры разделяют на две группы: цилиндры одностороннего действия; цилиндры двустороннего действия. В зависимости от конструктивного исполнения рабочего органа различают плунжерные, поршневые и те- лескопические гидравлические цилиндры. 78
4.1. Гидроцилиндры 4 .1.1. Плунжерные гидроцилиндры Плунжерные гидроцилиндры (рис. 4.1) по принципу действия относят к цилиндрам одностороннего действия и используют, когда действие нагрузки обеспечивает гарантированный возврат выходного звена в исходное по- ложение, например, в гидравлических подъемниках и домкратах, в подъемных платформах, прессах с нижним расположением поршня и т.п. Плунжерный гидроцилиндр состоит из гильзы 1, передней проходной крышки 4, в которой расположены: опора скольжения 3, служащая направляющей для плунжера 2, уплотнительная манжета 5 и грязесъемное кольцо 6. При подаче рабочего давления в полость гидроцилиндра плунжер начинает выдвигаться. Обратное дви- жение возможно под действием силы веса самого плунжера (при вертикальном монтаже) или под воздействи- ем приложенной внешней нагрузки. Если пренебречь силами трения в самом цилиндре и в ведомом механизме, то максимально возможное развиваемое усилие будет равно F=pA, где F— развиваемое усилие, Н; р — максимально допустимое давление, Па; А — площадь поперечного сечения плунжера, м2. 4 .1.2. Поршневые гидроцилиндры Благодаря простоте конструкции и высокой надежности наиболее широкое применение в гидравлических приводах получили поршневые гидроцилиндры. Поршневые гидроцилиндры подразделяют по следующим признакам: по принципу действия — одностороннего (рис. 4.2, а, б) и двустороннего (рис. 4-2, в, г) действия; по числу штоков — с односторонним (рис. 4.2, в) и двусторонним (проходным) штоком (рис. 4.2, г). Поршневые гидроцилиндры одностороннего действия выполняют с пружинным возвратом (рис. 4.2, б) или без него (рис. 4.2, а). 79
4. Исполнительная подсистема Гидроцилиндры с пружинным возвратом. Гидроцилиндры с пружинным возвратом в исходное положе- ние применяют в тех случаях, когда отсутствуют внешние силы для возврата выходного звена в исходное по- ложение. В зависимости от конструктивного исполнения, подобные гидроцилиндры работают на выдвижение (рис. 4.3, а, б) или на втягивание (рис. 4.3, в, г) штока. Возвратные пружины могут быть установлены как внутри гидроцилиндра (рис. 4.3, а, в), так и снаружи (рис. 4.3, б, г). Поскольку использование возвратных пружин в та- ких конструкциях, приводит к ограничению величин рабочих ходов, такие гидроцилиндры преимущественно применяют в различного рода зажимных механизмах. а б Jj < I Jj 11 в г Рис. 4.3. Гидроцилиндры одностороннего действия с пружинным возвратом Гидроцилиндры двустороннего действия. Гидроцилиндры двустороннего действия применяют в слу- чаях, когда требуется совершать полезную работу, как при прямом, так и при обратном ходе выходного звена, например при транспортировке, установке, механической обработке, подъеме-опускании и других технологи- ческих операциях. Выдвижение и втягивание штока в них осуществляются путем попеременной подачи жидко- сти под давлением в одну из рабочих полостей (поршневую или штоковую), в то время как другая соединена со сливной гидролинией (рис. 4.4). Очевидно, что перемещение штока в любом направлении является рабо- чим и может осуществляться под нагрузкой. Рис. 4.4. Гидроцилиндр двустороннего действия Для гидроцилиндров двустороннего действия с односторонним штоком, или как их принято называть — дифференциальных гидроцилиндров, важным параметром является отношение площадей поршня, со сторо- ны поршневой полости Ап и штоковой — Лпшт (Лп ШТ=ЛП - Лшт): Ф — *4п / -^П.ШТ. Отношение развиваемых цилиндром сил при выдвижении и втягивании прямо пропорционально отноше- нию площадей, а отношение скоростей выходного звена обратно пропорционально этому соотношению. Так в цилиндрах с <р = 2 скорость обратного хода поршня будет вдвое больше скорости прямого хода, У гидроцилиндров, с двусторонним штоком одинакового диаметра слева и справа от поршня, скорость поршня будет одинаковой при движении в обе стороны, 80
4.1. Гидроцилиндры Гидроцилиндры с демпфированием в конце хода. В ряде механических систем, например, металлооб- рабатывающих станках, гидроцилиндры используются для приведения в движение тяжелых узлов и механиз- мов причем зачастую эти перемещения совершаются с большими ускорениями. При этом в конце рабочего хода, когда поршень упирается в крышки цилиндра, появляется опасность возникновения критических напря- жений, приводящих к деформации крышек и корпуса цилиндра. Для гашения скорости и амортизации удара движущихся масс в конце хода в гидроцилиндрах используют специальные устройства — демпферы. В демпферах кинетическая энергия движущихся масс поглощается, т.е. необратимо преобразуется в дру- гие виды энергии и, прежде всего, в тепловую с последующим ее рассеиванием в окружающую среду. Потеря кинетической энергии в демферах обусловлена потерями давления на преодоление гидравлических сопро- тивлений. Конструкция гидроцилиндра двустороннего действия с регулируемым торможением в конце хода пред- ставлена на рис. 4.5. При втягивании штока цилиндра (обратный ход) рабочая жидкость под давлением подается в штоковую полость, а из поршневой полости свободно поступает в сливную линию через цилиндрическую расточку 5 в задней крышке 2. Перед тем как поршень 4 упрется в крышку 2, демфирующая втулка 3, входит в расточку 5 и запирает некоторый объем вытекающей из поршневой полости жидкости между поршнем 4 и крышкой 2. Вы- давливание жидкости из данного объема на слив теперь может осуществляться только через дроссель 6. Дав- ление в поршневой полости при дальнейшем движении поршня 4 будет возрастать, что приведет к снижению скорости его движения и обеспечит безударный приход на крышку 2 Чем меньше проходное сечение дроссе- лирующей щели, тем труднее жидкости вытекать из поршневой полости и, следовательно, тем больше будет сила торможения. Таким образом, с помощью дросселя 6 можно регулировать степень демпфирования. При прямом ходе поршня (выдвижение штока цилиндра) жидкость подается в поршневую полость через обратный клапан 1, минуя дроссель 6. Существуют конструкции гидроцилиндров с нерегулируемым демпфированием, в которых отсутствует дроссель 6. В них дросселирование жидкости осуществляется в цилиндрической щели, которая образуется между демпфирующей втулкой и расточкой в крышке. По мере движения поршня протяженность щели меня- ется, меняется и сила торможения. Спрофилированные специальным образом демпфирующие втулки позво- ляют осуществлять торможение цилиндров по заданным законам В зависимости от назначения гидропривода демпфирование в гидроцилиндре может осуществляться в обоих конечных положениях поршня. Гидроцилиндры с демпфированием в конце хода рекомендуется применять в тех случаях, когда скорость движения выходного звена превышает 0,1 м/с. 81
4. Исполнительная подсистема 4 .1.3. Телескопические гидроцилиндры Для обеспечения больших рабочих ходов при сохранении небольших продольных габаритов во втяну- том положении применяют телескопические гидроцилиндры. Отличительной особенностью таких конструк- ций является то, что в корпусе 1 цилиндра расположен не один поршень, а несколько (2-5), вставленных друг в друга (рис. 4.6). Таким образом, длина цилиндра в сжатом состоянии лишь немного больше длины од- ной из секций. Рис. 4.6. Телескопический гидроцилиндр одностороннего действия При подаче рабочей жидкости на вход цилиндра поршни выдвигаются последовательно. Поскольку дав- ление в цилиндре определяется величиной нагрузки и эффективной площадью поршней, первым начнет выдвигаться поршень 2, так как его площадь максимальна. Вместе с ним переместятся и вставленные в него поршни 3, 4, 5. При достижении поршнем 2 ограничителя хода, давление в цилиндре возрастет и выдвиже- ние начнет поршень 3 Процесс будет продолжаться до выдвижения последнего, самого малого по площади поршня 5. Нарастание давления в цилиндре по мере выдвижения поршней происходит вследствие того, что при неизменной нагрузке эффективная площадь поршней уменьшается. При постоянной подаче рабочей жидкости процесс выдвижения поршней сопровождается увеличением скорости движения каждого по- следующего поршня. Возврат поршней в исходное положение осуществляется в обратной последова- тельности. В телескопических цилиндрах двустороннего действия втягивание отдельных секций определяется соот- ношением эффективных площадей поршней и внешней нагрузки При этом первым возвращаться в исходное положение будет поршень с максимальной площадью. Развиваемое цилиндром усилие должно определяться по площади наименьшего поршня. Телескопические цилиндры применяют в гидравлических подъемниках, ка- чающихся площадках, грузовых автомобилях (самосвалах) и т.д. 82
4.1. Гидроцилиндры 4 .1.4. Крепление гидроцилиндров Различные условия нагружения гидроцилиндров обусловливают различные способы их крепления на техно- логическом оборудовании. Поскольку способ крепления оказывает существенное влияние на эксплуатационные показатели гидропривода и ведомого механизма, его необходимо выбирать таким образом, чтобы: на штоке не возникали радиальные нагрузки; шток не терял устойчивость в полностью выдвинутом положении. Производители гидроцилиндров выпускают различные элементы крепления, как для неподвижного, так и для подвижного способов монтажа (рис. 4.7). Рис. 4 7. Способы монтажа гидроцилиндров При неподвижном монтаже гидроцилиндров, кроме варианта непосредственного их крепления на обору- довании, применяют фланцы (рис. 4.18, а) и лапы (рис. 4.18, б) Для обеспечения подвижности цилиндра во время работы используют цапфы (рис. 4.18, в), поворотные оси или проушины со сферическим шарниром (рис. 4.18, г). Соединения штока с ведомым механизмом также выполняются различными способами (рис. 4.8). Непод- вижные соединения реализуются с помощью внутренней (рис 4 8, а) или внешней (рис. 4.8, б) резьбы на кон- це штока. Несовпадение траекторий движения конца штока и монтажного звена ведомого механизма приводит к появ- лению радиальных усилий на штоке и, следовательно, к ускоренному износу гильзы, поршня, штока, направ- ляющих втулок и уплотнений. Если при жестком способе крепления штока вследствие условий эксплуатации или особенностей конструктивного исполнения оборудования невозможно предотвратить возникновение ради- альных нагрузок на шток, необходимо применять подвижные переходные крепежные элементы — вилкообраз- ные головки (рис. 4.8, в) либо серьги (рис. 4.8, г) — наконечники со сферическим шарниром. От способа монтажа гидроцилиндра зависят предельно допустимые осевые сжимающие нагрузки на его шток. Несмотря на то, что напряжения в штоке от чистого сжатия невелики, при больших рабочих ходах воз- можна потеря устойчивости вследствие продольного изгиба. Устойчивость штока проверяется по обобщенной формуле Эйлера (см. приложение П1.9). 83
4. Исполнительная подсистема 4.2. Поворотные гидродвигатели Поворотные гидродвигатели применяют в случаях, когда необходимо повернуть ведомый объект вокруг некоторой оси на угол обычно не превышающий 360°. Благодаря им, кинематические цепи в машинах и меха- низмах могут быть полностью сокращены, либо значительно упрощены, В зависимости от способа создания момента на выходном валу, поворотные гидродвигатели подразделя- ют на пластинчатые (или лопастные), поршневые с реечной передачей, кривошипно-шатунные и поршневые с винтовым преобразованием. Поршневой поворотный гидродвигатель с реечной передачей (рис. 4.9). Этот гидродвигатель состо- ит из корпуса 10 с расположенным в нем выходным валом 8, шестерня 9 которого входит в зубчатое зацепле- ние с рейкой 4, соединяющей между собой два поршня 3 и 6. Поршни 3 и 6 расположены в гильзах 2 и 5 соот- ветственно, жестко связанных с корпусом 10. 8 9 10 Рис. 4.9. Поворотный гидродвигатель поршневого типа Под действием рабочей жидкости поршни совершают возвратно-поступательное движение, которое бла- годаря передаче шестерня-рейка, преобразуется во вращательное движение выходного вала 8. Регулировоч- ными винтами 1 и 7 устанавливают величину хода поршня и угол поворота шестерни. Величина крутящего момента выходного вала (вала шестерни) зависит от диаметров поршней и величины давления, а скорость поворота — от подачи жидкости. Пластинчатый поворотный гидродвигатель (рис. 4.10, а). Такой гидродвигатель создает крутящий мо- мент на выходном валу 2 за счет действия рабочей жидкости под давлением на радиально размещенную в ро- торе 3 пластину 1. Ротор 3 установлен в цилиндрической расточке 4 корпуса 5, угол его поворота определяет- ся размерами стопора 6. Рис. 4.10. Пластинчатые поворотные гидродвигатели 84
4.2. Поворотные гидродвигатели Для получения вдвое большего крутящего момента применяют так называемые четырехкамерные пла- стинчатые гидродвигатели (рис. 4.10, б). Ротор таких машин содержит две рабочие пластины и имеет два диа- метральных канала для подачи рабочей жидкости в камеры, не соединенные напрямую с входными отвер- стиями в корпусе. В таких конструкциях скорость вращения и угол поворота статора вдвое меньше, чем у дви- гателей с одной пластиной. Для уменьшения сил трения пластины, как правило, выполняют гидравлически разгруженными. Кривошипно-шатунный поворотный гидродвигатель (рис. 4.11). По своему конструктивному исполне- нию кривошипно-шатунный поворотный гидродвигатель похож на двигатель с реечной передачей. Шток, со- единяющий между собой поршни двигателя, через кривошипно-шатунный механизм передает крутящий мо- мент на выходной вал. Угол поворота таких двигателей не превышает 180°. Недостатком данной конструкции является то, что момент на выходном валу меняется в зависимости от угла поворота. Рис. 4.11. Кривошипно-шатунный поворотный гидродвигатель В мобильной технике часто применяются гидродвигатели с винтовым преобразованием осевого усилия на поршне в крутящий момент на выходном валу (рис. 4.12). Рис. 4.12. Поршневой гидродвигатель с винтовым преобразователем Поршень 4 через группу роликов 3 взаимодействует с разнонаправленными крупными резьбами большого шага выполненными на внутренней поверхности корпуса 2 и наружной поверхности вала 1, который установ- лен в корпусе на мощных радиально-упорных подшипниках 5. 85
4. Исполнительная подсистема 4.3. Гидромоторы В гидромоторах энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию вращательного движе- ния вала. По принципу действия большинство объемных роторных гидромоторов и гидронасосов являются обратимыми машинами, т.е. в качестве моторов и насосов могут применяться одни и те же агрегаты. Поэтому общие вопросы конструкций и работы гидронасосов, рассмотренные ранее, справедливы и для гидромото- ров. В качестве примера на рис. 4.13 приведен нерегулируемый аксиально-поршневый гидромотор с наклон- ным диском. Рис. 4.13. Аксиально-поршневой гидромотор с наклонным диском Как и насос гидромотор состоит из корпуса 1, внутри которого установлен ротор 4 с поршнями 7, наклонно- го диска 9 и выходного вала 2. Работа гидромотора осуществляется следующим образом. Рабочая жидкость из напорной линии Р, выполненной в задней крышке 5, поступает в рабочие камеры 6 ротора 4, расположен- ные по одну сторону от оси В-В. Усилие, создаваемое давлением жидкости на поршни 7, передается через толкатели 8 на наклонный диск 9. При этом на толкателях 8 возникают окружные усилия, заставляющие вращаться барабан 3, а вместе с ним ротор 4 и вал 2, так как они связаны с барабаном шпонками. Одновременно поршни, расположенные по дру- гую сторону от оси В-В, вдвигаются в цилиндры ротора. При этом жидкость вытесняется из рабочих камер в сливную линию S. Прижим ротора к наклонному диску осуществляется специальной пружиной, а также давле- нием жидкости, действующим на дно цилиндра рабочей камеры. Скорость вращения выходного вала определяется величиной подачи жидкости в напорной линии. На- правление вращения зависит от того, какое из отверстий Р или S соединено с напорной линией гидросис- темы. Подобно насосам гидромоторы подразделяют на группы: поршневые, шестеренные, винтовые, ротор- но-пластинчатые. Они также бывают нерегулируемые (т.е. с постоянным рабочим объемом) и регулируемые (с изменяемым рабочим объемом). Гидромоторы по развиваемому крутящему моменту бывают низкомоментные и высокомоментные (значе- ние крутящего момента более 2 000 Н м при угловой частоте вращения не более 100 мин-1). 86
5. Направляющая и регулирующая подсистема Управление энергией рабочей жидкости, поступающей от источника (от энергообеспечивающей подсисте- мы) к исполнительным механизмам, осуществляется устройствами, входящими в состав направляющей и ре- гулирующей подсистемы, которые обобщенно называют гидроаппаратами. Само название подсистемы отражает функциональное назначение аппаратов ее образующих: направлять в требуемые гидролинии поток рабочей жидкости и регулировать параметры этого потока в необходимых для нормального функционирования привода пределах. В соответствии с решаемыми задачами гидроаппараты данной подсистемы делят на две группы: направляющие и регулирующие. Направляющие гидроаппараты управляют пуском, остановом и направлением потока жидкости. Регулирующие гидроаппараты управляют расходом жидкости, ее давлением, или расходом и давлением одновременно. Классификация гидроаппаратов по функциональному признаку приведена на рис. 5.1. Гидроаппараты Направляющие Регулирующие Давление Напорные клапаны Редукционные клапаны Рис. 5.1. Классификация гидроаппаратов И в направляющих, и в регулирующих гидроаппаратах воздействие на поток рабочей жидкости осуществля- ется посредством подвижных запорно-регулирующих элементов (ЗРЭ). Назначение ЗРЭ состоит в изменении величины проходного сечения канала, через который движется рабочая жидкость. Управление перемещением ЗРЭ осуществляется либо за счет внешнего воздействия (оператором или управляющим сигналом), либо под действием самого потока жидкости, например, из-за изменения давления или расхода. В зависимости от назначения гидроаппарата, его проходное сечение может меняться дискретно (канал полностью закрыт — канал полностью открыт), или плавно, когда канал может приоткрываться на какую-то ве- личину. Дискретный режим работы характерен для направляющих аппаратов, а'в регулирующих ЗРЭ находит- ся в промежуточном положении, определяемом параметрами потока рабочей жидкости. По конструктивному исполнению ЗРЭ различают гидроаппараты клапанного, золотникового и кранового типов (рис. 5.2). В гидроаппаратах клапанного типа (рис. 5.2, а) ЗРЭ перемещается вдоль осевой линии потока. Достоинст- ва такого конструктивного решения очевидны: обеспечение полной герметичности при отсечении одной гид- ролинии от другой, пониженная чувствительность к воздействию загрязнителей, а также высокое быстродей- ствие. ЗРЭ может быть выполнен в виде шара, конуса, иглы или диска (тарелки). К недостаткам гидроаппаратов клапанного типа можно отнести следующее: требуется приложение значи- тельных усилий для перемещения ЗРЭ, что связано с необходимостью преодоления сил, возникающих от давления рабочей жидкости на последний, или сил сопротивления пружин, прижимающих ЗРЭ к седлу кла- пана. 87
5. Направляющая и регулирующая подсистема Иногда такую аппаратуру называют аппаратурой седельного типа. Рис. 5.2. Принцип действия гидроаппаратов клапанного (а), золотникового (б) и кранового (в) типов В гидроаппаратах золотникового типа (рис. 5.2, б) ЗРЭ перемещается перпендикулярно осевой линии по- тока рабочей жидкости. В подобных аппаратах усилие, обусловленное давлением рабочей жидкости на ЗРЭ, не приводит к какому-либо его смещению (золотник гидравлически разгружен*). Для перемещения ЗРЭ необ- ходимо преодолеть только силы трения между ним и корпусом, что является достоинством такого конструк- тивного решения. Недостатком гидроаппаратов золотникового типа является наличие гарантированного зазо- ра между золотником и расточкой корпуса, поскольку он является причиной появления утечек рабочей жидко- сти, а его засорение может привести к заклиниванию ЗРЭ. Запорно-регулирующий элемент гидроаппаратов кранового типа (рис. 5.2, в) может иметь форму цилинд- ра, сферы или конуса, которые проворачиваются вокруг своей оси под воздействием внешнего управляющего усилия, Гидроаппараты кранового типа не нашли широкого применения в гидроприводах. Для правильной коммутации аппаратов между собой во время монтажа гидросистем, их присоединитель- ные отверстия маркируют латинскими буквами (ГОСТ 24242-80): Назначение отверстия Обозначение Подвод рабочей жидкости под давлением (вход) Р Отвод рабочей жидкости в бак (слив) Т Подача рабочей жидкости к другим гидравлическим устройствам (выход) А, В Дренажный отвод жидкости L Подключение потоков управления X, Y К основным параметрам гидроаппаратов относятся: условный проход Dv—диаметр условного отверстия, площадь которого равна максимальному значению площади проходного сечения гидроаппарата; номинальное давление дном — наибольшее давление рабочей жидкости, при котором гидроаппарат дол- жен работать в течение установленного ресурса (срока службы) с сохранением своих параметров в пре- делах установленных норм; номинальный расход 0НОм — расход жидкости определенной вязкости, проходящей через аппарат, при котором он выполняет свое назначение с сохранением параметров в пределах установленных норм. * Без учета гидродинамических сил, действующих на кромках золотника при обтекании их потоком рабочей жидкости. 88
5.1. Направляющие гидроаппараты 5.1. Направляющие гидроаппараты Направляющие гидроаппараты — распределители, обратные клапаны, гидрозамки — обеспечивают те- чение жидкости в каналах гидросистемы в различных направлениях, практически не влияя на основные пара- метры потока — давление и расход. Для этих гидроаппаратов характерно выполнение своих функций путем полного открытия или закрытия рабочих проходных сечений 5.1.1. Гидрораспределители Гидрораспределители предназначены для управления пуском, остановкой и направлением потока жидко- сти в двух или более гидролиниях в зависимости от наличия внешнего управляющего воздействия на их ЗРЭ. При этом ЗРЭ из одной позиции, которая обеспечивает некую коммутацию внутренних каналов, связанных с присоединительными отверстиями в корпусе распределителя, перемещается в другую позицию, в которой коммутация каналов меняется. Изменение направлений протекания потоков рабочей жидкости через распре- делители позволяет реверсировать и останавливать движение исполнительных механизмов, разгружать на- сосы и гидросистемы от давления, а также выполнять другие операции, в соответствии с гидросхемой распре- делителя. Функциональные возможности распределителей характеризуются рядом параметров таких как: количест- во коммутируемых гидролиний, количество позиций переключения, нормальная позиция (позиция, занимае- мая распределителем при отсутствии управляющего воздействия), способ управления и отображаются в ус- ловном графическом обозначении распределителя. В условном графическом обозначении распределителей каждая из возможных позиций его ЗРЭ обознача- ется квадратом, внутри которого показана схема внутренних соединений: линиями со стрелками изобража- ют направления потока рабочей жидкости, а тупиковой линией с поперечной чертой — закрытые каналы (рис. 5.3). Поскольку рассмотренная модель распределителя осуществляет коммутацию двух гидролиний (А и Р), а его ЗРЭ при этом может занимать две позиции (левая — поток рабочей жидкости перекрыт, правая — поток рабочей жидкости пропускается), то такой распределитель можно назвать двухлинейным, двухпозиционным распределителем. Для того чтобы компактным образом охарактеризовать возможности распределителей по коммутации подведенных к ним гидролиний, используют дробное цифровое обозначение, где в числителе указывают ко- личество коммутируемых распределителем гидролиний, а в знаменателе — количество занимаемых его ЗРЭ позиций. В соответствии с этим можно сказать, что на рис. 5.3 представлена модель и условное графическое обозначение 2/2-распределителя. 89
5. Направляющая и регулирующая подсистема Переключение распределителей выполняется посредством перемещения их ЗРЭ из одной позиции в дру- гую в результате внешних управляющих воздействий. Способы таких воздействий достаточно многообразны и подразделяются на следующие виды управления: мускульной силой оператора; механическое; гидравлическое или пневматическое; электрическое (с помощью электромагнитов); комбинированное. В табл. 5.1 приведены стандартные условные графические обозначения (УГО) наиболее распространен- ных устройств и способов управления гидравлическими распределителями. Таблица 5.1 Управление мускульной силой Механическое управление Без уточнения типа Толкатель (кулачок) Кнопка Qz Ролик — Рычаг (j Ролик с «ломающимся» рычагом Педаль Пружина "|q Поворотная рукоятка -j-j- Фиксатор Управление давлением -с>4 Прямое пневматическое нагружением J— Непрямое гидравлическое нагружением в» 1 Прямое гидравлическое нагружением Непрямое гидравлическое разгружением 1 Прямое гидравлическое разгружением |ь За счет разности площадей Электромагнитное управление рг[ Электромагнит с одной обмоткой Электромагнит с пропорциональным управлением Комбинированное управление !>►[ Пневмогидравлическое Электромагнитное или непрямое гидравлическое |/ Электромагнитное и непрямое гидравлическое Электромагнит и пружина Обозначения управляющих устройств вычерчивают в любой удобной позиции с соответствующей стороны базового обозначения распределителя. При этом следует обращать внимание на то, что изменение стороны 90
5.1. Направляющие гидроаппараты расположения обозначения управляющего устройства приводит к изменению «функционирования» распре- делителя. Так, при смене мест расположения обозначений рычага управления и пружины в изображенном на рис. 5.4, а, нормально закрытом 2/2-распределителе, получается нормально открытый 2/2-распределитель (рис. 5.4, б). Рис. 5.4. Примеры изображения устройств управления распределителями На принципиальных гидравлических схемах условные графические обозначения распределителей изо- бражают таким образом, чтобы линии связи (рабочие гидролинии) были подведены к квадрату, обозначающе- му исходную позицию распределителя (например, рис. 5.4, в), которая может не совпадать с его нормальной позицией (рис. 5.4, г). Чтобы получить представление о работе распределителя, следует мысленно передвинуть относительно линий связи соответствующий квадрат в обозначении на то место, которое на схеме занимает квадрат, изо- бражающий исходную позицию распределителя. При этом как бы имитируется переключение распределите- ля, наглядно показывая, какая связь гидролиний осуществляется в новой позиции и каким образом направля- ется поток рабочей жидкости (рис. 5.5). Рис. 5.5. Управление гидроцилиндром одностороннего действия В исходной позиции (рис. 5.5, а) 3/2-распределитель* перекрывает поток жидкости от насоса к гидроцилин- дру, весь расход через предохранительный клапан поступает в бак (исходной является позиция b распредели- теля, поскольку справа на него «действует» пружина). Поршневая полость гидроцилиндра одностороннего действия связана с линией слива, под действием возвратной пружины его шток втянут. Читать приведенную схему следует следующим образом: при появлении управляющего воздействия рас- пределитель переключается в позицию а (рис. 5.5, б). Жидкость под давлением, определяемом нагрузкой на гидроцилиндре и наличием в нем возвратной пружины, поступает в цилиндр, его шток выдвигается. При полностью выдвинутом штоке, давление в цилиндре будет определяться настройкой предохранительного клапана. После отпускания кнопки распределитель под действием возвратной пружины переключается в исходную позицию и гидроцилиндр возвращается в исходное положение. Распределитель коммутирует между собой три линии (Р, А, Т) и может занимать две позиции а и Ь. 91
5. Направляющая и регулирующая подсистема Золотниковые гидравлические распределители. В золотниковых распределителях (рис. 5.6) измене- ние коммутации подведенных к ним гидролиний осуществляется при осевом смещении цилиндрического за- порно-регулирующего элемента — золотника. Золотник 4, имеющий два соединенных между собой буртика 3 и 5, расположен в продольной цилиндриче- ской расточке 2 корпуса 1. Рабочие каналы Р и А связаны с кольцевыми расточками 8, между кромками кото- рых 7 и кромками 6 буртов собственно и образуется проходное сечение распределителя. Перемещение зо- лотника в цилиндрической расточке возможно только при наличии диаметрального зазора между ним и корпу- сом, что сопровождается утечками рабочей жидкости при наличии разности давлений в рабочих каналах распределителя. Ограничить утечки можно путем уменьшения диаметрального зазора, однако, обеспечить зазор меньше 10 мкм технологически трудно*. При приложении управляющего воздействия на золотник распределителя приходится преодолевать толь- ко силы трения и возвратной пружины (при ее наличии). Силы же, создаваемые давлением жидкости, уравно- вешиваются благодаря равенству площадей противолежащих торцов золотника (золотник гидравлически разгружен). Сила трения в золотниковой паре (золотник-корпус) зависит от времени пребывания золотника в состоя- нии покоя под давлением и возникает вследствие защемления буртиков, по которым происходит утечка рабо- чей жидкости. Защемление золотника обусловлено неравномерным распределением давления в диамет- ральном зазоре (рис. 5.7, а). Рис. 5.7. Действие давления на буртик золотника Чтобы избежать защемления золотника, на его буртиках выполняют цилиндрические разгрузочные про- точки (рис. 5.7, б), в которых гарантировано наличие жидкости под давлением. Под действием давления по всему периметру буртика золотник оказывается как бы вывешенным в расточке на масляной пленке, что обес- печивает его нормальную подвижность. Для страгивания с места золотника, который долго не двигался, необходимо большее усилие, чем для дальнейшего перемещения еще и в связи с облитерацией — зарастанием зазора адсорбированными на по- верхностях золотника и корпуса молекулами. * Получение меньших зазоров требует использования высокоточного оборудования, что в крупносерийном производстве является экономически невыгодным. 92
5.1. Направляющие гидроаппараты Рассмотрим некоторые конструкции золотниковых распределителей На рис. 5 8 представлен гидравлический 3/2-распределитель с управлением от нажимной кнопки и пружинным возвратом. Когда управляющее воздействие на толкатель 1 отсутствует, пружина 3 устанавливает золотник 2 в крайнее левое положение, которое является для данной конструкции нормальной позицией. При этом канал Р перекрыт, а канал А связан с каналом слива Т При на- личии управляющего воздействия на толкатель 1 (в данном случае при нажатии на кнопку оператором) золотник 2, сжимая пружину 3 смещается в правую позицию, при которой каналы питания Р и потребителя А соединяются, а ка- нал слива Т перекрывается. Линия дренажа L предусмотрена для отвода утечек. Рис. 5 8. 3/2-гидрораспределитель Традиционно 3/2-распределители используются для управления нереверсивными гидромоторами и гид- роцилиндрами одностороннего действия. Для управления реверсивными гидромоторами и цилиндрами двустороннего действия обычно применяют 4/2-гидрораспределители (рис. 5 9)*. А Р В Т А Р В Т Рис. 5 9. 4/2-гидрораспределитель 4/2-распределители обеспечивают позиционирование гидроцилиндров двухстороннего действия только в двух положениях, шток полностью втянут; шток полностью выдвинут * Для того, чтобы не затемнять принципиальные гидравлические схемы сливные гидролинии, если в них не располагаются какие-либо гидроаппараты, не вычерчивают до УГО бака (см. рис. 5.5), а ограничиваются их упро- щенным изображением. 93
5. Направляющая и регулирующая подсистема Если необходимо производить остановку штока гидроцилиндра в любом промежуточном положении (на- пример, при управлении ковшом экскаватора), то применяют 4/3-распределители (рис. 5.10). Рис. 5.10. 4/3-гидрораспределитель с ручным управлением При отсутствии управляющего воздействия, золотник 5 под действием пружин 4 и 6 устанавливается в нейтральную (среднюю) позицию, все каналы распределителя оказываются перекрытыми. При повороте ры- чага 1, он, вращаясь вокруг шарового шарнира 2, через толкатель 3 смещает золотник 5 в ту или иную сторону, что приводит к смене схемы коммутации каналов, согласно приведенному условному графическому обозна- чению. В гидроприводе, схема которого изображена на рис. 5.11, в исходном положении (рис. 5.11, а) полости ци- линдра заперты, его выходное звено находится в позиции, определяемой предыдущей управляющей коман- дой. При переводе золотника распределителя посредством рычага в рабочую позицию а, шток цилиндра нач- нет втягиваться (рис. 5.11, б). Рис. 5.11. Управление гидроцилиндром двустороннего действия посредством 4/3-распределителя В момент (определяемый оператором), когда шток займет требуемое положение, управляющее воздействие на золотник прекращают. Это сопровождается автоматической (под действием центрирующих пружин) установ- кой золотника распределителя в нейтральную позицию 0 и остановку цилиндра в новом положении (рис. 5.11, в). 94
5.1. Направляющие гидроаппараты Позиции, которые могут занимать ЗРЭ распределителей обозначают буквами «а», «в» и «О», где «а» — со- ответствует крайнему левому положению ЗРЭ, «в» — крайнему правому, а «О» — нейтральному или среднему положению. Двухпозиционные распределители могут занимать только положения «а» и «в», а трехпозицион- ные — и положение «О». Для систематизации разнообразных схемных решений распределителей каждому из них присвоен номер исполнения по гидросхеме. В качестве пояснения рассмотрим основные схемы коммутаций гидролиний, реа- лизуемые распределителями золотникового типа (табл. 5.2). Таблица 5.2 Номер схемы Схема распределителя ГОСТ 2.781-96 Соединение каналов в переходных положениях Номер схемы Схема распределителя ГОСТ 2.781-96 Соединение каналов в переходных положениях 14 г А 0 В Г _ . р т ь 1 I .. А|0|Е р 1 ь 94 а А, С ixt р ,в ь а 1X1 А.О.Е Х"Х Т-тЕг-р р‘ '1 XT Х.т11 > -X 24 а А О.В ь а 1X1 А,0,Е г7' _' Zil р 1 " "X' ijl ь 124 а А, с LX1: р В ь и м т а 1X1 А,О,Е X/ it н ALjl р 1 11111 ) 34 А.О В ь а 1X1 А, 0,Е yf I' - ,хл1 ь 134 а А, с Ж р В ь т а 1X1 А^О.Е НЦ L .. э 44 а L А.О.В Г**' РЖ ь а 1X1 А.О.Е 1"ХГГТ т т1т т Р1 1 1'1 - ,1.т1 ь 154 а А^С Of ,В ь та т а Ни 54 с А 0,В вд ь и а .. А|°|Е ВД 3 573 а / IX! CbjB 1-р а 1X1 Г'ХГХТ т.хЕт.т. А, тх— Lt-tL р DjB 1т 64 с А. О.В w ь а --гШ ь 573Е А|3,В p/lT ь ill А, а.Е ГХГХ'Г t.xLt.t. ь 64 А г тМр ь <1 а А, 0,Е 1111 т..т1д_ р. ГТ -5 I.tL ь £1 574 а Р IX! t.b.B а А,Ь,В ЕЕНН1Д 74 Е D А.О.В ш: ь А, 0,Е Х1Н р '1 ; __ ь 574А а > b |B т 1 1 ТХГХТ <'Тн н н 5 84 А.О В (Е Р' т ь А, 0,Е vb н н ь 574Е А, а.В Рч b А,а,Е Р' Т Г'ХГХТ .T.xl-T.T. В процессе переключения распределителей, по ходу перемещения золотников, также возможны различ- ные варианты коммутации каналов. На графических условных обозначениях распределителей переходные позиции, если это необходимо, обозначают прерывистыми линиями между рабочими позициями, изображен- ными сплошными линиями. Так, например, распределители, выполненные по схемам 64 и 64А, отличаются друг от друга не рабочими позициями, а переходными. Это означает, что при переключении распределителя, выполненного по схеме 64, давление в выходных линиях А и В, будет возрастать плавно, так как в переходных позициях оно начинает по- даваться одновременно во все каналы. Переключение же распределителя, выполненного по схеме 64А, мо- жет сопровождаться гидравлическим ударом в выходных гидролиниях из-за резкого увеличения давления в них. Применение того или иного схемного решения решается в каждом конкретном случае в зависимости от требований конкретного гидропривода. 95
5. Направляющая и регулирующая подсистема Такое разнообразие схем коммутации каналов в рабочих и переходных позициях обеспечивается различ- ным конструктивным исполнением золотников (рис. 5.12). Рис. 5.12. Примеры реализации разных схем соединения в нейтральной позиции В зависимости от геометрии и взаимного расположения буртиков золотника и цилиндрических расточек корпуса распределителя различают положительное, отрицательное и нулевое перекрытие (рис 5.13). Положительное перекрытие При переключении такого распределителя все гидролинии, подсоеди- ненные к нему на короткое время отсекаются одна от другой. Такое пе- рекрытие характеризуется надежным отсечением коммутируемых кана- лов и «жестким пуском» — резким повышением давления в каналах при их соединении Отрицательное перекрытие При таком типе перекрытия каналы А, Р и В сообщаются между собой в момент переключения распределителя, что сопровождается «мягким пуском» — плавным изменением давления в выходных каналах Нулевое перекрытие Такой тип перекрытия требует высокой точности изготовления сопря- гаемых деталей и применяется в основном в дросселирующих распре- делителях, которые позволяют не только менять направление потока рабочей жидкости, но и его расход. Малейшее смещение золотника приводит к смене коммутации каналов Рис. 5.13. Виды перекрытий золотников Главным недостатком золотниковых распределителей является их негерметичность. Величина перетечек зависит от величины диаметрального зазора между золотником и корпусом, вязкости рабочей жидкости и осо- бенно от величины давления. Обычно эти перетечки незначительны, однако в ряде случаев, когда они недо- пустимы, распределители такого типа не используют. 96
5.1. Направляющие гидроаппараты Клапанные гидрораспределители. Существует широкий класс задач, решение которых требует отсутст- вия утечек внутри распределителя. Гидросистемы работающие при очень высоких давлениях — до 63 МПа; запирание полостей гидроцилиндров, удерживающих подвижные части машин в верхнем положении; гидро- системы, работающие на жидкостях с низкой вязкостью, например на водной эмульсии. В таких гидросисте- мах используют распределители клапанного типа. На рис. 5.14 представлен 3/2-гидрораспределитель клапанного типа, нормально открытый, с управлени- ем от рычага и пружинным возвратом. В исходном положении, определяемом наличием пружины 8, шаровой клапан 6 поджат к седлу 5. Канал Р соединен с каналом А, канал Т перекрыт. Поворотом рычага 1 шаровой клапан 6 через толкатель 2 снимается с седла 5 и устанавливается на седло 7. При этом канал Р запирается, а канал А соединяется с каналом Т. Толкатель 2 уплотнен манжетами 3 и 4, а полость между ними соединена с каналом Р, что уравновешивает силы, действующие со стороны рабочей жидкости, на клапан Это позволяет снизить величину управляющего воздействия, требуемого для переключения клапана. Рис 5.14. Нормально открытый клапанный (седельный) 3/2-гидрораспределитель Для того, чтобы реализовать функцию нормально закрытого 3/2-распределителя необходимо использо- вать двухклапанную конструкцию (рис. 5.15). Рис 5.15. Нормально закрытый клапанный (седельный) 3/2-гидрораспределитель Клапанные распределители, вследствие своей специфической конструкции, не могут реализовать множе- ство вариантов коммутации гидролиний, характерных для золотниковых распределителей. 97
5. Направляющая и регулирующая подсистема Крановые гидрораспределители. В крановых гидрораспределителях изменение направления потока рабочей жидкости достигается поворотом пробки, имеющей плоскую, сферическую, коническую, или цилинд- рическую форму (рис. 5.16). Цилиндрическая пробка 5 установлена в гильзе 4, которая вместе с крышками 3 и 6, уплотняющими пробку с торцов, образует корпус распределителя. Переключение распределителя осуще- ствляется поворотом рукоятки 1, а фиксация занимаемых пробкой позиций осуществляется подпружиненным стопором 2. Позиция b Позиция 0 Позиция а Рис. 5.16. Крановый 3/4-гидрораспределитель Для того чтобы уменьшить усилие переключения распределителя, зависящее от сил трения пробки о гиль- зу, пробку уравновешивают от статических сил давления жидкости, так как в противном случае она будет при- жата к одной стороне гильзы. Уравновешивание достигается благодаря наличию в пробке двух сквозных ра- диальных отверстий, что обеспечивает диаметрально противоположное действие давления жидкости на пробку. Кроме этого, уменьшение сил трения в поворотных кранах часто достигается тем, что кран центриру- ют на подшипниках качения. Герметичность крановых гидрораспределителя обеспечивается за счет притирки пробки к корпусу крана. Вследствие износа пробки и корпуса зазор между ними, а, следовательно, и утечка рабочей жидкости с тече- нием времени увеличиваются, что является недостатком такой конструкции распределителя. Этого недостатка лишены крановые гидрораспределители с подпружиненной конической пробкой. 98
5.1. Направляющие гидроаппараты Гидрораспределители с дискретным электромагнитным управлением . Все рассмотренные выше кон- струкции распределителей относятся к распределителям прямого действия, характерным признаком которого является приложение усилия переключения непосредственно к запорно-регулирующему элементу Распреде- литель с дискретным электромагнитным управлением, показанный на рис. 5.17, также является распредели- телем прямого действия, или, другими словами, одноступенчатым распределителем. Рис. 5.17. Нормально закрытый 3/2-гидрораспределитель с электромагнитным управлением Работа распределителей с электромагнитным управлением основана на свойстве электромагнитных кату- шек, находящихся под напряжением, втягивать находящийся в них якорь При отсутствии управляющего воз- действия (рис. 5.17, а) золотник 6 под действием возвратной пружины 5 находится в крайнем левом положении. При подаче напряжения на катушку 3 (рис. 5.17, б) через штепсельный разъем 7, якорь 2 (сердечник) втягивает- ся в катушку и через запрессованный в него толкатель 4 смещает золотник 6 в крайнюю правую позицию. Сме- щение золотника 6 можно осуществить вручную, нажав на кнопку ручного управления 1. Сила, развиваемая толкателем 3, существенно зависит от положения якоря 1 относительно электромаг- нитной катушки 2 (рис 5 18). Поскольку в начале движения толкатель 3 развивает незначительное усилие, ме- жду ним и золотником 4 оставляют гарантированный зазор, обеспечивающий толкателю холостой ход, при со- вершении которого золотник остается неподвижным. Когда сила, развиваемая электромагнитом, достигает величины достаточной для сжатия пружины, действующей на противоположный торец золотника, толкатель начинает перемещать золотник. Рис. 5.18. Зависимость силы электромагнита от положения якоря 99
5. Направляющая и регулирующая подсистема В распределителях прямого действия с электромагнитным управлением (рис. 5.19) используют электро- магниты постоянного или переменного тока, работающие в воздушной (с «сухим якорем» 2) или масляной сре- де (с «мокрым якорем», 1). а А|0|в b MZJf ||П| ULXE /ЖЖ/ Р Т I L Рис. 5.19. 4/3-гидрораспределитель с электромагнитным управлением В настоящее время наиболее распространены маслонаполненные электромагниты. Их применяют в гид- роприводах, работающих на открытом воздухе и в условиях повышенной влажности, поскольку исключается коррозия внутренних поверхностей электромагнита. Наличие масла в электромагните позволяет снизить из- нос, улучшить теплоотдачу и обеспечить демпфирование ударов. Существенным их преимуществом также является то, что выдвигающийся толкатель якоря не нужно специально уплотнять, благодаря чему в значи- тельной мере уменьшаются силы трения и, как следствие, усилия переключения распределителя. Электромагниты постоянного тока обладают высокой надежностью и обеспечивают плавное включе- ние распределителя. Они не перегорают, если перестановка якоря не завершена до конца, например, при за- клинивании золотника, поскольку потребление тока в них постоянно и не зависит от положения якоря. К недостаткам электромагнитов постоянного тока следует отнести их физически обусловленное свойство отдавать некоторый импульс тока самоиндукции при отключении. Это приводит к искрению на управляющих магнитом коммуникационных контактах, что сокращает срок их службы. Для избежания этого применяются специальные меры по искрогашению. Электромагниты переменного тока обеспечивают высокую скорость переключения золотников (от 10 до 20 мс), однако они перегорают, если процесс переключения не завершен. Это происходит из-за того, что потребляемый электромагнитом ток зависит от положения якоря — в начале хода якоря он в несколько раз вы- ше, чем в конце хода Как правило, диаметр условного прохода Dy одноступенчатых распределителей с прямым электромагнит- ным управлением не превышает 10 мм. Это обусловлено тем, что для переключения распределителя необхо- димо преодолевать не только силы трения и усилия от пружин, но и гидродинамические силы, действующие на ЗРЭ при обтекании его потоком жидкости. Поскольку величина гидродинамических сил зависит от давле- ния и расхода жидкости через распределитель, а последний напрямую зависит от £>у, то для переключения распределителей с большим условным проходом требуются большие усилия. Как показала практика, исполь- зование более мощных электромагнитов оказывается нецелесообразным ввиду увеличения их габаритов, времени переключения и появления ударов. Гидрораспределители с электрогидравлическим управлением. Для переключения распределителей с £»у>10 мм применяют непрямое (пилотное) управление, суть которого заключается в том, что ЗРЭ основного распределителя управляется гидравлически—давлением рабочей жидкости, поступающей от управляющего (пилотного) распределителя прямого действия. Если пилотный распределитель управляется электромагнита- 100
5.1. Направляющие гидроаппараты ми, то блок «основной распределитель — пилот» называют распределителем с электрогидравлическим управлением (рис. 5.20). В таких двухступенчатых конструкциях пилотный распределитель 1 устанавливается на верхней плоско- сти корпуса основного распределителя 4. Рабочая жидкость под давлением подается к нему из линии управ- ления через канал X, выполненный в корпусе основного распределителя. При отсутствии управляющего электрического сигнала, золотник пилотного распределителя находится в нейтральной позиции, благодаря чему управляющие полости, расположенные с торцов золотника 7 основ- ного распределителя, соединены со сливным каналом Y. Золотник 6 удерживается в средней позиции пружи- нами 5 и 8. При подаче управляющего электрического сигнала, например, на электромагнит b пилотного распредели- теля, рабочая жидкость под давлением по каналу 3 поступит под левый торец золотника 6 основного распре- делителя, что приведет к его перестановке в крайнее правое положение. При этом канал Р соединится с кана- лом В, а канал А со сливом Т. После отключения электромагнита b золотник пилотного распределителя возвратится в свою среднюю по- зицию и давление в левой управляющей полости основного распределителя снизится. Под действием пружин 5 и 8 золотник 7 займет свою нейтральную позицию. Переключение золотника пилотного распределителя происходит за очень короткое время. Если золот- ник основного распределителя переключится так же быстро, то в линиях гидросистемы с высоким дав- лением и большими расходами могут возникнуть гидравлические удары. Для предохранения системы от гидроударов перемещение основного золотника может быть замедлено за счет дросселирования потока жидкости, поступающей от пилота в управляющие полости. Это достигается с помощью специальных сдво- енных дросселей с обратным клапаном*, устанавливаемых между пилотным и основным распредели- телями. * См. разд. «Дроссели». 101
5. Направляющая и регулирующая подсистема Напорная X и сливная Y линии управления могут подключаться независимо или объединяться с соответ- ствующими основными линиями Р и Т. В последнем случае палец 6 разворачивают на 180°, а канал X закрыва- ют пробкой; для объединения сливных линий следует снять пробку 2. Объединение линий слива не допускается, если давление в линии Т превышает 6 МПа, а также в трехпози- ционных распределителях с гидравлическим центрированием (рис. 5.21). Нейтральное положение основного золотника 4 в распределителях с гидравлическим центрированием обеспечивается тем, что в обе управляющие полости 1 и 5 от пилотного распределителя под давлением пода- ется рабочая жидкость. При подаче управляющего сигнала на электромагнит а пилотного распределителя, управляющая полость 1 основного распределителя соединится с линией слива Y, в то время как управляющая полость 5 останется под давлением. Золотник 4 вместе с центрирующим поршнем 3 и толкателем 2 переместится влево до упора; при этом канал Р соединится с каналом А, а канал В — со сливом Т. После отключения электромагнита а золотник пилотного распределителя возвратится в свою среднюю по- зицию и давление в левой управляющей полости 1 станет равным давлению в полости 5. Вследствие того, что суммарная площадь центрирующего поршня 3 и торца толкателя 2 больше площади правого торца золотника 4, золотник переместится вправо до упора центрирующего поршня 3 в корпус основного распределителя, т.е. вернется в нейтральную позицию. Подача сигнала управления на электромагнит b будет сопровождаться падением давления в управляю- щей полости 5 и смещением золотника 4 вправо под действием давления рабочей жидкости на толкатель 2; при этом канал Р соединится с каналом В, а канал А — со сливом Т. После отключения электромагнита, b золотник пилотного распределителя возвратится в свою среднюю позицию, давление в правой управляющей полости 5 поднимется и станет равным давлению в полости 1. 102
5.1. Направляющие гидроаппараты оскольку площадь торца золотника 4 больше площади торца толкателя 2, золотник переместится влево до упора в находящийся под давлением центрирующий поршень 3, т.е. установится в нейтральную по- зицию Пружины в полостях 1 и 5 служат для удержания золотника 4 в нейтральном положении при отсутствии давления управления, если, например, распределитель установлен в вертикальном положении. Для раз- грузки полости, образованной центрирующим поршнем 3 и основным золотником 4, ее сообщают с линией утечки L. При подаче рабочей жидкости к пилотному распределителю через канал Р отпадает необходимость в от- дельной линии управления, однако, при этом необходимо учесть некоторые моменты. Если золотник основно- го распределителя имеет отрицательные перекрытия, то давление рабочей жидкости, поступающей на пилот- ный распределитель, может оказаться недостаточным для переключения золотника основного распределите- ля. В таких случаях в канале Р основного распределителя устанавливают подпорный клапан, создающий в напорной линии управления давление порядка 0,5 МПа (рис. 5.22, а). Подпорный клапан состоит из тарельчатого клапана 2, прижатого пружиной 4 к седлу корпуса 3, вставлен- ного в канал Р распределителя 1, установленного на присоединительную плиту 5. Клапан остается закрытым до тех пор, пока давление рабочей жидкости, поступающей через радиальные сверления в корпусе 3 клапана в канал управления пилотным распределителем 6 (канал X), не достигнет требуемого значения. После этого под действием давления рабочей жидкости тарельчатый клапан 2 сжимая пружину 4, поднимется и пропустит рабочую жидкость к золотнику 7 основного распределителя. В случаях, когда напорные линии Р и X объединены и давление в линии Р превышает 25 МПа, между ос- новным и пилотным распределителями необходимо установить клапан соотношения давлений, понижающий давление предварительного управления В качестве дополнительной оснастки могут применяться устройства для ограничения хода основного зо- лотника (рис. 5.22, б). С помощью ограничителя 3, вворачиваемого в торцовую крышку 2 распределителя, уменьшают рабочий ход золотника 1 основного распределителя, что позволяет дросселировать поток прохо- дящей через распределитель рабочей жидкости. Для того, чтобы настройка ограничителя не сбивалась в процессе работы ограничитель 3 фиксируют контргайкой 4 103
5. Направляющая и регулирующая подсистема 5.1.2. Обратные клапаны Обратные клапаны используют в гидросистемах в тех случаях, когда необходимо обеспечить пропускание потока рабочей жидкости, движущейся по гидролинии, в одном направлении и запирать гидролинию при об- ратном потоке. Обратные клапаны должны быть герметичными в закрытом положении и обладать минималь- ным гидравлическим сопротивлением в открытом. Для обеспечения герметичного перекрытия потока обрат- ные клапаны выполняют только в седельном варианте (рис. 5.23). Рис. 5.23. Принцип действия обратного клапана При движении потока в направлении из канала А в канал В (рис. 5.23, а), запорный элемент 2, сжимая пру- жину 1, поднимается с седла 3 и пропускает поток рабочей жидкости. Если жидкость начинает двигаться в об- ратном направлении (из канала В в канал А), то запорный элемент 2 устанавливается на седло 3, герметично пе- рекрывая поток. Прижим запорного элемента к седлу осуществляется пружиной и давлением рабочей жидкости. Если пружина имеет незначительное предварительное сжатие, т.е. не нагружает запорный элемент в закрытом положении клапана, то в УГО обратного клапана символ пружины может отсутствовать. При использовании обратных клапанов без пружины (рис. 5.23, б), их следует устанавливать строго верти- кально, так как только в таком положении обеспечивается посадка запорного элемента на седло за счет собст- венного веса. В качестве запорного элемента обратных клапанов обычно применяют шариковые (рис. 5.23), ко- нусные (рис. 5.24) (в том числе и с эластичными уплотнениями) и тарельчатые затворы*. На корпусах обратных клапанов наносят стрелку, указывающую направление движения рабочей жидкости через клапан. Рис. 5.24. Обратные клапаны Давление открытия клапана зависит от жесткости пружины, ее предварительного сжатия и уплотняемой площади запорного элемента на которую действует давление В зависимости от цели применения клапана давление открытия может составлять от 0,05 до 0,3 МПа. * Обратные клапаны с тарельчатым эластичным затвором применяют в системах с небольшим рабочим дав- лением и расходом. 104
5.1. Направляющие гидроаппараты Обратные клапаны используют: для запирания одного из направлений потока; для обхода дросселирующих устройств; в качестве перепускных клапанов для защиты фильтров при их чрезмерном загрязнении; в качестве подпорных клапанов для создания определенного давления подпора в гидросистеме. Соединяя соответственным образом четыре обратных клапана, получают мостовую схему, которая обыч- но применяется в сочетании с гидроаппаратами регулирования расхода и давления (рис. 5.25). При движении рабочей жидкости в одном или другом направлении поток через аппарат остается неизмен- ным. Мостовые схемы в сочетании с предохранительным клапаном часто используются в гидроприводах, ис- полнительные механизмы которых подвергаются большим инерционным нагрузкам (рис. 5.26). Рис. 5.26. Мостовая схема в приводе поворота башни экскаватора -----F------------------------------------------------------------------- При остановке гидромотора, вращающего большие массы (рис. 5.26, а), в линии слива резко возрастает дав- ление. Это объясняется тем, что выходной вал под действием сил инерции будет продолжать вращение, при этом гидродвигатель начинает работать как насос и нагнетать рабочую жидкость в уже закрытую линию слива (рис. 5.26, б). Для предотвращения разрыва трубопроводов избыточное давление сбрасывается через предо- хранительный клапан. Одновременно с этим в гидролинии, по которой подводилась рабочая жидкость к двига- телю, по этой же причине возникает разряжение. Для избежания возникновения кавитации в линии слива уста- навливается подпиточный клапан, связанный со сливной линией предохранительного клапана. 105
5. Направляющая и регулирующая подсистема 5.1.3. Гидрозамки Гидрозамками называют обратные клапаны с гидравлическим управлением. При отсутствии управляюще- го сигнала гидрозамок работает как обычный обратный клапан: поток рабочей жидкости свободно протекает в направлении А — Ви запирается в направлении В — А (рис. 5.27). Рис. 5.27. Принцип действия гидрозамка В отличие от обратного клапана, в гидрозамке движение рабочей жидкости в направлении В — А может быть разблокировано (иногда в литературе гидрозамки называют запорными клапанами с гидравлической де- блокировкой или управляемыми обратными клапанами). Для этого в канал управления X подается рабочая жидкость под давлением, плунжер 1 перемещается вправо и толкателем 2 принудительно, сжимая пружину 4, снимает запорный элемент 3 с седла. Рабочая жидкость может двигаться из канала В в канал А. Необходимое управляющее давление зависит от соотношения площадей управляющего плунжера и пло- щади уплотняющей поверхности клапана на которую действует давление в канале В, а также от давления в ка- нале А, поскольку оно действует на правый торец плунжера и препятствует его перемещению. Гидрозамки применяют: для запирания находящихся под давлением нагрузки участков гидросистемы; для предотвращения самопроизвольного опускания грузов; для предотвращения отпускания гидравлических зажимных устройств. В качестве примера использования гидрозамка рассмотрим принципиальную схему гидропривода автомо- бильного подъемника (рис. 5.28). Рис. 5.28. Гидравлический автомобильный подъемник 106
5.1. Направляющие гидроаппараты Возможность остановки платформы подъемника на любой высоте достигается использованием для управления гидроцилиндром двустороннего действия 4/3-распределителя с перекрытыми рабочими канала- ми в нейтральной позиции (рис. 5.28, а). Однако, поскольку золотниковые распределители не обеспечивают герметичного перекрытия рабочих гидролиний, то при длительном удержании платформы на некоторой высо- те происходит «просадка» гидроцилиндра под действием нагрузки. Надежная фиксация платформы в требуе- мом положении может быть обеспечена, если исключить утечки рабочей жидкости из поршневой полости гид- роцилиндра. Герметичное запирание соответствующей гидролинии обеспечивается установкой в ней гидро- замка (рис. 5.28, б). Очевидно, что для нормального функционирования гидрозамка необходимо использовать распределитель, в нейтральной позиции которого обеспечивается разгрузка каналов А и X гидрозамка. Гидропривод подъемника работает следующим образом: для подъема платформы распределитель пере- водят в позицию b (рис. 5.28, б); рабочая жидкость под давлением через распределитель и гидрозамок посту- пает поршневую полостью гидроцилиндра, а из штоковой — сливается в бак. На этой стадии гидрозамок рабо- тает как обычный обратный клапан. Для останова платформы распределитель переводят в нейтральную позицию. При этом гидрозамок за- крывается и герметично перекрывает гидролинию, связанную с поршневой полостью гидроцилиндра, давле- ние в которой определяется нагрузкой на штоке. Опускание платформы осуществляется переключением распределителя в позицию а. При этом рабочая жидкость подается в штоковую полость гидроцилиндра и в канал X управления открытием гидрозамка. Жид- кость из поршневой полости через гидрозамок и распределитель поступает в сливную гидролинию. Открытие гидрозамка, особенно запирающего большие объемы рабочей жидкости под давлением, может сопровож- даться гидроударами. Это происходит потому, что при достижении давлением управления требуемой величи- ны, клапан открывается резко, поскольку при снятии запорного элемента с седла давление, прижимающее его, мгновенно падает, а усилие пружины незначительно. Такие удары оказывают негативное влияние не только на сам гидрозамок, но и на всю гидросистему в целом. В гидросистемах, возникновение гидроударов в которых нежелательно, применяют гидрозамки в конструк- цию которых дополнительно вводят декомпрессор — специальный небольшой обратный клапан 5, располо- женный внутри основного запорного элемента 4 (рис. 5.29). Рис. 5.29. Гидрозамок с декомпрессором и линией дренажа При подаче управляющего сигнала в канал X, плунжер 1 начинает перемещаться вправо и толкателем 3 открывает обратный клапан 5; давление в канале В плавно снижается, поскольку жидкость начинает перете- кать в канал А по каналу небольшого сечения 6. При дальнейшем движении плунжера 1, толкатель 3 снимает с седла основной запорный элемент 4, полностью открывая гидрозамок. С целью снижения давления управления в данной конструкции предусмотрена дополнительная полость 2, связанная с линией дренажа Y. За счет этого давление в канале А действует только на торец толкателя 3, а не на плунжер 1, как в гидрозамке без линии дренажа. Поскольку площадь торца толкателя значительно меньше 107
5. Направляющая и регулирующая подсистема площади плунжера, усилие необходимое для открытия гидрозамка фактически не зависит от давления в по- лости А, что повышает надежность его срабатывания. Для пропускания больших потоков жидкости при заполнении и опорожнении полостей гидроцилиндров во время совершения ими холостых ходов, и отсечения этих полостей от наполнительных баков во время совер- шения рабочих ходов при работе прессов и других гидрофицированных машин, имеющих цилиндры боль- ших размеров, применяют гидрозамки специального исполнения, которые называют клапанами наполнения (рис. 5.30). Пиния А клапана соединена с баком, установленным над гидроципиндром. ЗРЭ клапана, состоящий из ос- новного запорного элемента 5 и декомпрессора 6 прижат к седлу 4 пружиной 3. Пружина 3 развивает усилие, достаточное лишь для того, чтобы удерживать ЗРЭ клапана в закрытом состоянии под действием находяще- гося над ним столба рабочей жидкости. Холостой ход гидроцилиндра осуществляется при соединении его штоковой полости со сливом. Пор- шень под действием собственного веса и веса пуансона, закрепленного на штоке, начинает опускаться. В поршневой полости цилиндра создается вакуум, который передается в линию В клапана наполнения. В результате клапан открывается, и в поршневую полость цилиндра всасывается рабочая жидкость из бака. Перед осуществлением рабочего хода (собственно процесса прессования) гидроцилиндр притормажива- ется до требуемой скорости. Возрастающее давление в поршневой полости воздействует на нижнюю поверх- ность ЗРЭ клапана, который закрывается и разъединяет связь цилиндра с баком. Для совершения рабочего хода в поршневую полость гидроцилиндра под давлением подается рабочая жидкость. После окончания прессования шток цилиндра втягивается. При этом давление рабочей жидкости, посту- пающей в штоковую полость цилиндра, подается и в канал управления клапана X. Управляющий поршень 1, сжимая пружину 2, сначала снимает с седла декомпрессор 6, а затем и основной запорный элемент 5. Клапан открывается, и рабочая жидкость из поршневой полости гидроцилиндра вытесняется в бак. В зависимости от области применения клапаны наполнения изготавливаются с декомпрессором или без него. 108
5.1. Направляющие гидроаппараты Для герметичного запирания обеих полостей гидроцилиндров применяют двусторонние гидрозамки (рис 5.31) Рис. 5.31. Принцип действия двустороннего гидрозамка Двусторонние гидрозамки содержат два обратных клапана 1, 3 и плунжер 2, расположенный между ними. Движение жидкости в направлениях А^А и Е^-В заблокировано. При движении потока, например, в направлении А-А^ обратный клапан 1 открывается под действием давле- ния рабочей жидкости, а клапан 3 — управляющим плунжером 2, обеспечивая протекание жидкости в направле- нии В^В. Таким образом осуществляется подача рабочей жидкости в одну из полостей гидроцилиндра и слив ее в бак из другой. При реверсе гидроцилиндра гидрозамок отрабатывает аналогичным образом: давление рабочей жидкости открывает обратный клапан 3, а плунжер 2, смещаясь влево, открывает клапан 1. На принципиальных гидравлических схемах наряду с детальным УГО двусторонних гидрозамков (рис 5.32, а) используют упрощенное УГО (рис. 5 32, б). В нейтральном положении 4/3-распределителя обе линии подключения гидроцилиндра перекрыты, утечки исключены. Это позволяет удерживать нагрузку (встречную или попутную) в любом положении гидроцилинд- ра, даже при остановке его в течение длительного времени. Надежность перекрытия каналов гидрозамком обеспечивается в том случае, если обе точки подключения (А и В) разгружены, т.е. связаны с линией слива че- рез распределитель. Отказы в работе обратных клапанов и гидрозамков сводятся, главным образом, к неплотному перекрытию гид- ролиний Причиной этого может быть попадание посторонних частиц в зону контакта запирающего элемента и сед- ла или износ места контакта. Внешним проявлением неисправности является падение давления в запираемой гид- ролинии или самопроизвольное перемещение частей машины, обусловленное негерметичностью клапана. 109
5. Направляющая и регулирующая подсистема 5.2. Регулирующие гидроаппараты Регулирующие гидроаппараты предназначены для изменения или поддержания в требуемых преде- лах основных параметров потока рабочей жидкости: давления и расхода. В отличие от направляющих гид- роаппаратов, работающих по принципу «открыт-закрыт», проходное сечение регулирующих гидроаппара- тов может быть любым в пределах от полностью закрытого, до полностью открытого. Степень открытия проходного сечения изменяется в зависимости от параметров потока рабочей жидкости, проходящей че- рез них. 5.2.1. Гидроаппараты управления давлением Для управления заранее заданным образом давлением рабочей жидкости в гидросистеме или ее части применяют гидравлические клапаны давления. Клапаны давления различают по конструктивному исполнению: 1) в зависимости от типа запорно-регулирующего элемента: седельного типа, золотникового типа; 2) в зависимости от типа действия прямого действия, непрямого действия. По функциональному назначению клапаны давления бывают: напорные; редукционные Напорные гидроклапаны. Напорные гидроклапаны предназначены для ограничения или поддержа- ния давления в гидролиниях путем эпизодического или непрерывного слива рабочей жидкости. До тех пор, пока давление в гидролинии Р не превышает некоторого заранее заданного значения, ЗРЭ 2 клапа- на прижат пружиной 3 к седлу 1 и перекрывает проходное сечение, т.е. клапан нормально закрыт (рис. 5.33). Если контролируемое давление (в линии Р) начинает превышать заданный уровень, клапан приоткрыва- ется и сбрасывает часть рабочей жидкости в бак до тех пор, пока давление не нормализуется. Давление в ли- нии Р, при котором клапан открывается, зависит от давления в линии Т, жесткости пружины и степени ее сжа- тия, которую можно изменять путем вращения регулировочного винта 4. 110
5.2. Регулирующие гидроаппараты Следует обратить внимание на то, что напорные клапаны, имеющие подобную конструкцию, не могут обеспечить стабильность давление в контролируемой гидролинии на строго заданном уровне. Для пояснения данного утверждения рассмотрим условие равновесия сил, действующих на ЗРЭ клапана при его срабатыва- нии (рис. 5 34). Рис. 5.34. К расчету сил, действующих на ЗРЭ напорного клапана Уравнение равновесия ЗРЭ клапана в момент, когда клапан только начинает открываться (рис. 5.34, а), выглядит следующим образом: Ж— Р^ =/прО- где р0 — давление в контролируемой гидролинии в момент начала открытия клапана; dKn — диаметр уплотняющей поверхности ЗРЭ клапана; Fnp0— усилие предварительного поджатия регулировочной пружины. При дальнейшем повышении давления в гидролинии до значения р ЗРЭ клапана начнет подниматься с седла, сжимая пружину (рис. 5.34, б), и условие его равновесия изменится (для упрощения давление в линии слива примем равным нулю): nd2 P^ = Fnp=F^+ch, где р — давление в контролируемой гидролинии; Fnp — усилие сжатой пружины; с — жесткость пружины; h — величина подъема клапана над седлом. Отсюда следует 4(Fnp0+cA) Р =----' Таким образом, давление р в гидролинии, в которой установлен напорный клапан, будет зависеть от подъ- ема ЗРЭ клапана h и жесткости пружины с. В свою очередь значение подъема ЗРЭ Л, которое определяет из- менение площади проходного сечения клапана, зависит от расхода протекающей через клапан рабочей жид- кости. Схема гидравлической установки для снятия характеристики клапана и расходно-перепадная характери- стика напорного клапана p=f(Q), настроенного таким образом, что при давлении 5 МПа он полностью открыт, представлены на рис. 5.35. 111
5. Направляющая и регулирующая подсистема Рис. 5.35. Расходно-перепадная характеристика напорного клапана При постепенном увеличении давления в гидролинии, которое достигается частичным перекрытием вентиля, клапан остается закрытым до тех пор, пока давление не достигнет значения доткр = 4 МПа. С этого момента клапан начинает пропускать через себя часть рабочей жидкости на слив и полностью открывается, т.е. пропускает на слив всю подачу насоса (Q^ = QH), приpmax = 5 МПа. Зависимость давления в гидролинии от расхода жидкости че- рез клапан при этом соответствует верхней кривой. При уменьшении значения давления от дтах до дзакр, при ко- тором клапан полностью закроется (3,7 МПа), зависимость давления от расхода будет характеризоваться нижней кривой. Отсюда следует, что напорный клапан поддерживает давление в гидролинии рср не на строго заданном уровне, а с некоторой погрешностью А, которая определяется из следующего отношения: д = -^--100% = ^-100% = 14,9% = 15%. Рср 4,35 Если ориентироваться на изначально настроенные 5 МПа, то очевидно, что клапан начинает срабатывать значительно раньше, чем давление достигнет заданного уровня. Подпружиненный запорно-регулирующий элемент клапана представляет собой систему «масса на пружи- не», которая склонна к автоколебаниям*. Колебания, возникающие в клапане при его открытии, оказывают не- гативное влияние, как на элементы конструкции, так и на давление в системе, и должны быть задемпфирова- ны. С этой целью ЗРЭ 4 клапана снабжают демпфирующим поршнем 3, который размещают в цилиндриче- ской проточке корпуса 2 седла клапана (рис. 5.36). Рис. 5.36. Напорный клапан седельного типа с задемпфированным ЗРЭ * Автоколебаниями называют незатухающие колебания, происходящие за счет энергии, периодическое по- ступление которой регулируется самим колеблющимся телом. 112
5.2. Регулирующие гидроаппараты Поскольку демпфирующий поршень 3 выполнен единым целым с ЗРЭ 4, то при движении последнего, жид- кость поступает (или вытесняется) в торцевую полость поршня через дросселирующее отверстие 1. При этом возникает демпфирующее усилие, действующее против направления движения. Достоинством напорных клапанов седельного типа является полная герметичность и высокое быстродей- ствие, поскольку уже при минимальном ходе ЗРЭ обеспечивается пропускание относительно больших пото- ков. Напорные клапаны золотникового типа более точно поддерживают давление на заданном уровне, так как площадь проходного сечения в них меняется не столь резко и клапан может пропускать через себя достаточно малые потоки рабочей жидкости. Плавное увеличение проходного сечения клапана становится возможным благодаря выполнению на буртике золотника 3 специальным образом спрофилированных проточек перемен- ного сечения 4 (рис. 5.37). Рис. 5.37. Напорный клапан золотникового типа Пока давление в линии Р не превышает заданный уровень, золотник 3 клапана под действием настроеч- ной пружины находится в крайнем левом положении — клапан закрыт. Когда по каналу управления 2 под ле- вый торец золотника 3 передается давление большее, чем давление настройки клапана, золотник 3 начинает смещаться вправо, и через клапан начинает перетекать жидкость, расход которой увеличивается пропорцио- нально увеличению суммарной площади проточек 4. Дальнейший рост давления в линии Р приводит к полно- му открытию клапана. Дроссель 1, расположенный в канале управления 2, выполняет демпфирующую функ- цию, что делает клапан нечувствительным к случайным забросам давления и исключает появление автоколе- баний. Рассмотренные конструкции по своему принципу действия относятся к клапанам прямого действия, по- скольку их срабатывание (изменение проходного сечения) происходит под воздействием потока рабочей жид- кости непосредственно на их ЗРЭ. Недостатком напорных клапанов прямого действия является невозможность поддержания ими стабиль- ного давления при возрастании расхода рабочей жидкости через клапан. Кроме того, применение клапанов прямого действия в гидросистемах с высокими номинальными давлениями и расходами становится невоз- можным, поскольку в таких случаях в клапанах необходимо применять пружины большого усилия. Это вызва- но не только требованием поддержания высоких давлений в системе, но и необходимостью удержания ЗРЭ большой площади в закрытом состоянии. Неизбежное увеличение размеров настроечных пружин, влечет за собой резкое возрастание габаритов самого клапана. В гидроприводах с высоким давлением (более 25 МПа) и большими расходами для обеспечения приемле- мых габаритных размеров применяют клапаны непрямого действия (двухкаскадные клапаны), представляю- щие собой совокупность двух клапанов: основного (второй каскад) и вспомогательного (первый каскад). В этих клапанах рабочее проходное сечение основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабо- чей жидкости на ЗРЭ вспомогательного клапана (рис. 5.38). 113
5. Направляющая и регулирующая подсистема Если давление в контролируемой гидролинии (линии А) не превышает давления настройки клапана перво- го каскада 6, рабочая жидкость к которому подводится по каналу 4, то его ЗРЭ 7 поджат к седлу пружиной 8. Предварительное сжатие пружины 8, а, следовательно, и давление срабатывания клапана первого каскада, настраивается регулировочным винтом 9. Отсутствие течения жидкости через клапан первого каскада приводит к тому, что на основной запорно-ре- гулирующий элемент 3 (ЗРЭ второго каскада) сверху и снизу действует одинаковое давление, равное давле- нию в линии А. Поскольку площадь основного ЗРЭ 3 со стороны пружины, имеющей небольшую жесткость, больше, чем площадь уплотняемой поверхности, он прижат к седлу — клапан закрыт. Когда давление в линии А превышает заданный уровень, ЗРЭ пилотного клапана 7, поднимается с сед- ла — (срабатывает первый каскад). Некоторая часть жидкости из линии А через канал 4, клапан первого кас- када и канал 10 сливается в линию В. Вследствие потерь давления в демпфирующем дросселе 2 в пружинной полости основного ЗРЭ давление падает, усилие от создавшегося перепада давления на ЗРЭ 3 поднимает его с седла (срабатывает второй каскад). Жидкость перетекает из линии А в линию В, давление в линии А поддер- живается на заданном уровне. Поскольку жесткость пружины в клапане второго каскада небольшая, то увеличение проходного сечения (подъема ЗРЭ 3) практически не вызывает увеличения давления в линии А (рис. 5.39). Рис. 5.39. Расходно-перепадные характеристики напорных клапанов прямого и непрямого действия Расходно-перепадная характеристика напорного клапана непрямого действия имеет две ярко выражен- ные зоны: от Q s 0 до Qmin, и от Qmin до (2тах. 114
5.2. Регулирующие гидроаппараты В первой зоне характеристики отражена работа клапана первого каскада — повышение давления в систе- ме сопровождается появлением небольшого расхода через клапан. С увеличением расхода через клапан пер- вого каскада, начинает возрастать перепад давления на основном ЗРЭ 3, и в момент, когда расход станет больше, чем 0min, срабатывает второй каскад. Дальнейший рост расхода через клапан фактически не сопро- вождается повышением давления в контролируемой гидролинии. Сравнение характеристик наглядно показывает, что точность поддержания заданного давления клапана- ми непрямого действия значительно выше, чем клапанами прямого действия (Др^ДДг)- Двухкаскадная конструкция клапана позволяет осуществлять дистанционное управление давлением его срабатывания. Для этого пробку 1, закрывающую канал внешнего управления X, выворачивают и клапан че- рез управляющий распределитель подключают к дополнительному внешнему напорному клапану (одному или нескольким), который берет на себя функцию клапана первого каскада. Давление настройки внешнего клапана должно быть меньшее, чем давление срабатывания клапана пер- вого каскада. При включении распределителя (подключении внешнего напорного клапана) второй каскад на- порного клапана непрямого действия будет срабатывать, когда давление в контролируемой гидролинии пре- высит давление настройки внешнего клапана (рис. 5.40) Рис. 5.40. Пример схемы дистанционного управления напорным клапаном непрямого действия В исходном состоянии, когда управляющий распределитель с электромагнитным управлением 0.4 нахо- дится в нейтральной позиции, давление в системе равно 10 МПа (настройка клапана 0 3). При подаче внеш- него электрического сигнала, например, на электромагнит Y1, распределитель 0.4 переключится в позицию а, подключив к линии управления X клапана 0.3 клапан 0.5, настроенный на давление 8 МПа. Давление в системе, значение которого визуализируется манометром 0.2, станет равным 8 МПа. Переключением рас- пределителя 0.4 в позицию b в системе можно установить давление 6 МПа (давление настройки клапа- на 0.6). Путем комбинирования напорного клапана непрямого действия и распределителя с электромагнитным управлением получают клапан с разгрузкой по электрическому сигналу (рис. 5.41), который применяется для обеспечения безнапорной циркуляции жидкости, например во время пуска насосов. Под разгрузкой понимается такой режим работы клапана, когда жидкость протекает через него практически свободно. Свободный проход жидкости через клапан может быть обеспечен, если пружинную полость ЗРЭ вто- рого каскада соединить со сливом, при этом он начинает работать как простой обратный клапан. 115
5. Направляющая и регулирующая подсистема При отсутствии электрического сигнала на нормально закрытый 2/2-распределитель 1, напорный клапан непрямого действия 2 работает в штатном режиме. Включение распределителя 1 приводит к снижению давле- ния в пружинной полости ЗРЭ второго каскада клапана и, как следствие, к его полному открытию. В клапанах непрямого действия золотникового типа ЗРЭ 6 клапана первого каскада (пилотного клапана) — седельного типа, а ЗРЭ второго каскада 2 — золотникового типа (рис 5.42). Рис. 5 42. Напорный клапан золотникового типа непрямого действия Если давление в линии Р не превышает давления срабатывания клапана первого каскада, золотник 2 на- ходится в крайнем левом положении только под воздействием пружины 4, так как к его торцам по каналам 1 и 3 подводится одинаковое давление, равное давлению в канале Р (рис. 5.42, а). Когда уровень давления в канале Р превысит давление срабатывания пилотного клапана 6, последний откроется и перепустит часть жидкости в канал Т (рис. 5.42, б). Возникающий при этом перепад давления на дросселе 5 приведет к паде- 116
5.2. Регулирующие гидроаппараты нию давления в пружинной полости золотника 2. Перепад давления на торцах золотника 2 вызовет его сме- щение вправо, жидкость из канала Р начнет перетекать в канал Т; давление в канале Р останется на задан- ном уровне. Чтобы подчеркнуть функциональное назначение конкретного напорного клапана в гидросистеме, его мо- гут называть: предохранительный клапан; переливной клапан; клапан отключения; подпорный клапан; клапан последовательности. Рассмотрим назначение и названия напорных клапанов, примененных в гидроприводе, представленном на рис. 5.43. Клапан 1 — предохранительный. Устанавливается на насосной станции и используется для сброса давле- ния в аварийных (или других) ситуациях, когда давление рабочей жидкости превышает предельно допустимое для данной системы значение. Это клапан эпизодического действия, так как при нормальной работе системы он закрыт. Клапан 2 — переливной. Предназначен для поддержания требуемого рабочего давления в приводе, путем непрерывного слива части рабочей жидкости в бак. Давление срабатывания переливного клапана ниже дав- ления срабатывания предохранительного клапана. Клапан 3 — клапан отключения. Когда гидроцилиндры 1.0 или 3.0 совершают холостой ход, давление в системе низкое и подачи насосов Н1 (высокого давления) и Н2 (низкого давления) складываются для уве- личения скорости выходных звеньев. В момент, когда цилиндры начинают работать под нагрузкой, давле- 117
5. Направляющая и регулирующая подсистема ние в системе возрастает клапан 3 срабатывает, переключая насос большей производительности Н2 в ре- жим разгрузки (вся подача насоса поступает в бак). На систему работает только насос высокого давле- ния Н1. Клапан 4 — подпорный. Предназначен для создания подпора в линии слива распределителя 3.1. Клапан 5 — тормозной. Используется как предохранительный клапан при остановке гидроцилиндра 3.0 в промежуточном положении после выдвижении его штока, связанного с большими массами. Клапан 6 — клапан последовательности. Предназначен для последовательного срабатывания исполни- тельных механизмов. При переключении распределителя 1,1 в позицию а начинает выдвигаться шток цилинд- ра 1.0. Когда давление в его поршневой полости достигнет давления настройки клапана последовательности 6 (например, после полного выдвижения штока), начнет выдвигаться шток цилиндра 2.0. Редукционные гидроклапаны. Редукционные клапаны предназначены для поддержания в некоторой части гидросистемы, пониженного (редуцированного) давления относительно давления в основной гидроли- нии. При этом давление на выходе редукционного клапана автоматически поддерживается на заданном уров- не вне зависимости от изменения давления на входе (в основной гидролинии)* и от увеличения потребления жидкости на выходе. Как и напорные клапаны, редукционные клапаны разделяют на клапаны прямого и непрямого действия, а по количеству присоединенных гидролиний — на двухлинейные (рис. 5.44) и трехлинейные. Рис. 5.44. Двухлинейный редукционный клапан прямого действия Редукционный клапан является нормально-открытым клапаном, поэтому в начальный момент време- ни рост давления на входе в клапан (канал Р) сопровождается ростом давления на его выходе (канал А). При этом по каналу управления 1, соединяющему канал выхода А и левый торец золотника 2, на послед- ний действует давление, равное давлению на выходе клапана. Золотник 2 перемещает в сторону настро- ечной пружины 3, предварительное сжатие которой регулируется винтом 4. Перемещение золотника 2 со- провождается уменьшением проходного сечения клапана, и когда давление на выходе достигнет заданно- го уровня, клапан закроется. Золотник 2 будет находиться в состоянии равновесия — на левый торец действует заданное давление на выходе, на правый — настроечная пружина 3. Если давление на входе в клапан больше давления настройки, то его изменение не оказывает никакого влияния на равновесное со- стояние золотника 2. Падение давления на выходе клапана (например, при появлении расхода жидкости к потребителю) вызы- вает смещение золотника влево, что сопровождается увеличением проходного сечения клапана и уменьшени- ем перепада давления на нем — давление на выходе начинает расти. Таким образом, редукционный клапан автоматически поддерживает на заданном уровне давление на выходе. Если давление в основной гидролинии не станет ниже заданного выходного давления. 118
5.2. Регулирующие гидроаппараты Существенным недостатком двухлинейного редукционного клапана является невозможность поддержа- ния им заданного давления на выходе, если оно по каким-либо причинам (например, непредвиденное увели- чение нагрузки на исполнительном механизме) превысит заданный уровень. Данного недостатка лишены трехлинейные редукционные клапаны, которые в штатном режиме работают аналогично двухлинейным клапанам (рис. 5.45, а). Рис. 5.45. Трехлинейный редукционный клапан прямого действия Конструктивное и функциональное отличие трехлинейного редукционного клапана от двухлинейного за- ключается в наличии третьего канала — слива Т. Такая конструкция позволяет сохранять давление на выходе клапана (в канале А) даже если оно начнет превышать настроенное значение. При этом золотник клапана, пе- рекрыв к этому моменту канал Р, смещается еще правее, соединяя каналы А и Т между собой; часть жидкости из линии А уходит на слив (рис. 5.45, б). Можно сказать, что в подобных случаях редукционный клапан работа- ет в режиме предохранительного клапана. Типичным примером применения редукционных клапанов являются приводы, исполнительные механиз- мы которых должны развивать постоянное по величине усилие. Например, в полиграфическом оборудовании при тиснении обложек книг, используют гидравлические прессы, развиваемое усилие которых поддерживает- ся постоянным на протяжении всей рабочей операции. Для того, чтобы избежать повреждение материала об- ложки и учесть его свойства (толщина, плотность и т,п.) величина усилия тиснения может быть отрегулирова- на (рис. 5.46). Рис. 5.46. Пример использования редукционного клапана в прессе для тиснения 119
5. Направляющая и регулирующая подсистема Усилие, развиваемое гидроцилиндром 1.0 при прямом ходе (операция тиснения), определяется давлени- ем в его поршневой полости, величина которого задается редукционным клапаном 1.02. Поскольку через двухлинейный редукционный клапан жидкость не может протекать в направлении А-P, то при обратном ходе цилиндра жидкость подается на слив в обход редукционного клапана 1.02 через обратный клапан 1.01. Для поддержания пониженного давления в потоках с большими расходами применяют редукционные кла- паны непрямого действия (рис. 5.47). В исходном положении клапан открыт, поскольку подпружиненный ЗРЭ основного каскада 2 находится в нижнем положении и через его цилиндрические окна жидкость поступает из канала Р в канал А. Рабочая жидкость под давлением, равным давлению в канале А, через дроссель 1 и канал 3 подается к пилотному клапану 5 (ЗРЭ 6 которого в исходном положении закрыт) и через дроссель 4 в пружинную полость основно- го ЗРЭ 2. Когда давление в канале А достигает заданного уровня ЗРЭ 6 пилотного клапана 5 поднимается с седла и часть жидкости уходит в канал Y, при этом давление в пружинной полости основного ЗРЭ 2 падает. Вследст- вие возникшего перепада давления ЗРЭ 2 поднимается, сжимая пружину и перекрывая проход рабочей жид- кости из канала Р в канал А. Расход рабочей жидкости через клапан регулируется таким образом, чтобы дав- ление в канале А оставалось постоянным. Для обеспечения свободного протекания рабочей жидкости через редукционный клапан в направлении А-P, в корпусе клапана смонтирован обратный клапан 8 (показан условно). Завершая рассмотрение аппаратуры регулирования давления в гидросистемах, подведем некоторые итоги. Клапаны давления подразделяются на два типа- напорные и редукционные. Назначение напорных клапанов — предотвращение повышения давления в контролируемых точках сверх заданного уровня путем автоматического отвода части рабочей жидкости в гидробак. Назначение редукционных гидроклапанов — поддерживать относительно стабильный уровень давления на выходе (ниже величины давления питания) независимо от колебаний давления в подводящей гидролинии, а также при изменении расхода рабочей жидкости за клапаном. Принципиальные отличия между двумя рассмотренными типами клапанов состоят в следующем: на- порные клапаны контролируют давление на входе, а редукционные — на выходе; напорные клапаны являют- ся нормально закрытыми, тогда как редукционные — нормально открытыми. 120
5.2. Регулирующие гидроаппараты 5.2.2. Гидроаппараты управления расходом Основным назначением гидроаппаратов, управляющих расходом жидкости в гидроприводах, является из- менение скорости движения выходных звеньев исполнительных механизмов — линейных скоростей движе- ния штоков гидроцилиндров или частот вращения выходных валов гидромоторов. Исходя из того, что макси- мально возможная скорость выходных звеньев, развивается тогда, когда вся рабочая жидкость, подаваемая насосом, поступает в исполнительный механизм, следует, что аппараты управления расходом могут изменять скорость от максимального до требуемого значения, путем уменьшения количества подаваемой в исполни- тельные механизмы рабочей жидкости*. Расход рабочей жидкости, поступающей к исполнительному механизму, может быть изменен путем объ- емного или дроссельного регулирования. Объемное регулирование расхода осуществляется за счет изменения объемной подачи насоса. Такой способ управления расходом характерен для гидросистем, источником энергии в которых является регули- руемый насос (рис. 5.48, а). При объемном регулировании скорость исполнительного механизма не зависит от изменения значения полезной нагрузки /’на нем, а определяется только объемной подачей насоса. Гидропривод имеет «жесткую» нагрузочную характеристику v =f(F). Дроссельное регулирование находит широкое применение в системах с насосами постоянной подачи и осуществляется путем отвода части жидкости, подаваемой насосом, обратно в бак (рис. 5.48, б). Изменение расхода поступающей к потребителю жидкости осуществляется путем уменьшения площади поперечного се- чения потока в аппарате управления расходом, что вызывает повышение давления перед ним и, как следст- вие, срабатывание переливного клапана. Обязательным условием использования дроссельного регулирова- ния является избыточность подачи насоса по отношению к расходу, требуемому для получения заданной ско- рости исполнительного механизма. Вид нагрузочной характеристики привода зависит от типа гидроаппарата управления расходом. В зависимости от функциональных возможностей гидроаппараты управления расходом делят на дроссе- ли и регуляторы расхода. Принципиальное отличие между этими типами гидроаппаратов состоит в том, что расход, проходящий через дроссели, зависит от нагрузки на исполнительном механизме, а регуляторы расхо- * В процессе настройки параметров гидропривода может производиться относительное увеличение скорос- ти исполнительного механизма, абсолютное значение которой будет оставаться меньше максимально возмож- ной. 121
5. Направляющая и регулирующая подсистема да обеспечивают автоматическое поддержание расхода на заданном уровне вне зависимости от изменения нагрузки. Дроссели. Дроссели, как аппараты управления скоростью выходного звена исполнительного механизма, применяют в тех случаях, когда на последний действует постоянная по величине нагрузка, либо когда измене- ние скорости допустимо или даже желательно при изменении нагрузки Дроссели представляют собой местные гидравлические сопротивления расход рабочей жидкости через которые определяется из известного соотношения 0 = МДР 2Чр р где Q — расход, м3/с; m — коэффициент расхода (0,6-0,9); Лдр — площадь проходного сечения, м2; ДДдр — перепад давления на дросселе, Па; р — плотность жидкости, кг/м3. Для прикладных расчетов удобнее использовать формулу Q — 0,6.4др д^ДДдр , где Q — расход, л/мин; Лдр — площадь проходного сечения, мм2; Дддр — перепад давления, бар. Дроссели, через которые жидкости протекают в ламинарном режиме, называют линейными (рис. 5.49, а), а дроссели с турбулентным течением — квадратичными (рис. 5.49, б) Рис. 5.49. Схемы линейного (а) и квадратичного (б) дросселей В линейных дросселях потеря давления происходит по длине канала, определяется вязким сопротивлени- ем потоку и является практически линейной функцией скорости течения жидкости. Поскольку расход в таких дросселях зависит от вязкости рабочей жидкости, то линейные дроссели используют в приводах, работающих в условиях достаточно стабильных температур. В квадратичных дросселях потеря давления обусловлена в основном потерями энергии при внезапном су- жении и расширении потока жидкости и практически пропорционально квадрату скорости потока, ввиду чего такие дроссели и называют квадратичными. Расход через такие дроссели фактически не зависит от вязкости рабочей жидкости Из приведенного выше уравнения для определения расхода через дроссель можно сде- лать вывод, что с технической точки зрения, наиболее простым способом изменения величины расхода, явля- ется изменение площади проходного сечения дросселя. Если в конструкции дросселя заложена возможность изменения площади проходного сечения дроссели- рующей щели, то такие дроссели называют регулируемыми, в противном случае — нерегулируемыми (рис. 5.49). 122
5.2. Регулирующие гидроаппараты Конструкции регулируемых дросселей линейного и квадратичного типов приведены на рис. 5.50. В линейном дросселе резьбового монтажа (рис. 5.50, а) рабочая жидкость через радиальные отверстия 4 в корпусе 1 поступает к дросселирующей щели 3, образованной корпусом 1 и регулирующей муфтой 2. Посколь- ку муфта 2 соединена с корпусом 1 посредством резьбы, вращением муфты можно изменять взаимное поло- жение корпуса и муфты, а, следовательно, и проходное сечение дросселирующей щели 3. Рис. 5.50. Регулируемые дроссели: а — линейный; б — квадратичный Управление расходом в квадратичном дросселе (рис. 5.50, б) осуществляется поворотом рукоятки 1, свя- занной с кулачком 2. При этом торцовая поверхность кулачка 2 меняет проходное сечение окна 4 выполненно- го во втулке 3. В качестве устройств управления скоростью движения ыходного звена исполнительного механизма, дроссели могут устанавливаться в линии нагнетания (рис. 5.51, а), слива (рис. 5.51, б) или в ответвлении (рис. 5.51, в). Поскольку при прохождении жидкости через дроссель часть энергии давления преобразуется в тепловую энергию, установка дросселей в линии нагнетания (рис. 5.51, а) нежелательна, так как это приводит к нагрева- нию устройств, расположенных за дросселем, в частности — исполнительного механизма. При размещении дросселей в линии слива или в ответвлении (рис. 5.51, б, в) нагретая при прохождении через них рабочая жидкость поступает в гидробак. 123
5. Направляющая и регулирующая подсистема Во многих технологических установках применяют путевые дроссели (рис. 5.52, а), которые позволяют плавно изменять скорость исполнительного механизма в процессе движения рабочих органов машины. В путевом дросселе проходное сечение рабочей щели 4 может меняться плавно под внешним воздействи- ем на рычаг 1 с роликом, находящимся в контакте с копиром, установленным на подвижной части машины. По- ворот рычага 1 вокруг своей оси преобразуется через толкатель 2 в поступательное перемещение дроссели- рующего элемента 3. По существу путевой дроссель представляет собой дросселирующий нормально открытый 2/2-распреде- литель. В условном графическом обозначении возможность плавного перехода из одной позиции распреде- лителя в другую (возможность плавного изменения проходного сечения от полностью открытого до полностью закрытого) обозначена параллельными линиями сверху и снизу символа распределителя. На рис. 5.52, б представлен фрагмент гидросхемы, в которой реализована функция плавного уменьшение скорости выдвижения штока цилиндра (плавное торможение). При реверсе гидроцилиндра скорость штока бу- дет плавно увеличиваться по мере его втягивания (плавный разгон). Путевые дроссели применяют, главным образом, для управления рабочими органами машин, работаю- щих по циклу: быстрый подвод — рабочая подача — быстрый отвод, причем команда на переход в тот или иной режим реализуется от кулачка, установленного на рабочем органе Во всех рассмотренных выше примерах изменение проходного сечения дросселей вызывает изменение скорости как прямого, так и обратного хода гидроцилиндра. Если необходимо дросселировать поток рабочей жидкости при ее движении в одном направлении, и обеспе- чивать свободное ее протекание в обратном, применяют дроссели с обратным клапаном (рис. 5.53). Рис. 5.53. Дроссель с обратным клапаном При движении жидкости в направлении A-В поток дросселируется, поскольку встроенный в корпус 1 об- ратный клапан 2 поджат к седлу пружиной и давлением рабочей жидкости. Движение потока в направлении В-A открывает обратный клапан 2, что позволяет рабочей жидкости свободно протекать через аппарат. 124
5.2. Регулирующие гидроаппараты Как правило, дроссели с обратными клапанами используют для независимого управления скоростями пря- мого и обратного хода исполнительных механизмов (рис. 5.54). Рис. 5.54. Схемы установки дросселей с обратными клапанами Для управления скоростью выдвижения штока гидроцилиндра дроссель с обратным клапаном обычно ус- танавливают на линии, связанной со штоковой полостью гидроцилиндра (рис. 5.54, а). При этом обратный кла- пан должен быть расположен таким образом, чтобы обеспечивать свободное протекание рабочей жидкости к цилиндру. В противном случае изменение проходного сечение дросселя будет приводить к изменению скоро- сти втягивания штока, а скорость выдвижения штока будет оставаться неуправляемой. Независимое управление скоростью втягивания штока осуществляется установкой дросселя с обратным клапаном в линии, связанной с поршневой полостью гидроцилиндра (рис. 5.54, б). Независимое друг от друга управление скоростями прямого и обратного ходов исполнительных механизмов осуществляется установкой двух дросселей с обратными клапанами в соответствующих гидролиниях (рис. 5.54, в), либо посредством ус- тановки сдвоенного дросселя с обратным клапаном (рис. 5.55). Сдвоенный дроссель с обратным клапаном состоит из корпуса 1, втулок 2 и 8, и подпружиненных дросселей 4 и 7. Крайнее выдвинутое положение каждого дросселя, например 4, относительно втулки 2, ограничивается стопорным кольцом 3. Положение сборочного узла втулка — подпружиненный дроссель относительно корпуса 1 задает величину дросселирующей щели 6, и может изменяться путем внешней настройки. При движении рабочей жидкости сверху вниз, например из канала А1 в канал А2, дроссель 4 остается в вы- двинутом положении, так как жидкость под давление через канал 5 поступает под его левый торец. Таким об- разом, протекание жидкости в данном направлении может осуществляться только через дросселирующую щель 6. Поток жидкости, движущийся снизу вверх, например из канала В2 в канал В1 проходит свободно, поскольку дроссель 7 смещается вправо и полностью открывает проходное сечение. Это смещение дросселя осуществ- ляется под действием давления на его левый торец, которое передается по каналу 9. Рассмотренный сдвоенный дроссель с обратным клапаном является аппаратом модульного исполнения (см. разд. 8.4) и помимо регулирования скоростей движения выходных звеньев исполнительных механизмов может использоваться для регулирования времени срабатывания распределителей с электрогидравличе- ским управлением. 125
5. Направляющая и регулирующая подсистема Регуляторы расхода. Регуляторы расхода — гидроаппараты, обеспечивающие пропускание постоянного объемного расхода рабочей жидкости в условиях изменения давления, как на их входе, так и выходе. Как пра- вило, регуляторы расхода применяют для поддержания заданной скорости исполнительных механизмов, ра- ботающих с переменной нагрузкой на выходном звене. При описании работы дросселей было показано, что расход через дроссель зависит от перепада давления на нем. Следовательно, если на дросселе поддерживать постоянный перепад давления, то объемный расход через него, также будет оставаться постоянным. Регуляторы расхода и представляют собой комбинацию регу- лируемого дросселя и регулятора, поддерживающего постоянный перепад давления на нем (рис. 5.56). Рис. 5.56. Двухлинейный регулятор расхода Двухлинейный регулятор расхода состоит из корпуса 7, установочного дросселя 6 и подпружиненного ре- гулировочного дросселя 3. Установочный дроссель 6 служит для настройки значения расхода, протекающего через регулятор путем предварительной установки проходного сечения дросселирующей щели. Для поддер- жания постоянного значения перепада давления на ней служит регулирующий дроссель 3, проходное сечение 4 которого автоматически меняется в процессе работы. На левый торец регулирующего дросселя 3 действует пружина 2 и давление р3, равное давлению за установочным дросселем, а на правый торец действует давле- ние р2, равное давлению перед установочным дросселем. Давление на левый и правый торцы дросселя 3 пе- редается соответственно по каналам 1 и 5 По существу регулирующий дроссель 3 в совокупности с пружиной 2 и каналами 1 и 5 представляет собой клапан постоянной разности давления, выполненный на базе редукционного клапана (что наглядно отобража- ется в развернутом условном графическом обозначении двухлинейного регулятора расхода). Рассмотрим условие равновесия регулирующего дросселя 3: FnP +Р3А=р2А, Л,Р =А>Л-р3Л; ^пР = л(р2-р3); =(Р2-/’з)- А Поскольку сила пружины Fnp и площадь Л торца регулирующего дросселя 3 величины постоянные, то и перепад давления Ар на установочном дросселе 6, равный их отношению, также есть величина постоян- ная: Ар = (р2~ Рз) = conSt. 126
5.2. Регулирующие гидроаппараты Принцип действия двухлинейного регулятора расхода рассмотрим на примере гидропривода, представ- ленного на рис. 5.57.* В этом приводе давление в напорной линии, а следовательно и на входе в регулятор расхода остается постоянным и определяется настройкой переливного клапана (Jp1 = 16 МПа). Давление на выходе регулятора расхода р3 зависит от нагрузки F на гидроцилиндр и равно давлению в поршневой полости гидроцилиндра. Рис. 5.57. Принцип действия двухлинейного регулятора расхода Допустим, что в ситуации, когда на цилиндр действует нагрузка F, (рис. 5.57, а), в его поршневой полости и на выходе регулятора расхода устанавливается давление р3 = 9 МПа. Под действием этого давления регули- рующий дроссель занимает такое положение, что на его дросселирующей щели создается перепад давлений Pi~p2 = 6 МПа, т.е. давление р2 становится равным 10 МПа. Расход жидкости, протекающий через регулятор расхода и поступающий в гидроцилиндр (?ц = 6 л/мин, определяется площадью проходного сечения устано- вочного дросселя и перепадом давления на нем, Др = р2-р3 =1 МПа. При возрастании нагрузки на гидроци- линдр до значения F2, давление р3 становится равным 13 МПа, что приводит к смещению регулирующего дросселя вправо и увеличению его проходного сечения (рис. 5.57, 6). Сопротивление потоку жидкости через регулирующий дроссель уменьшается и на нем устанавливается меньший перепад давлений ру-р2= 2 МПа. Поскольку давление р2 становится равным 14 МПа, то перепад дав- ления на установочном дросселе р2-р3 остается равным 1 МПа, что обеспечивает протекание через него прежнего расхода £?ц = 6 л/мин. * Для упрощения пояснения потерями в трубопроводах и гидрораспределителе пренебрежем. 127
5. Направляющая и регулирующая подсистема Аналогичные рассуждения справедливы и для случаев изменения давления ру на входе регулятора, кото- рое может происходить в случае совместной работы нескольких исполнительных механизмов от одной насос- ной станции. В трехлинейных регуляторах расхода установочный и регулирующий дроссели располагаются не после- довательно, как в двухлинейных регуляторах, а параллельно (рис. 5.58, а). Базовым элементом конструкции является предохранительный клапан. Рис. 5.58. Трехлинейный регулятор расхода Постоянство перепада давлений Ад=р^~р2 на установочном дросселе 1 обеспечивается за счет слива час- ти потока (?сл рабочей жидкости (разницы между подачей насоса QH и установленным расходом QyCT; Qcr = - ен-еуст) через предохранительный клапан, ЗРЭ 2 которого выполняет функцию регулирующего дросселя, в бак по каналу Т Такая конструкция и принцип действия регулятора предопределяют место его установки в приводе — только в линии подвода жидкости к потребителю. Увеличение давления р2 на выходе В регулятора (за установочным дросселем) передается через канал 5 на правых торец ЗРЭ 2 предохранительного клапана, что приводит к его смещению влево, т.е. к уменьшению проходного сечения дросселирующей щели 3 Перепад давления Ар = р^-рС!} на ЗРЭ 2 возрастает, давление р^ перед установочным дросселем увеличивается, перепад давления на установочном дросселе 1, а следова- тельно и расход (2уст через него остается прежним. Уменьшение давления р2 будет сопровождаться увеличе- нием проходного сечения дросселирующей щели 3, а, следовательно, уменьшением давления р1 и сохранени- ем величины перепада давления Ар = р--р2 на установочном дросселе 1. Если сообщить со сливом пружинную полость ЗРЭ 2, то под действием давления ру на его левый торец он сместится в крайнее правое положение, т.е. площадь его проходного сечения 3 увеличится до максимального значения. При этом весь расход жидкости, подаваемый насосом, по каналу Т будет возвращаться в бак (Осл ~ Q»)- Таким образом, выкрутив пробку 4 и соединив канал X трехлинейного регулятора расхода через управляющий распределитель со сливной линией, можно разгружать гидросистему от давления по внешнему управляющему сигналу. Обычно в конструкцию трехлинейного регулятора расхода вводят еще один предохранительный клапан (рис. 5.58, б), что расширяет его функциональные возможности: если давление р2 превысит давление на- стройки дополнительного клапана, то аппарат работает в режиме предохранительного клапана непрямого действия, защищая гидросистему от перегрузки. Несмотря на одинаковое функциональное назначение — поддержание постоянного по величине расхода рабочей жидкости в условиях изменяющейся нагрузки — двухлинейные и трехлинейные регуляторы расхода отличаются друг от друга не только конструктивными особенностями и принципом действия, но и влиянием на работу привода в целом. 128
5.2. Регулирующие гидроаппараты В качестве примера рассмотрим две схемы гидропривода вальцов трубогибочного станка (рис. 5.59), в ко- тором для обеспечения требований техпроцесса гибки труб, скорость движения вальцов должна оставаться постоянной на протяжении всей рабочей операции. Рис. 5.59. Схемы гидропривода (а, б) вальцов трубогибочного станка (в) При использовании двухлинейного регулятора расхода (рис. 5.59, а) рабочий ход гидроцилиндра осущест- вляется при работе насоса под максимальным давлением — давлением настройки предохранительного кла- пана. Такой режим сопровождается большими потерями мощности и сильным тепловыделением, даже когда гидроцилиндр преодолевает небольшую нагрузку*. Кроме того, установка регулятора расхода на выходе гид- роцилиндра приводит к тому, что все элементы последнего находятся под действием максимального рабоче- го давления даже при холостом ходе (без нагрузки). В гидросхеме с трехлинейным регулятором расхода (рис. 5.59, б) давление на выходе насоса превышает давление в гидродвигателе только на величину потерь давления в регулирующем дросселе самого регулято- ра. Таким образом, применение трехлинейного регулятора расхода уменьшает потери мощности, повышает КПД системы и снижает тепловыделение. Применение регуляторов расхода в гидроприводах дроссельного регулирования позволяет получить на- грузочную характеристику по жесткости, не уступающую аналогичной характеристике гидропривода с объем- ным регулированием. При этом стоимость гидропривода, в котором используются дешевые нерегулируемые насосы, будет существенно ниже стоимости гидропривода с объемным регулированием. Однако следует учи- тывать, что гидроприводы с дроссельным регулированием существенно проигрывают гидроприводам с объ- емным регулированием по КПД, поэтому объемный способ регулирования может быть рекомендован для ис- пользования в гидроприводах большой мощности. Делители потока. В процессе работы некоторых гидрофицированных машин требуется синхронное дви- жение выходных звеньев гидродвигателей (движение с одинаковой скоростью), питающихся от одного насоса. Параллельное подключение, например, двух одинаковых гидроцилиндров не обеспечивает их синхронное пе- ремещение, поскольку шток более нагруженного цилиндра будет двигаться медленнее. Для поддержания равных скоростей движения одинаковых исполнительных механизмов необходимо обеспечить равенство рас- ходов поступающей в них рабочей жидкости. * Уменьшить потери мощности можно путем установки в системе переливного клапана, настройка которого должна незначительно превышать максимально возможное давление в гидродвигателе. 129
5. Направляющая и регулирующая подсистема Гидроаппараты, предназначенные для разделения потока рабочей жидкости на два параллельных потока и поддержания необходимого соотношения расходов жидкости в них, называют делителями потока. Наибо- лее распространенной является конструкция делителя потока дроссельного типа (рис. 5.60). Рабочая жидкость, поступающая в делитель по каналу Р, через балансные гидродроссели 3 и 4, имеющие одинаковые гидравлические сопротивления, подается в торцевые полости золотника 1. Из них через регули- руемые дроссели 2 и 5, жидкость поступает в каналы выхода А и В. При равенстве давлений в каналах А и В (рис 5.60, а) золотник 1 находится в нейтральном положении, при котором регулируемые дроссели 2 и 5 име- ют равные проходные сечения (одинаковое гидравлическое сопротивление). На обоих дросселях 3 и 4 проис- ходят равные потери давления и, в результате, в выходные каналы поступают одинаковые расходы жидкости, равные половине подачи в канал Р. Если нагрузка на одном из исполнительных механизмов увеличивается (рис. 5.57, б), давление в соответ- ствующем канале делителя потока, например, давление р5 в канале В, возрастает, что сопровождается рос- том давления д3. При этом перепад давления Ад = ру-р3 на балансном дросселе 4 уменьшается, что приводит к снижению расхода через него и в канале В соответственно. Под действием возросшего давления д3 золотник 1 смещается влево, проходное сечение регулирующего дросселя 2 уменьшается и перепад давлений Ад = д2-д4 на нем возрастает. Золотник 1 установится в новом равновесном положении, при котором давление д2 станет равным давлению д3. На дросселе 3 установится но- вый перепад давлений Ад = Д^Дг, равный перепаду Ад = Д^-Дз на дросселе 4. Таким образом, расходы в кана- лах А и В уменьшатся, но останутся равными. На точность деления расходов влияют: точность и симметричность изготовления золотника и дросселей, стабильность и одинаковость гидравлических характеристик дросселей. При необходимости деления потока на две неравные части, требуемое соотношение расходов в параллельных потоках обеспечивается установ- кой соответствующих балансных дросселей 3 и 4 с разным гидравлическим сопротивлением в нужной про- порции. В случаях, когда в гидроприводе необходимо поддерживать определенное соотношение расходов в па- раллельных линиях при их слиянии, используются сумматоры потока с принципом действия, аналогичным рассмотренному. 130
6. Информационная подсистема Нормальное функционирование гидроприводов с поддержанием требуемых от них характеристик, таких как быстродействие, развиваемые усилия, плавность ходов исполнительных механизмов, обеспечивается ра- ботоспособностью составляющих ее компонентов. Поскольку непосредственно оценить состояние того или иного элемента гидропривода без его демонтажа и разборки невозможно, информацию о состоянии отдель- ных элементов и привода в целом получают опосредованно — путем контроля основных параметров рабочей жидкости: давления, расхода и температуры. Измерение и оценку рабочих параметров рабочей жидкости необходимо осуществлять не только для монито- ринга текущего состояния системы, но и для предсказания возможных отклонений в ее функционировании 6.1. Контроль давления Манометры. Манометры применяют для прямого измерения давления с отображением его значения не- посредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора. В гидросистемах обыч- но применяют стрелочные деформационные манометры, давление в которых определяется по величине де- формации и перемещения упругого чувствительного элемента — трубки Бурдона (рис. 6 1, а, б) или мембраны (рис. 6.1, в). Рис. 6.1. Конструкции манометров В манометрах первого типа рабочая жидкость под давлением через штуцер 1 подается в специальным об- разом спрофилированную тонкостенную трубку 3. Под действием давления трубка 3 распрямляется (рис. 6.1,6) и через тягу и зубчатый сектор 2 проворачивает находящееся с последним в зацеплении зубчатое колесо, же- стко связанное со стрелкой Стрелка перемещается относительно шкалы с рисками, соответствующими опре- деленным значениям давления в трубке. При этом максимальное измеряемое статическое давление не долж- но превышать 3/4 верхнего предела измерений, а при измерении переменного давления показания маномет- ра не должны превышать 2/3 верхнего предела. Манометры с трубкой Бурдона нельзя использовать для контроля давления агрессивных по отношению к медным сплавам жидкостей, а также жидкостей с высокой вязкостью В подобных случаях применяют мано- метры с мембраной (рис. 6.1, в). Жидкость под давлением через штуцер 1 подается под мембрану 2, которая, деформируясь, через толкатели 3 и 4 также проворачивают зубчатый сектор 5, кинематически связанный с указательной стрелкой. Стрелочные манометры сравнительно просты конструктивно, однако, их измерительная система весьма чувствительна к пульсациям давления и не допускает перегрузки, что часто встречается в гидросистемах Для измерения давления в системах, работа которых сопровождается вибрациями или пульсациями давления, корпуса манометров заполняют демпфирующей жидкостью, например глицерином. 131
6. Информационная подсистема Если манометры выполняют также некоторые функции управления, они могут комплектоваться электро- механическими микровыключателями, которые замыкают (или размыкают) определенные электрические це- пи при достижении давлением заданных предельных значений (рис. 6.2, а). При необходимости измерять раз- ность давления между двумя точками гидросистемы, например, перепад давления на фильтре, применяют дифференциальные манометры (рис. 6.2, б, в). Рис. 6.2. Манометры: а—электроконтактный; б—дифференциальный струбкой Бурдона; в—диафрагменный В дифференциальных манометрах с трубкой Бурдона (рис. 6.2, б) используются две независимые трубки. Перемещения измерительных элементов, пропорциональные давлению, преобразуются механизмом индика- ции в соответствующий поворот стрелки относительно шкалы. В дифференциальных манометрах с диафрагмой давления в контролируемых точках подаются в разные полости манометра: от одной точки в поддиафрагменную полость, от второй — в наддиафрагменную. Под действием перепада давлений диафрагма прогибается и перемещает стрелку. Контрольные точки. Измерять давление в любой точке гидросистемы можно с помощью переносного ма- нометра, соединяемого с системой только на время измерения. Для этого используют специальные средства сопряжения, в состав которых входят контрольные точки давления (рис. 6.3, а), встроенные в нужных местах гидросистемы, а также соединительный шланг (рис. 6.3, б), с помощью которого манометр подключают к рабо- тающей системе без ее остановки. Конрольная точка давления представляет собой, по сути, миниатюрный обратный клапан, вворачиваемый в требуемое место гидросистемы. В нерабочем состоянии шаровой клапан 1 поджат к седлу пружиной, а канал сопряжения 2 закрыт колпачком 3. Для проведения замера колпачок 3 снимают, а на его место навинчивают накидную гайку 6 соединительного шланга. При этом полый палец 4 шланга поднимает шаровой клапан 1 с седла, а уплотнение 5 герметизирует канал сопряжения 2, гарантируя изоляцию гидросистемы от внешней среды. После окончания измерения шланг отсоединяют, колпачок 3 вновь навинчивают на корпус контроль- ной точки. 132
6.1. Контроль давления Переключатель манометра. Для централизованного контроля давления в нескольких точках гидросисте- мы используют переключатели манометра, которые позволяют подключать к одному манометру ту или иную точку гидросистемы (рис. 6.4). Рис. 6.4. Переключатель манометра При нажатии на рукоятку 1 переключателя, золотник 4 смещается вправо и через канал 5 давление из кон- тролируемой точки подается в канал М и далее на манометр, подсоединенный к переключателю с помощью трубопровода или шланга. После снятия усилия под действием пружины 2 рукоятка 1 возвращается в исход- ную позицию, связывая манометр со сливом — показание манометра обнуляется. Для выбора следующей точки рукоятку 1 проворачивают, и канал 5, выполненый в золотнике 4 фиксируется подпружиненным шари- ком 3 напротив одного из шести, расположенных по периметру цилиндрического корпуса, присоединительных отверстий Р. Более компактным является переключатель манометра, непосредственно в рукоятку 1 которого, встроен манометр 2 (рис. 6.5). Вращение рукоятки 1 сопровождается поворотом гильзы 6, в которой выполнены комму- никационные каналы 5, соединяющие манометр 2 с одной из шести точек замера давления Р, расположенных по периметру корпуса 4. Для разгрузки манометра 2 в гильзе 6 между точками измерения предусмотрены ка- налы 3, связывающие манометр с линией слива Т. Рис. 6.5. Переключатель манометра со встроенным манометром 133
6. Информационная подсистема Реле давления. Манометры выполняют функцию локального контроля и в большинстве случаев (за ис- ключением манометров с выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей автомати- зации. Для выполнения функций управления, а также дистанционного контроля заданных пороговых значений давления, в электрогидравлических системах применяют реле давления (рис. 6.6). Рис 6 6. Реле давления Давление, подаваемое на вход Р реле воздействует на плунжер 6, который начинает перемещаться вле- во, сжимая настроечную пружину 4. Если уровень давления оказывается достаточным, чтобы преодолеть уси- лие создаваемое пружиной 4, то перемещение плунжера 6 и толкателя 2 приводит к срабатыванию встроенно- го электромеханического микровыключателя 1, Настройка реле на требуемое давление осуществляется пу- тем вращения регулировочного винта 3, перемещение которого изменяет усилие предварительного поджатия пружины 4. Механический ограничитель хода 5 предохраняет микровыключатель 1 от поломки при перегрузке по давлению Другой вариант исполнения реле давления плунжерного типа представлен на рис. 6.7. Рис 6 7. Реле давления стыкового монтажа В данной конструкции плунжер 1 воздействует на опорную тарелку 3 пружины 4. Тарелка снабжена высту- пом, взаимодействующим с микровыключателем 2. Настройка предварительного сжатия пружины 4, а, следо- вательно и давления срабатывания реле, осуществляется вращением резьбовой втулки 5. Достоинством та- кого конструктивного исполнения является стыковой способ монтажа реле, т.е. возможность установки реле на присоединительную гидравлическую плиту. 134
6.1. Контроль давления Датчики давления. Помимо реле давления, выдающих при срабатывании дискретный электрический сиг- нал, для контроля текущего значения давления применяют измерительные преобразователи давления (ИПД) или датчики давления, которые преобразуют давление в стандартизованный электрический сигнал (0...5 и 0...10 В или 4...20 мА). По способу обработки и отображения измеряемого давления ИПД подразделяют на: первичные преобразователи (рис. 6.8, а) — формируют для дистанционной передачи выходной сигнал, соответствующий измеряемому давлению; вторичные преобразователи (рис. 6.8, б) — получают сигнал от первичных преобразователей, обраба- тывают его, накапливают, отображают и передают в систему управления. Существуют датч.ики, содержащие в единой конструкции и первичный, и вторичный преобразователи (рис. 6.8, в), а также датчики-дифманометры (рис. 6.8, г), позволяющие использовать для измерения разности дав- лений один прибор вместо двух обычных. Рис. 6.8. Датчики давления и цифровые индикаторы Известны десятки способов преобразования давления в электрический сигнал, но только некоторые из них получили широкое применение в общепромышленных ИПД. В наиболее распространенных тензорези- сторных датчиках давления чувствительным элементом является диафрагма, изготовленная, как правило, из нержавеющей стали, с закрепленными на ней тензорезисторами. Давление рабочей жидкости воздействует на диафрагму, упругая деформация которой вызывает изменение сопротивления расположенных на ней тензорезисторов, а встроенный или отдельно расположенный усилитель вырабатывает требуемые стандарт- ные электрические сигналы, которые передаются в систему управления или визуализируются цифровыми ин- дикаторами. С учетом конкретных условий преобразователи устанавливаются и закрепляются либо непосредст- венно на трубе в месте измерения давления, либо дистанционно на настенной панели с подводкой к из- меряемой среде посредством соединительных трубок. Кроме того, подключение датчиков осуществля- ется, как правило, через вентильный (клапанный) блок, позволяющий, во-первых, отключить через за- порный вентиль прибор от точки измерения, во-вторых, с целью контроля и поверки прибора в рабочих условиях подключить параллельно прибору через уравнительный вентиль другой контрольный (образ- цовый) прибор. Современные общепромышленные датчики давления — интегральные преобразователи с цифровым ин- терфейсом со встроенным микропроцессором. Они обладают свойствами диагностики и конфигурирования на расстоянии (установка нуля и диапазона шкалы, выбор технических единиц, ввод данных для идентифика- ции и физического описания датчика и т.п.), обеспечивают более высокое соотношение измеряемых диапазо- нов, улучшенную температурную компенсацию, повышенную точность. 135
6. Информационная подсистема 6.2. Контроль расхода Проблема создания и совершенствования методов и средств измерения расходов жидкостей в гидросис- темах, несмотря на определенный прогресс, остается весьма актуальной. Известно много разных типов рас- ходомеров и счетчиков количества протекающей жидкости, однако, почти все они создавались для других слу- чаев применения. Рассмотрим некоторые конструкции расходомеров, используемых в современных гидросистемах Поплавковые расходомеры. К поплавковым расходомерам постоянного перепада давления в первую очередь относятся ротаметры. В простейшем виде ротаметр (рис. 6.9, а) представляет собой вертикальную конусную стеклянную трубку 1, расширяющуюся к верху, внутри которой находится свободно перемещаю- щийся вверх и вниз поплавок 2 На верхнем ободке поплавка имеются бороздки, которые обеспечивают вра- щение поплавка в потоке жидкости и его самоцентрирование. Рис. 6.9. Поплавковые расходомеры Жидкость движется вверх по трубке, вынуждая поплавок подняться на определенную высоту и образовать такой кольцевой зазор между ним и стенками трубки, при котором силы, действующие на поплавок, уравнове- шиваются. Каждому значению расхода соответствует определенное положение поплавка. К основным преимуществам ротаметров можно отнести простоту конструкции, возможность измерения малых расходов, значительный диапазон измерения. Недостатком ротаметров является большая зависи- мость показаний от температурного изменения вязкости, особенно при малых расходах. На заводе-изготовителе ротаметры тарируют по воде или воздуху. Для применения ротаметров на других средах требуется индивидуальная градуировка. Для замеров расходов жидкости, находящейся под более высоким давлением, применяют расходомеры в металлическом корпусе (рис. 6.9, б). Корпус 5 представляет собой прямоточную трубу с фланцами на кон- цах, в которых крепится мерительный конус 4. Перемещающийся под воздействием измеряемого потока под- пружиненный поплавок 1, снабжен кольцевым постоянным магнитом 2, взаимодействующим с наружным кольцевым магнитом 3. Положение поплавка 1, соответствующее определенному расходу жидкости, отслежи- вается по положению магнита 3, перемещающегося вдоль измерительной шкалы. Недостатком описанных выше расходомеров является отсутствие возможности записи показаний. На рис. 6.9, в показан поплавковый расходомер, индикация результатов измерения в котором осуществля- ется непосредственно на шкале устройства. С помощью контактных переключателей или токового выхода ре- зультат измерения может быть предоставлен для дальнейшего использования. 136
6.2. Контроль расхода Турбинные расходомеры. Принцип действия турбинных расходомеров основан на измерении числа оборотов крыльчатки (турбинки), которая вращается со скоростью, пропорциональной расходу жидкости че- рез прибор. По конструктивному исполнению их подразделяют на две основные группы: крыльчатые (с танген- циальным подводом потока), в которых ось вращения крыльчатки перпендикулярна направлению движения жидкости, и турбинные (с аксиальным подводом потока), у которых ось вращения параллельна направлению движения потока (рис. 6.10). Рис. 6.10. Турбинный расходомер По сути турбинные расходомеры представляют собой генераторы электрических сигналов, частота кото- рых пропорциональна частоте вращения турбины и в итоге — расходу протекающей среды. В корпусе 1 расхо- домера в подшипниках 4 установлено рабочее колесо — турбинка 2, ось вращения которой параллельна на- правлению потока жидкости. В корпусе 1 размещен первичный преобразователь 3, генерирующий электриче- ский сигнал на своем выходе, когда в зоне его действия оказывается лопатка рабочего колеса 2. Полученные сигналы передаются во вторичный прибор, где обрабатываются, приводятся к стандартизованному виду и при необходимости визуализируются в оцифрованном виде. В настоящее время именно турбинные расходомеры обеспечивают высокую точность измерений, недос- тупную другим приборам. Но изделия такого класса достаточно дороги и имеют серьезные недостатки: боль- шой перепад давления и чувствительность к абразивному воздействию. Вихревые расходомеры. В основе принципа действия вихревых расходомеров лежит широко известное природное явление — образование вихрей за препятствием, стоящим на пути потока. При скоростях среды выше определенного предела вихри образуют регулярную дорожку, называемую «дорожкой Кармана» Час- тота образования вихрей при этом прямо пропорциональна скорости потока. Рис. 6.11. Вихревой расходомер В рабочем канале корпуса 1 расходомера установлен вихреобразователь 2, обтекая который поток разде- ляется и образует вихри, распространяющиеся попеременно сзади каждой стенки вихреобразователя. Эти за- 137
6. Информационная подсистема вихрения являются причиной появления областей с колебаниями давления, которые фиксируются чувстви- тельным элементом 4 датчика 3 и преобразуются в электрический частотный сигнал. Основные достоинства вихревых расходомеров отсутствие подвижных деталей, что обусловливает высо- кую надежность и стабильность метрологических характеристик; линейный выходной сигнал; широкий дина- мический диапазон измерений; малую потерю давления. Вихревые расходомеры с хорошей точностью изме- ряют скорость потока независимо от типа среды. К недостаткам следует отнести необходимость установки прибора на длинных (не менее восьми диамет- ров) прямолинейных участках трубопроводов. Наличие таких участков трубопровода до и после расходомера гарантирует исключение посторонних возмущений потока. Ультразвуковые расходомеры. Расход жидкости, протекающей через расходомер вычисляется путем измерения либо времени распространения ультразвука в потоке, либо изменения частоты ультразвуковых ко- лебаний (эффект Доплера). Прибор состоит из двух датчиков и блока электроники. Датчики 1 врезают в трубопровод, либо крепят на внешней поверхности трубы 2, и подключают к блоку электроники с дисплеем (рис. 6.12) Рис. 6.12. Ультразвуковой расходомер Датчики (ультразвуковые преобразователи), одновременно являясь и излучателями и приемниками, последовательно отправляют и принимают ультразвуковые сигналы. Сравнивая время прохождения сиг- налов по и против направления течения потока, прибор автоматически вычисляет скорость течения жид- кости. На основании произведенного замера и ранее занесенных данных о диаметре трубопровода, вто- ричный преобразователь производит вычисление объемного расхода, которые в виде стандартизо- ванного электрического сигнала подаются в систему управления, либо оцифровываются и выводятся на индикатор. Измерение расхода может производиться как при прямом, так и при обратном направле- нии потока. Для измерения расхода жидкостей в напорных трубопроводах наиболее часто применяют врезные ульт- развуковые расходомеры, поскольку их принято считать более точными по сравнению с расходомерами, ко- торые устанавливаются на внешней поверхности трубопровода (с накладными датчиками). Однако в на- стоящее время расходомеры с накладными ультразвуковыми преобразователями находят все более широ- кое применение. Это обусловлено тем, что расходомеры с накладными датчиками не требуют остановки технологических процессов для врезки в трубопровод и перекрытия вентилей, что особо ценно при экс- пресс-измерениях. Преимуществами расходомеров с накладными датчиками является и то, что при их установке не возника- ет падение давления в трубопроводе, нет влияния прибора на поток. Эти приборы отличает простота установ- ки, переноса и замены датчиков. 138
6.2. Контроль расхода Реле расхода. Реле расхода или индикаторы применяют в тех случаях, когда необходимо контролировать наличие расхода, имеющего определенное значение, в какой-либо магистрали гидросистемы и формировать при этом соответствующий информационный или управляющий сигнал. Например, для контроля утечек в ос- новном насосе системы, критическое значение которых свидетельствует о достижении насосом предельного состояния, когда его дальнейшая эксплуатация становится не только неэффективной, но и опасной, может ис- пользоваться реле расхода, изображенное на рис. 6.13. Рис. 6.13. Реле расхода В корпусе 1 расположена подпружиненная подвижная втулка 4, радиальные отверстия 2 которой образуют с цилиндрической проточкой 3 в корпусе 1 дросселирующие щели. При протекании жидкости через реле поло- жение втулки 4 относительно корпуса 1, а, следовательно, и площади проходных сечений дросселирующих щелей, будут определяться равновесием усилий действующих на втулку со стороны рабочей жидкости и пру- жины 5. Увеличение расхода жидкости через реле приводит к смещению втулки 2 в сторону увеличения пло- щадей дросселирующих щелей, а при достижении расходом некоторого порогового значения — к срабатыва- нию датчика 6. На рис. 6.14 показано реле расхода, система измерения которого состоит из подпружиненного поворотно- го рычага 4 и связанного с ним диска 5, расположенного в конической части 6 рабочего канала. Рис. 6.14. Реле расхода с индикатором При течении жидкости система измерения занимает позицию, в которой сила потока, действующая на диск 5, уравновешивается силой пружины. Таким образом, положение системы измерения соответствует текущему значению объемного расхода. Установленный на рычаге 4 постоянный магнит 3, через стенку корпуса взаимо- действует с постоянным магнитом 2, связанным с флажком-индикатором. Когда расход жидкости через реле достигает контролируемого значения, магнит 2 занимает положение, вызывающее срабатывание герконового выключателя 1. 139
6. Информационная подсистема 6.3. Контроль температуры Температура является одним из основных параметров, характеризующих состояние гидросистемы и ее компонентов (перегрев рабочей жидкости, например, может свидетельствовать об износе деталей насосов, аппаратов и гидродвигателей). Измерение температуры рабочей жидкости в гидросистемах осуществляется термометрами и датчиками температуры, которые, как правило, монтируются непосредственно на гидравли- ческом баке. Технические жидкостные стеклянные термометры расширения, принцип измерения которых основан на тепловом расширении жидкостей, выпускаются как в прямом, так и угловом исполнении (рис. 6.15, а). Ртутные стеклянные термометры расширения отличаются высокой точностью измерения, стабильностью градуиро- вочной характеристики и малой стоимостью. Однако их хрупкость, невозможность использования в АСУ и зна- чительные динамические, а иногда и методические погрешности ограничивают область применения. Более надежными и удобными в эксплуатации являются термометры циферблатного типа, чувствитель- ным элементом которых является биметаллическая спираль (рис. 6 15, б). Принцип действия таких термомет- ров основан на свойстве биметаллической спирали, изготовленной из двух металлов с различными коэффи- циентами объемного расширения, скручиваться или раскручиваться при изменении ее температуры. При этом связанная со спиралью стрелка термометра проворачивается относительно круговой шкалы на соответ- ствующий угол. Рис. 6.15. Термометры К термометрам циферблатного типа относятся и манометрические термометры (рис. 6.15, в) Принцип их действия основан на зависимости давления жидкости в замкнутом объеме от температуры. Манометрический термометр состоит из термобаллона, наполненного рабочим веществом, манометра, шкала которого програ- дуирована в единицах температуры, и соединяющей их капиллярной трубки. При нагревании термобаллона давление заключенного в нем рабочего вещества возрастает, что сопровождается поворотом стрелки мано- метра. Манометрические термометры могут работать в условиях вибрации, а также во взрыво- и пожароопасных помещениях. При их использовании следует иметь ввиду специфические погрешности, присущие манометри- ческим термометрам, вызываемые колебаниями барометрического давления или температуры окружающей среды, а так же взаимным расположением термобаллона и измерительного прибора. Для дистанционного измерения температуры рабочей жидкости применяют датчики температуры, чувст- вительными элементами которых обычно являются термосопротивления* (рис. 6.16, а). * Датчики, чувствительным элементом которых является термопара, предназначены для измерения темпера- тур более 300 С и для измерения температуры рабочей жидкости гидроприводов не применяются. 140
6.4. Контроль уровня рабочей жидкости в баке Термосопротивление представляет собой полупроводниковый резистор, обладающий свойством сущест- венно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры. Рис. 6.16. Датчики температуры Термосопротивление, расположенное внутри трубчатого зонда 1, и встроенный в головку датчика 2 изме- рительный преобразователь в виде герметичной «таблетки» (рис. 6,16, б) преобразуют измеряемую темпера- туру в унифицированный токовый выходной сигнал. Визуализация текущего значения температуры осуществ- ляется указателями, оснащенными цифровыми (рис. 6.16, в) или линейными световыми индикаторами (рис. 616, г). При этом на указателе температуры устанавливают заданную температуру рабочей жидкости, а затем в зависимости от реально измеренной температуры может быть автоматически включена либо система подогрева, либо система охлаждения 6.4. Контроль уровня рабочей жидкости в баке Для визуального контроля уровня жидкости в баке используются маслоуказатели — устройства подобные во- домерным стеклам. Маслоуказатели, встраиваемые непосредственно в боковую стенку гидравлического бака, вы- пускаются в нескольких модификациях: круглые (рис. 6.17), удлиненные и трубчатые (рис. 6.18). Для контроля верхнего и нижнего уровня масла в баке круглые маслоуказатели устанавливаются попарно Исполнение 1 Исполнение II Рис. 6.17. Круглые маслоуказатели Трубчатые маслоуказатели (рис. 6.18, б) предназначены для использования в оборудовании, не испыты- вающем при работе сильных толчков и тряски Их применяют только в тех местах, где нельзя установить встроенные круглые. Маслоуказатели должны иметь отметки предельно допустимых уровней. 141
6. Информационная подсистема Дистанционный контроль уровня масла в гидробаках может осуществляться с помощью емкостных бес- контактных выключателей или посредством реле и датчиков уровня. Емкостные выключатели, принцип дейст- вия которых основан на изменении электрической емкости чувствительного элемента, вызванного наличием или отсутствием масла в зоне его действия, устанавливаются попарно для контроля минимального и макси- мального допустимого уровня масла в баке Способность емкостных выключателей «чувствовать» наличие контролируемого объекта через стенку бака, позволяет устанавливать их без непосредственного контакта с маслом (рис. 6,19, а). Рис. 6.19. Датчики и реле уровня Принцип действия электромеханического реле уровня поплавкового типа (рис. 6.19, б) основан на измене- нии положения поплавка 4 под воздействием выталкивающей силы рабочей жидкости. Поплавок при своем перемещении рычагом 3 воздействует на микропереключатель, расположенный в корпусе 1 и включенный в электрические цепи сигнальных или пусковых устройств. Функцию разделителя между рабочей жидкостью в баке и окружающей средой выполняет сильфон 2, приваренный к фланцу корпуса. Более традиционным решением задачи контроля двух предельных уровней масла в баках является приме- нение электронных датчиков уровня (рис 6.19, в). Принцип их действия основан на преобразовании в электри- ческий релейный сигнал изменения параметров катушек индуктивности, расположенных в погружаемом в рабо- чую жидкость зонде 2, вследствие перемещения поплавка 3 при изменении уровня контролируемой среды. Дос- тоинством таких датчиков является отсутствие в конструкции релейно-контактных устройств, а также удобство их монтажа — корпус 1 датчика вворачивается непосредственно в крышку бака. 142
6.5. Контроль чистоты рабочей жидкости 6.5. Контроль чистоты рабочей жидкости Надежность и долговечность гидроприводов находятся в прямой зависимости от чистоты рабочей жидко- сти. Анализ отказов и нарушений работы гидропривода показывает, что около 80 % гидравлических устройств выходят из строя вследствие износа основных деталей, вызванного недопустимым загрязнением рабочей жидкости. Степень чистоты рабочей жидкости, а, следовательно, и степень надежности работы гидроприво- дов можно определить, если известны гранулометрический состав загрязнений и их весовая концентрация в единице объема контролируемой рабочей жидкости. Один из способов определения чистоты рабочей жидкости — метод отбора проб и микроскопического ана- лиза — заключается в том, что из гидросистемы берется проба масла, каплю которого переносят на фильтро- вальную бумагу — тест мембрану. При этом образуется пятно, которое сравнивается с образцами-эталонами (рис. 6.20). Этот метод позволяет определить наличие, размеры и природу частиц загрязнений, а также класс чистоты рабочих жидкостей путем подсчета под микроскопом частиц загрязнений. 0,10 . 0,80 % механических примесей До 0,05 % механических примесей 0,05 .0,10 % механических примесей 0,80 % и более механиче- ских примесей Рис. 6.20. Эталоны масляных пятен Метод отбора проб и микроскопического анализа дает достаточно достоверные результаты (доверитель- ная вероятность 95 %), но сложен, трудоемок и длителен. В настоящее время метод микроскопического анализа все чаще заменяется автоматизированным контро- лем чистоты жидкости при помощи специальных приборов. Они предназначены для измерения размеров и оп- ределения количества инородных частиц в маслах, топливе и моющих жидкостях. Определение размеров частиц производится с помощью фотоэлектронных датчиков, которые монтируют- ся в разрывах гидролиний технологического оборудования, что позволяет осуществлять непрерывный кон- троль чистоты рабочей жидкости в различных точках гидросистемы, например, после насоса, на входе и выхо- де из исполнительного механизма, на выходе теплообменника и т.п. В соответствии с ГОСТ 17216-2001 измеренные частицы загрязнений относят к одному из пяти размерных диапазонов 5...10; 10. ..25; 25. ..50; 50...100 и свыше 100 мкм. Приборы контроля рабочей жидкости позволяют быстро (в течение одной минуты) и объективно произво- дить автоматический гранулометрический анализ чистоты рабочей жидкости, как в непрерывном потоке рабо- чей жидкости непосредственно в процессе работы гидросистемы, так и в контрольных пробах при экс- пресс-анализе в лабораторных условиях. Погрешность измерения составляет 25.. 30 %. Метод автоматизированного контроля уровня загрязненности рабочей жидкости позволяет определить основной источник загрязнения (по анализу дисперсионного состава загрязнений), эффективность очистки рабочих жидкостей в баках и фильтрах, момент достижения предельного эксплуатационного уровня загряз- ненности рабочей жидкости. Недостатком контроля чистоты рабочей жидкости в работающей гидросистеме является большая погреш- ность измерения при наличии в потоке жидкости пузырьков нерастворенного воздуха. 143
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением Современные электрогидравлические приводы являются изделиями высоких технологий, сочетающими в себе силовые и динамические свойства гидроприводов с постоянно расширяющимися возможностями микро- электроники. Наиболее интенсивное внедрение приобретают гидроаппараты с электрическим пропорцио- нальным управлением, позволяющие осуществлять дистанционное бесступенчатое регулирование основных параметров потока рабочей жидкости: расхода и давления. Для ознакомления с преимуществами гидроаппаратов с электрическим пропорциональным управлением по отношению к изложенным выше с дискретным управлением (работающим по принципу «открыт—закрыт») рассмотрим две схемы электрогидравлических приводов, работающих по циклу: быстрый подвод — рабочая подача — быстрый отвод (рис. 7.1). Рис. 7.1. Гидроприводы с дискретным (а) и пропорциональным (б) электрическим управлением В обеих схемах реверсирование движения гидроцилиндра 1.0 осуществляется подачей управляющих электрических сигналов на электромагниты Y1 и Y2 распределителя 1.1; переход на рабочую подачу (пони- женную скорость выдвижения) осуществляется по сигналу от путевого выключателя S1. Гидропривод с электрическим дискретным управлением (рис. 7.1, а). Выдвижение штока гидроцилиндра 1.0 осуществляется при подаче напряжения на электромагнит Y1. Шток выдвигается с максимальной скоро- стью, так как слив из штоковой полости цилиндра осуществляется через нормально открытый 2/2-распредели- тель 1.02 При достижении штоком путевого выключателя S1, происходит переключение распределителя 1.02 и рабочая жидкость из гидроцилиндра 1.0 начинает поступать на слив через дроссель с обратным клапаном, 1.04, скорость выходного звена снижается — выполняется рабочая подача. Возврат штока гидроцилиндра в исходную позицию осуществляется с высокой скоростью при подаче сигнала управления на электромагнит Y2. Переключение распределителей 1.1 и 1.02 сопровождается резким изменением давления в полостях гид- роцилиндра 1.0, вследствие чего поршень движется с резкими ускорениями. Дистанционное регулирование давления в приводе осуществить невозможно. Гидропривод с электрическим пропорциональными управлением (рис. 7.1, б). Гидрораспределитель с электрическим пропорциональным управлением 1.1 изменяет не только направление, но и расход проходя- щей через него рабочей жидкости. Эти функциональные возможности аппарата обеспечивают плавное изме- 144
7.1. Пропорциональные электромагниты нение скоростей движения гидроцилиндра 1 0, что позволяет упростить гидравлическую схему привода, ис- ключив из нее 2/2-распределитель и дроссель с обратным клапаном. При подаче максимального по уровню управляющего сигнала на пропорциональный электромагнит Y1 скорость выдвижения штока максимальна. При достижении штоком путевого выключателя S1 уровень сигна- ла на пропорциональный электромагнит Y1 снижается, что сопровождается уменьшением скорости выдвиже- ния штока. Быстрый возврат выходного звена осуществляется при подаче максимального по уровню управ- ляющего сигнала на пропорциональный электромагнит Y2. Переливной клапан с пропорциональным электрическим управлением 0.2 позволяет дистанционно управ- лять давлением в приводе. Например, при движении гидроцилиндра без нагрузки давление может быть пони- женным, а при переходе на рабочую операцию давление повышается до требуемого значения. Таким образом, пропорциональное электрическое управление параметрами гидропривода позволяет оп- тимизировать гидросистемы по критериям энергетических потерь и качества переходных процессов, осущест- влять микропроцессорное и адаптивное управление гидрофицированными установками. При этом сущест- венно улучшаются компоновочные решения за счет сокращения количества гидроаппаратов, трубопроводов и соединений. 7.1. Пропорциональные электромагниты Конструктивными элементами, придающими гидравлическим аппаратам ранее недоступные свойства, яв- ляются пропорциональные электромагниты, которые осуществляют функцию сопряжения электронной систе- мы управления и гидравлической части привода Пропорциональные электромагниты разработаны на основе электромагнитов постоянного тока, исполь- зуемых для дискретного управления гидравлическими распределителями и отличаются от них наличием в конструкции управляющего конуса (рис. 7 2, а, поз. 2) из немагнитного материала, который изменяет форму линий магнитного поля. В зависимости от выполняемых функций выпускают пропорциональные электромагниты, регулируемые по силе (рис. 7.2) и по положению (рис. 7.4). Рис. 7.2. Пропорциональный электромагнит, управляемый по силе, и его характеристика Электрический входной сигнал, например, от задающего потенциометра 6, в виде напряжения подается на электронный усилитель 8, где преобразуется в соответствии со значением напряжения в электрический ток нагрузки (например, 1 мВ ... 1 мА). Электрический ток, протекая по обмотке катушки 3, создает электромагнит- ное поле, которое вызывает продольное смещение ферромагнитного подвижного якоря 4 с силой, пропорцио- 145
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением нальной силе тока. Наличие обратной связи по току, значение которого сравнивается с заданным входным сигналом в узле суммирования 7, обеспечивает поддержание силы тока, а таким образом, и силы, развивае- мой якорем 4, на заданном уровне даже при изменении внешнего сопротивления якорю. Особенностью электромагнитов, регулируемых по силе, является то, что они развивают постоянное по величине усилие, пропорциональное поданному управляющему сигналу, во всем диапазоне хода якоря (рис. 7 2, б). Возврат якоря 4 в исходное состояние при снятии управляющего сигнала осуществляется пружиной 5. Поскольку пропорциональные электромагниты работают в масле, в конструкции предусмотрена пробка 1 для удаления воздуха. В гидроаппаратах с пропорциональным электрическим управлением сила, развиваемая электромагнитом, уравновешивается силой пружины, нагружающей ЗРЭ. Рабочей точкой гидроаппарата является точка пересе- чения характеристик пропорционального магнита и нагружающей пружины (рис. 7.3). Рис. 7.3. Принцип действия пропорционального магнита, управляемого по силе Наложение линейной характеристики пружины гидроаппарата на характеристику магнита показывает, что величина смещения подпружиненного якоря (величина сжатия нагружающей пружины) пропорциональна то- ку, протекающему через катушку электромагнита. На стабильность характеристик гидроаппарата с пропорциональным управлением оказывают отрицатель- ное влияние гидродинамические силы, возникающие при обтекании запорно-регулирующего элемента, а так- же сипы трения между подвижными элементами конструкции. Проявление этих факторов может стать причи- ной плохой повторяемости в работе гидроаппарата, т.е. приводить к тому, что при неоднократной подаче одинаковых по уровню сигналов управления, положение якоря магнита, а, следовательно, и регулируемый гидроаппаратом параметр, может оказываться различным. Таким образом, поддержание требуемых пара- метров на заданном уровне определяется точностью позиционирования якоря электромагнита. Значительт ное улучшение точности позиционирования якоря можно получить, если управление магнитом осуществ- лять не с обратной связью по току, как это реализовано в магнитах с регулированием по силе, а с обратной связью по положению якоря, как это выполняется в пропорциональных магнитах с управлением по положе- нию (рис. 7.4, а). Якорь магнита 3 удерживается в позиции определяемой величиной тока протекающего по катушке, неза- висимо от противодействующей силы (в рабочем диапазоне значений) посредством замкнутого контура регу- лирования Сигнал обратной связи генерируется аналоговым индуктивным датчиком положения 1. Величина выходного сигнала датчика зависит от положения жестко связанного с якорем 3 сердечника 2. 146
7.1. Пропорциональные электромагниты На характеристике магнита, приведенной на рис. 7.4, б, ось «Ход якоря» выполнена в отрицательном диа- пазоне значений по причине того, что в свободном состоянии якорь под действием пружины 4 находится в вы- двинутой позиции (ход якоря равен 0). При установке магнита на гидроаппарат под действием сопрягаемой детали — пружины или золотника — якорь принудительно сдвигается внутрь катушки, т.е. в область отрица- тельных значений хода. При подаче управляющего электрического сигнала на катушку якорь начинает выдви- гаться, т е приближаться к позиции 0. Характеристика регулируемого по положению магнита не имеет линейных участков, характерных для маг- нитов, регулируемых по силе, что свидетельствует о зависимости развиваемого магнитом усилия от положе- ния якоря. Гидроаппараты с пропорциональным управлением выполняют по следующим двум схемам: в клапанах давления — нагружающую пружину располагают между пропорциональным магнитом и ЗРЭ (рис. 7.5, а); в гидрораспределителях — золотник располагают между нагружающей пружиной и пропорциональным магнитом (рис. 7.5, б). Рис. 7.5. Схемы конструктивного исполнения гидроаппаратов с пропорциональным управлением Такое конструктивное исполнение позволяет осуществлять пропорциональное входному электрическому сигналу смещение золотника в распределителях и сжатие нагружающей пружины в клапанах давления. При этом распределители приобретают возможность не только направлять потоки рабочей жидкости, но и изме- нять ее расход. 147
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением 7.2. Гидроаппараты с электрическим пропорциональным управлением 7.2.1. Клапаны давления Использование клапанов давления с пропорциональным управлением позволяет при необходимости не- прерывно регулировать давление в различных линиях гидросистемы посредством электрического сигнала. Принципы действия клапанов давления с пропорциональным управлением аналогичны принципам, зало- женным в основу работы рассмотренных выше клапанов с ручной настройкой, с той разницей, что сжатие на- строечных пружин в них осуществляется посредством пропорциональных магнитов, а не посредством враще- ния регулировочных винтов. В некоторых конструкциях настроечные пружины отсутствуют, а требуемое усилие на ЗРЭ клапана пере- дается непосредственно от пропорционального магнита (рис. 7.6). Рис. 7.6. Предохранительный клапан прямого действия с пропорциональным управлением Очевидно, что в клапанах давления непрямого действия пропорциональные магниты управляют ЗРЭ кла- панов первого каскада (рис. 7.7). Давление в контролируемой гидролинии А определяется давлением настройки клапана первого каскада 1, давление срабатывания которого задается входным электрическим сигналом на пропорциональный магнит. 148
7.2. Гидроаппараты с электрическим пропорциональным управлением Когда давление в линии А превышает заданный уровень, ЗРЭ пилотного клапана 1, поднимается с седла и часть жидкости из линии А через клапан первого каскада сливается в линию В В пружинной полости основно- го ЗРЭ давление падает, усилие от создавшегося перепада давления поднимает его с седла — срабатывает клапан второго каскада 2. Жидкость перетекает из линии А в линию В, давление в линии А поддерживается на заданном уровне. Иногда предохранительные клапаны непрямого действия с пропорциональным управлением дополни- тельно снабжают клапаном предельного давления 3, которые защищают гидросистему от превышения давле- ния выше допустимого значения при сбое электронной системы управления. Остановимся более подробно на принципе действия трехлинейного редукционного клапана с пропорцио- нальным управлением, изображенного на рис. 7.8, поскольку такое конструктивное решение лежит в основе клапанов первого каскада гидравлических распределителей непрямого действия с пропорциональным управ- лением. При подаче электрического сигнала управления якорь 1 сдвигает втулку 2 на величину, пропорциональную величине управляющего сигнала. Через каналы, выполненные во втулке 2 жидкость из канала Р поступает в канал А. С ростом давления в канале А втулка 2 начинает смещаться в сторону магнита и при достижении за- данного уровня давления, каналы Р и А разъединяются. Величина давления в канале А будет определяться силой, которую развивает пропорциональный магнит. Если давление в канале А начнет превышать заданное значение, дальнейшее смещение втулки 2 в сторону магнита приведет к соединению каналов А и Т и давление в канале А останется на заданном уровне. 7.2.2. Гидрораспределители Являясь дросселирующими, гидрораспределители с пропорциональным управлением конструктивно по- хожи на дискретные распределители, но, в отличие от них, сочетают в себе две функции пуск, останов и изменение направления потока рабочей жидкости (обеспечиваются и дискретными рас- пределителями); управление расходом. Управление расходом посредством гидрораспределителей обеспечивается благодаря двум особенно- стям, которые отличают распределители с пропорциональным управлением от дискретных распределите- лей — возможность смещения золотника распределителя на величину пропорциональную величине управ- ляющего электрического сигнала и плавное изменение площади их проходного сечения за счет выполнения на буртиках золотника проточек, спрофилированных особым образом. Наличие проточек позволяет менять площадь проходного сечения гидрораспределителя во всем диапазо- не, в то время как буртики золотника с положительным перекрытием остаются в контакте с кромками цилинд- 149
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением рических расточек в корпусе (рис, 7.9). Таким образом, во время работы гидрораспределителя осуществляет- ся дросселирование потоков жидкости во всех каналах (Р — А, В — Т, или Р — В, А Т ). Рис. 7.9. 4/3-гидрораспределитель прямого действия с пропорциональным управлением Управляется гидрораспределитель следующим образом: если управляющий электрический сигнал в виде напряжения имеет отрицательное значение, ток поступает на магнит В, золотник смещается влево на величи- ну пропорциональную силе тока и осуществляет коммутацию Р — А, В — Т. Если управляющее напряжение имеет положительное значение, ток поступает на магнит А (Р — В, А — Т). При отсутствии электрического сиг- нала управления золотник под действием центрирующих пружин устанавливается в нейтральную позицию (все каналы перекрыты). В зависимости от требований, предъявляемых к конкретному приводу, применяют распределители с раз- личными расходными характеристиками, вид которых определяется формой проточек на буртиках золотника (рис. 7.10). Так распределитель, на буртиках золотника которого выполнены проточки треугольной формы (рис. 7.10, а), имеет расходную характеристику в виде параболы, а золотник с прямоугольными проточкам на буртиках обес- печивает почти линейную расходную характеристику распределителя (рис. 7.10, б). 150
7.2. Гидроаппараты с электрическим пропорциональным управлением Как и в дискретных распределителях, прямое управление применяется для аппаратов с условным прохо- дом до 10 мм. При больших значениях условных проходов применяют распределители с пилотным управле- нием (рис. 7.11). Как правило, в качестве пилота применяют сдвоенные трехлинейные редукционные клапаны с пропорцио- нальным управлением 1. В исходном положении, при отсутствии управляющих сигналов на пропорциональ- ных магнитах пилотного клапана, обе пружинные полости основного распределителя 2 (распределителя вто- рого каскада) связаны со сливом, его золотник 3 находится в нейтральной позиции под действием центрирую- щих пружин. При подаче управляющего электрического сигнала, например на магнит В пилотного клапана 1, давление в левой пружинной полости основного распределителя 2 возрастет до величины, пропорциональ- ной сигналу управления и золотник 3 основного распределителя, сжимая правую центрирующую пружину, сместится на соответствующую величину вправо. Рабочая жидкость из канала Р начнет поступать в канал В с расходом соответствующим величине смещения золотника. Аналогичным образом происходит коммутация каналов Р и А при подаче управляющего сигнала на пропорциональный магнит А пилотного клапана. Для обеспечения точности управления распределителем 2 обратная связь организуется по положению золотника 3, позиция которого фиксируется датчиком положения 4. Во многих случаях от распределителей с пропорциональным управлением требуется не только точно сле- довать изменениям входного электрического сигнала, но и достаточно быстро реагировать на эти изменения. Быстрота реакции распределителя, равно как и других гидроаппаратов с пропорциональным управлением, характеризуется двумя параметрами: временем срабатывания и частотой пропускания, Время срабатывания — время, за которое выходной параметр гидроаппарата примет значение соответ- ствующее входному управляющему сигналу. Время срабатывания гидроаппаратов с пропорциональным управлением лежит в диапазоне от 10 до 100 мс. Частота пропускания показывает на какое количество изменений (от нуля до максимального значения) входного сигнала в секунду гидроаппарат способен отреагировать. В среднем частота пропускания гидроап- паратов с пропорциональным управлением лежит в интервале от 5 до 100 Гц. 151
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением 7.2..3. Регуляторы расхода Гидравлические распределители с электрическим пропорциональным управлением, выполняя функцию направляющих гидроаппаратов, одновременно являются регулируемыми по внешнему управляющему элек- трическому сигналу дросселями. Это позволяет использовать их в качестве гидроаппаратов управляющих расходом рабочей жидкости пропорционально внешнему сигналу управления. Однако расход рабочей жидко- сти через дроссель определяется не только площадью его проходного сечения, но и падением давления на нем, а, следовательно, зависит от нагрузки на исполнительном механизме. Для того чтобы величина требуемого расхода определялась только сигналом управления, падение давле- ния на распределителе (регулируемом дросселе) следует поддерживать постоянным. Это достигается приме- нением клапанов постоянной разности давлений и может быть реализовано несколькими способами: схема- тически — клапан постоянной разности давлений 1.2 и распределитель с электрическим пропорциональным управлением 1.1 соединяют последовательно (рис. 7.12, а); конструктивно — клапан постоянной разности давлений и регулируемый дроссель объединяют в единой конструкции — регуляторе расхода с электриче- ским пропорциональным управлением (рис. 7.12, б). При отсутствии управляющего сигнала на пропорциональный магнит регулятора расхода площадь про- ходного сечения 6 подпружиненного дросселя 3 равна нулю, расход через регулятор отсутствует. После подачи управляющего сигнала на пропорциональный магнит, якорь 4 сместит регулируемый дроссель 3 влево на величину, пропорциональную значению сигнала. Позиция дросселя 3 при этом контро- лируется датчиком положения 5, входящим в линию обратной связи контура управления и при необходимо- сти корректируется. Через регулятор устанавливается расход, определяемый перепадом давления на дрос- селирующей щели 6, площадь которой пропорционально зависит от сигнала управления. Перепад давления на дросселе 3 автоматически поддерживается на установившемся уровне клапаном 1 постоянной разности давлений, площадь проходного сечения 7 которого, автоматически меняется в зависимости от давления в канале В. Для свободного протекания рабочей жидкости из канала В в канал А в регулятор расхода встроен обрат- ный клапан 2. 152
7.3. Электронные усилители 7.3. Электронные усилители Для управления пропорциональным электромагнитом требуется достаточно мощный электрический сиг- нал (20...40 Вт), который не может быть подан непосредственно от электронной системы управления (вы- ходная мощность менее 0,5 Вт). Сопряжение этих устройств осуществляется электронными усилителями, которые усиливают входной сигнал по мощности до величины, достаточной для того, чтобы привести в дей- ствие пропорциональный электромагнит и управляемые им запорно-регулирующие элементы гидроаппа- ратов. Применяют два типа усилителей: аналоговые и ключевые. Аналоговые усилители, которые строятся на базе линейных операционных усилителей с мощным выходом не нашли широкого применения для управле- ния пропорциональными электромагнитами ввиду низкого КПД (порядка 50 %) и невысокой надежности. В ключевых усилителях, являющихся широтно-импульсными преобразователями, реализуется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного сигнала. Основное достоинство ШИМ — высокий КПД (бо- лее 90 %) построенных на ее основе усилителей мощности, который достигается за счет использования их в ключевом режиме (включение и отключение тока в цепи управления) (рис. 7.13). Рис. 7.13. Форма сигнала при ШИМ При ШИМ непрерывный сигнал, подаваемый на вход усилителя, преобразуется в импульсный сигнал на его выходе. При этом амплитуда, например 24 В, и период Тгенерируемых усилителем импульсов остаются постоянными, а ширина импульса ДГ зависит от величины входного сигнала. Мощность выходного сигнала Р и ток определяются следующими соотношениями: P = UIcp. т =4^L ср R т < где U — амплитуда импульсов; /ср — среднее арифметическое значение тока нагрузки; R — сопротивление катушки электромагнита. Поскольку катушки пропорциональных электромагнитов обладают индуктивностью, а якорь — инерцией, импульсы с выхода усилителя сглаживаются и при достаточно высокой частоте ШИМ-сигна- па якорь может вести себя как при управлении обычным аналоговым сигналом. Однако для управле- 153
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением ния гидравлическими распределителями выходной сигнал усилителя подается с частотой, на которую якорь пропорционального магнита успевает откликаться. Это делается для того, чтобы золотник рас- пределителя, находящийся в контакте с якорем, осциллировал, т.е. колебался в заданной позиции с малой амплитудой и большой частотой В таком состоянии между золотником и корпусом распредели- теля начинают действовать силы трения скольжения, значительно меньшие, чем силы трения покоя, что повышает чувствительность распределителя к управляющим сигналам и улучшает стабильность его работы. В некоторых моделях ключевых усилителей предусмотрена возможность ввода дополнительной частоты и амплитуды осцилляции, независимо от ШИМ. Для управления гидроаппаратами с одним пропорциональным электромагнитом применяют одноканаль- ные усилители, на вход которых сигнал управления подается в виде напряжения постоянного тока, обычно в диапазоне от 0 до 10 В. Управление гцдроаппаратами с двумя магнитами осуществляется двухканальными усилителями, на один вход которого подается сигнал управления в диапазоне от 0 до-10 В, а на второй от 0 до +10 В. Для оптимизации совместной работы гидроаппаратов и электронных усилителей в последних предусмот- рена возможность настройки некоторых параметров. Для удобства обслуживания органы настройки обычно выносят на лицевую панель усилителей. В качестве примера на рис. 7 14 показаны двухканальный усилитель и его настраиваемые параметры. Рис. 7.14. Двухканальный усилитель и его настраиваемые параметры Балансировочный ток. Вследствие неизбежных технологических погрешностей, возникающих в процессе изготовления распределителей, золотники в них могут занимать не строго центральное положение при отсут- ствии управляющих сигналов на пропорциональных электромагнитах. Это отклонение можно компенсиро- вать, подав на один из магнитов балансировочный ток. Эту меру компенсации положения золотника обычно называют настройкой сдвига. Предварительный ток. Поскольку в распределителях с пропорциональным управлением обычно приме- няются золотники с положительным перекрытием, то для устранения зоны нечувствительности на магниты подают предварительный ток, под действием которого золотник смещается на величину, близкую к значению положительного перекрытия и устанавливается в положении, характерном для золотников с нулевым пере- крытием. Максимальный ток. Настройкой данного параметра согласуют работу усилителя с различными по потреб- ляемому току пропорциональными электромагнитами. Этот же электрический параметр служит мерой ограни- чения гидравлических параметров гидроаппаратов при сохранении всего диапазона управляющих сигналов. Например, ограничив максимальный ток значением вдвое меньшим допустимого, при подаче максимального управляющего сигнала на пропорциональный электромагнит, золотник распределителя сместится на величи- ну вдвое меньшую его полного рабочего хода. 154
7.3. Электронные усилители Результатом правильных настроек усилителя является получение практически идеальной расходной ха- рактеристики гидравлического распределителя с пропорциональным управлением (рис. 7.15). Помимо указанных выше настроек в усилителях предусматривается возможность независимого измене- ния времени нарастания и времени уменьшения выходного сигнала после подачи и снятия скачкообразного входного (так называемая настройка рамп). Так, например, минимальное время срабатывания однокаскадных гидравлических распределителей в среднем составляет 50 мс, при этом управляемые ими исполнительные механизмы двигаются с высокими ускорениями, что может сопровождаться скачками давления и неравномер- ным движением выходных звеньев (рис. 7.16, а). Рис 7.16. Регулирование времени срабатывания гидравлического распределителя Увеличение времени нарастания и снижения выходного сигнала усилителя обеспечивает плавное пере- мещение золотника распределителя и приводит к работе исполнительных механизмов с требуемым нараста- нием скорости при разгоне и торможением в конце хода (рис. 7.16, б). Таким образом гидравлические распре- делители с пропорциональным управлением обеспечивают не только требуемые скорости движения испол- 155
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением нительных механизмов, но и их ускорения, как при разгоне, так и при торможении. Это позволяет решать ши- рокий круг технических задач, реализация которых на базе дискретных гидрораспределителей невозможна. Так при массовой подготовке специалистов для работы со сложнейшей техникой, эксплуатация которой связа- на с риском для жизни, активно используются различного рода тренажеры-имитаторы, оснащенные гидропри- водами на базе распределителей с пропорциональным управлением. Например, пилоты воздушных кораблей тренируются в режиме реальных ощущений: компьютерные тре- нажеры предлагают им во время тренировки переживать и вертикальные взлеты, и воздушные ямы Плавные или резкие подъемы вверх, наклоны, повороты и их сочетание достигаются изменением положения одного или нескольких тяговых гидроцилиндров, управляемых гидравлическими распределителями с пропорцио- нальным управлением (рис. 7.17). Рис. 7.17. Тренажер-имитатор самолета Конструктивно усилители для пропорциональных магнитов выпускают в двух исполнениях: в виде от- дельного модуля (рис. 7.18, а) и встроенными непосредственно в коннектор пропорционального магнита (рис. 7.18, б). 156
7.4. Электрогидравлические усилители 7.4. Электрогидравлические усилители Помимо гидравлических распределителей с пропорциональным управлением в качестве аппаратов не- прерывного действия в гидрофицированном оборудовании продолжают применяться, а в ряде случаев и не имеют альтернативы, электрогидравлические усилители (ЭГУ), также называемые дросселирующими гидро- распределителями. Исторически появившиеся задолго до гидроаппаратов с пропорциональным электромаг- нитным управлением, ЭГУ обычно используют в сервогидравлических приводах с замкнутым контуром регу- лирования, динамические и точностные характеристики которых оказываются недоступными аппаратам с пропорциональным управлением Наиболее распространенные ЭГУ состоят из электромеханического преобразователя (ЭМП) сигналов управления I, гидравлической ступени предварительного усиления сигналов II (как правило — это устройст- во типа сопро-заслонка, реже — струйная трубка) и золотникового дросселирующего распределителя III (рис. 7.19). А Т в Р Рис 7.19. Электрогидравлический усилитель ЭМП защищен от попадания в него рабочей жидкости, поступающей в ЭГУ через фильтр 2, посредством упругой трубки 8, в которой расположена заслонка 7, жестко соединенная с якорем 5. При подаче на,пряжения на обмотки управления 6 ЭМП в них возникает электрический ток и образуется электромагнитное поле, в ре- зультате взаимодействия которого с полем постоянных магнитов ЭМП появляются силы, проворачивающие якорь 5 и заслонку 7. При отклонении заслонки 7 от среднего положения зазор между одним соплом, например 9, уменьшается, а между соплом 4 и заслонкой 7 увеличивается. Вследствие уменьшения расхода жидкости через дроссель 10 и увеличения расхода через дроссель 3, в торцевых камерах золотника 1 возникает раз- ность давлений, которая создает силу, перемещающую его вдоль оси до тех пор, пока эта сила не будет урав- новешена силами от действия центрирующих пружин. Таким образом, расход протекающей через ЭГУ жид- кости пропорционален управляющему электрическому сигналу, определяющему угол поворота якоря и со- ответствующее смещение золотника. Отношение мощности потока жидкости к мощности управляющего электрического сигнала определяет коэффициент усиления ЭГУ по мощности, который в современных усили- телях может достигать 105. В рассмотренной конструкции ЭГУ отсутствует обратная связь, контролирующая соответствие переме- щения золотника управляющему сигналу, что является причиной невысокой точности работы аппаратов по- добного исполнения. Точность работы электрогидравлических усилителей значительно повышается при введении в конструкцию механич.еской или электрической обратной связи между золотником и заслонкой. 157
7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением ЭГУ, схема которого показана на рис. 7.20, имеет механическую обратную связь от золотника к заслонке. Эта связь осуществляется посредством тонкого упругого стержня 2, один конец которого закреплен на заслон- ке 1, а другой соприкасается с золотником 3. ЭМП Сопла Заслонка Золотник Механическая обратная связь Фильтр Рис. 7.20. ЭГУ с механической обратной связью Отклонение заслонки 1 от среднего положения сопровождается смещением золотника 3, вместе с кото- рым перемещается и нижний конец упругого стержня 2. При изгибе стержня 2 к заслонке 1 прикладывается мо- мент, уравновешивающий после определенного смещения золотника 3 электромагнитный момент, приложен- ный к верхнему концу заслонки В результате наступает равновесие элементов ЭГУ, при котором проходяще- му через обмотки управления электрическому току соответствует требуемое смещение золотника 3 от среднего положения. Электрическая обратная связь в ЭГУ осуществляется посредством индуктивных датчиков положения, кон- тролирующих текущее положение золотника (рис. 7 21). р т Рис. 7.21. ЭГУ с электрической обратной связью 158
7.4. Электрогидравлические усилители Электрический сигнал управления, значение которого соответствует требуемому положению золотника, подается на встроенный усилитель, который управляет электромеханическим преобразователем. Датчик положения, питаемый через осциллятор, фиксирует действительное положение золотника, значение кото- рого сравнивается с заданным входным сигналом в узле суммирования. Усилитель подает сигнал управле- ния на ЭМП пока заданное и действительное значения положения золотника не станут одинаковыми. Электрогидравлические усилители, буртики золотников которых, как правило, выполняются с нулевым пе- рекрытием, традиционно применяют в высокоточных быстродействующих системах управления, например в следящих приводах. Такие приводы имеют отрицательную обратную связь от выходного звена исполнитель- ного механизма или от ведомого им объекта управления (рис. 7.22). Сигнал управления UBX может подаваться на усилитель оператором, от чувствительного элемента систе- мы регулирования или управляющей ЭВМ. В узле суммирования сигнал управления сравнивается с сигналом обратной связи, поступающим от аналогового датчика перемещения, фиксирующего положение выходного звена гидродвигателя. Разность этих сигналов после усиления поступает на вход ЭГУ до тех пор, пока вслед- ствие перемещения выходного звена рассогласование (ошибка) между управляющим сигналом и сигналом обратной связи не уменьшится до допустимого значения, при котором ЭГУ останавливает исполнительный механизм. Электрогидравлические усилители могут выполнять те же функции, что и распределители с электриче- ским пропорциональным управлением, однако область их применения ограничена. Эти ограничения в первую очередь связаны с высокой стоимостью, обусловленной сложностью изготовления входящих в него прецизи- онных деталей (так зазор между золотником и корпусом усилителя составляет всего 4 мкм), а также с необхо- димостью соблюдения высоких требований по техническому обслуживанию ЭГУ. Функциональные возможности гидравлических аппаратов с электрическим пропорциональным управле- нием позволяют решить широкий круг технических задач, реализация которых средствами гидроавтоматики с дискретным управлением оказывается невозможным, а использование электрогидравлических усилителей для этих целей экономически нецелесообразно. При этом пропорциональная техника сочетает возможность непрерывного изменения параметров потока рабочей жидкости с надежностью, низкой стоимостью гидроап- паратов и менее жесткими требованиями по их обслуживанию. Если приводы с электрогидравлическими усилителями обычно работают в составе системы с замкнутым контуром регулирования, то гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением обычно исполь- зуют в системах выполняющих некоторую последовательность перемещений, при которой нет необходимости в измерительной системе. 159
8. Монтаж гидроаппаратов Производителями гидравлического оборудования выпускается широкая гамма идентичных по функцио- нальному назначению, но отличающихся конструктивным исполнением гидроаппаратов. Это вызвано много- образием требований, предъявляемых к компоновке отдельных узлов и функциональных блоков различных по назначению гидросистем, к обеспечению удобства обслуживания составляющих компонентов, к легкости монтажа-демонтажа гидрооборудования. По типу исполнения гидроаппараты делят на аппаратуру резьбового, встраиваемого, стыкового и модуль- ного исполнения. Тип исполнения определяет способ крепления аппарата и способ соединения его с гидроли- ниями системы — т.е. с трубопроводами или каналами, выполненными в блоках и монтажных плитах. Вне зависимости ст типа исполнения гидроаппарата места его соединений с системой должны оказывать минимальное сопротивление потоку рабочей жидкости, в течение длительного времени сохранять герметич- ность, выдерживать различные динамические нагрузки. 8.1. Гидроаппараты резьбового исполнения Гидравлические аппараты резьбового исполнения подсоединяются к гидравлической системе посредст- вом вворачиваемых в корпуса аппаратов резьбовых соединений (рис. 8.1). Обратные клапаны, гидрозамки, дроссели с небольшими диаметрами условного прохода благодаря их не- большим весам могут монтироваться «вывешенными» непосредственно на трубопроводах или шлангах. Кла- паны резьбового исполнения, ввиду более сложной конструкции, массивнее, и в своих корпусах имеют отвер- стия, через которые могут крепиться к станинам оборудования. Рис. 8.1. Гидроаппараты резьбового исполнения Аппараты данного типа практически не нуждаются в техническом обслуживании, обычно имеют только два подвода и за счет своей конструктивной простоты не требуют больших затрат при монтаже и ремонте. Недостатком такого конструктивного исполнения гидроаппаратов является то, что при демонтаже аппара- тов нарушается целостность трубопроводов гидросистемы. 160
8.2. Гидроаппараты встраиваемого исполнения 8.2. Гидроаппараты встраиваемого исполнения Гидроаппараты встраиваемого исполнения зачастую не имеют индивидуальных корпусных деталей; их монтируют в монтажных гнездах гидроблока, который может использоваться также для монтажа стыковых или модульных аппаратов. Все элементы аппарата объединены в одном установочном патроне, который в виде полнофункционального устройства вставляется в монтажное гнездо. В качестве примера рассмотрим конструкцию и принцип действия встраиваемого гидроуправляемого кла- пана (рис. 8.2, а). Рис. 8.2. Встраиваемый гидроуправляемый клапан Клапан состоит из затвора, в состав которого входят: подпружиненный запорно-регулирующий элемент 4, гильза 3, переходная втулка 2, а также фланца 1, который может содержать дополнительные устройства (ог- раничитель хода, обратный клапан, элемент ИЛИ, гидрозамок и т.д.) и служить плитой для установки сверху распределителя с электроуправлением. Затвор вставлен в монтажное гнездо гидроблока (выделен красным цветом) и закрыт фланцем 1, крепящимся к гидроблоку. Каналы подвода А, отвода В и управления X выполне- ны в гидроблоке. Принцип действия гидроуправляемого клапана основан на том, что эффективные площади запорно- регу- лирующего элемента 4 со стороны надклапанной и подклапанной полостей различны (рис. 8.2, б). Когда дав- ление в надклапанной полости (в канале X) равно (или выше) давлению в подклапанной полости (в канале А), клапан закрыт. Если усилие, действующее на клапан со стороны жидкости в надклапанной полости станет меньше усилия со стороны жидкости в подклапанной полости, клапан открывается. Давлением в надклапанной полости можно управлять и, тем самым, менять состояние клапана, что и на- шло отражение в его названии — гидроуправляемый. Кроме того, через рассматриваемый гидроуправляемый клапан жидкость может протекать в направлении В — А, если давление в канале В достаточно велико. Варианты исполнения затворов отличаются способом сообщения надклапанной полости с источником давления, соотношением площадей (например: 1,07:1; 1,5:1; 2:1), атакже наличием в запорно-регулирующем элементе демпфирующей цапфы (полуконструктивные схемы некоторых затворов представлены на рис. 8.2, в). В одни и те же стандартизованные по диаметрам условного прохода монтажные гнезда могут встраиваться обратные, предохранительные и редукционные клапаны. Встраиваемые аппараты чаще всего применяются в гидросистемах с большими расходами" и давлениями рабочей жидкости; их использование обеспечивает высокую плотность монтажа и позволяет создавать ком- пактные управляющие механизмы с низким уровнем потерь давления и утечек. * Встраиваемые аппараты выпускаются с диаметрами условного прохода 16 мм и более 161
8. Монтаж гидроаппаратов 8.3. Гидроаппараты стыкового исполнения Гидроаппараты стыкового исполнения являются наиболее распространенными и часто применяемыми, особенно в стационарных установках Это объясняется удобством и простотой их монтажа: аппараты устанав- ливаются своей стыковой поверхностью, на которую выведены все присоединительные каналы (рис. 8.3, а), на стыковые поверхности специальных монтажных плит (рис. 8 3, б), подключенных к гидросистеме посредст- вом резьбовых соединений. Аппарат притягивают к монтажной плите винтами, при этом герметичное соедине- ние каналов аппарата и плиты обеспечивается уплотнительными резиновыми кольцами круглого сечения, размещенными в цилиндрических расточках каналов гидроаппарата. Рис. 8.3 Гидроаппараты стыкового исполнения (а) и монтажная плита (б) Преимущества такого способа монтажа гидроаппаратов очевидны: гидроаппараты легко демонтируются для техобслуживания или замены без нарушения целостности трубопроводов; все присоединительные каналы находятся в одной стыковой поверхности; стыковая поверхность плоская; уплотнение мест соединения каналов аппаратов и плит с помощью резиновых колец круглого сечения отличается высокой надежностью Благодаря одинаковому расположению каналов и присоединительных отверстий на стыковых поверхно- стях различных гидроаппаратов, например, распределителей и клапанов давления, для их установки приме- няют стандартные монтажные плиты. Стыковая поверхность плит обычно находится сверху, отводные резьбовые отверстия — снизу или сбоку. Поскольку для подсоединения трубопроводов к резьбовым отверстиям плит требуется достаточно много мес- та, монтажная плита по размерам обычно превосходит размеры стыковой поверхности гидроаппарата. При 162
8.3. Гидроаппараты стыкового исполнения этом каналы от стыковой поверхности к резьбовым отверстиям отводов могут выполняться наклонными (рис. 8.4, а) либо поперечными (рис. 8.4, б). Рис. 8.4. Каналы в стыковых плитах Стыковые поверхности гидроаппаратов и плит унифицированы для различных диаметров условных про- ходов (рис. 8.5). Рис. 8.5. Расположение каналов и крепежных отверстий на монтажных плитах Для того чтобы исключить возможность неправильной установки гидроаппаратов на монтажную плиту кре- пежные отверстия на стыковых поверхностях располагают несимметрично, либо используют установочные штифты. Аппараты стыкового исполнения устанавливают не только на индивидуальные, но и на многоместные монтажные плиты, а также на гидроблоки, имеющие соответствующие места подсоединений гидроаппаратов. 163
8. Монтаж гидроаппаратов 8.4. Гидроаппараты модульного исполнения Гццроаппараты модульного исполнения, как и гидроаппараты стыкового исполнения, соединяются с гид- росистемой через стыковые поверхности, но имеют не по одной, а по две стыковые поверхности, выполнен- ные сверху и снизу корпуса. Такая компоновка позволяет сопрягать аппараты не только с монтажными плита- ми, но и между собой. Установленные один на другой гидроаппараты образуют пакет (обычно замыкаемый сверху гидрораспределителем), представляющий собой компактный функциональный блок, который распо- лагают на монтажной плите, имеющей отверстия для подключения к гидросистеме. Одним из функциональных блоков, традиционно выполняемых на базе гидроаппаратов модульного ис- полнения, является система управления исполнительным механизмом, реализующая набор следующих функций: управление пуском, остановом и реверсом гидродвигателя (гидрораспределитель); управление скоростью гидродвигателя (дроссели), регулирование развиваемого гидродвигателем усилия (клапан давления); блокировка гидродвигателя (гидрозамки). На рис. 8.6, в изображен внешний вид функционального блока, установленного на монтажную плиту, под- ключаемую к гидросистеме через быстроразъемные соединения; на рис. 8.6, а представлена принципиальная гидравлическая схема описанного функционального блока; на рис. 8.6, б — реализация этого схематического решения на базе гидроаппаратов модульного исполнения. Рис. 8.6. Пример использования гидроаппаратов модульного исполнения Применение аппаратов модульного исполнения упрощает сборку гидроприводов, позволяет предельно сократить число трубопроводов, открывает широкие возможности для модернизации оборудования или со- вершенствования гидросистемы в процессе ее наладки. Вместе с тем номенклатура аппаратов модульного исполнения ограничена; в ряде случаев их тех- нические характеристики ниже, чем у аппаратов стыкового исполнения; собранные пакеты аппаратов имеют большое число уплотняемых стыков, что требует применения специальных сквозных стальных стяжек. 164
8.5. Способы монтажа гидросистем 8.5. Способы монтажа гидросистем При монтаже гидросистем аппараты компонуют таким образом, чтобы свести к минимуму число соедине- ний и трубопроводов, объединяющих группы аппаратов в законченные функциональные блоки, а также обес- печить удобство их эксплуатации и технического обслуживания. Для реализации этих целей при монтаже од- ной системы может быть использована аппаратура различного типа исполнения, а также применены различ- ные способы ее монтажа: трубный; стыковой; модульный; блочный; секционный. Трубный монтаж. Трубный монтаж заключается в соединении отдельных гидроаппаратов между собой посредством жестких, либо гибких трубопроводов (рис. 8.7). В чистом виде трубный монтаж фактически не применяется поскольку соединение гидроаппаратов трубо- проводами и шлангами не всегда удовлетворяет требованиям компактности гидравлических установок и на- дежной эксплуатации, однако, в той или иной мере используется при монтаже любой гидросистемы. Стыковой монтаж. Объединение гидроаппаратов стыкового исполнения, установленных на индивиду- альные монтажные плиты, в единую систему обычно осуществляется посредством трубопроводов. Сократить количество труб и резьбовых соединений удается путем использования многоместных монтажных плит, имеющих общие каналы питания и слива. Многоместные плиты обычно используются при монтаже гидросис- тем, в которых питание нескольких потребителей осуществляется от общего трубопровода. На многоместную плиту устанавливают гидроаппараты с одинаковыми диаметрами условного прохода, или с условными прохо- дами, отличающимися на одну ступень (например, Dy = 6 мм и Dy = 10 мм). Модульный монтаж. Под модульным монтажом понимается сборка некоторого функционального бло- ка либо всей гидросистемы из отдельных модулей, имеющих одинаковые стыковочные поверхности и об- 165
8. Монтаж гидроаппаратов разующих при сопряжении между собой общие каналы. В качестве модулей могут использоваться гидро- аппараты модульного исполнения или модульные монтажные плиты для гидроаппаратов стыкового ис- полнения. Модульный монтаж с сопряжением аппаратов по высоте (вертикальный модульный монтаж), вследствие существующего ограничения в номенклатуре аппаратов модульного исполнения, не всегда удобен для потре- бителя. Более гибкой является система горизонтального модульного монтажа, состоящая из большого разно- образия монтажных, переходных и крепежных плит, а также разделительных пластин. Модульные монтажные плиты имеют три стыковочные поверхности: одна предназначена для установки гидроаппарата, а две — для сопряжения с соседними плитами (рис. 8.8). Со стороны, противоположной по- верхности для установки гидроаппарата, модульные монтажные плиты имеют плоскость на которую выведе- ны резьбовые отверстия для подвода рабочей жедкости, а также для подключения потребителей и организа- ции слива. Состыкованные между собой модульные плиты образуют многоместную плиту для установки гидроаппа- ратов стыкового и модульного исполнения. При необходимости между монтажными плитами устанавливают переходные плиты, коммутирующие между собой отдельные сквозные каналы (рис. 8.9, а), и разделительные пластины, перекрывающие отдельные каналы (рис. 8.9, б). а Рис. 8.9. Примеры исполнения переходных плит и разделительных пластин 166
8.5. Способы монтажа гидросистем Комбинируя разнообразные переходные плиты и разделительные пластины удается получить большое количество схематических решений, недоступных при использовании гидроаппаратов модульного исполне- ния или многоместных монтажных плит (рис. 8.10). Рис. 8.10. Пример горизонтального модульного монтажа гидроаппаратов Условные графические обозначения каналов и соединений, используемые в системе горизонтального мо- дульного монтажа, представлены в табл. 8.1. Таблица 8.1 Наименование Магистральные каналы Каналы управления Каналы утечек Отверстие подключения гидроаппарата. Соединительный канал Отверстие подключения трубопровода, заглушенное резьбовой пробкой Открытое резьбовое отверстие на стороне подключения трубопроводов Канал, не перекрытый разделительной пластиной Канал перекрытый между плитой и гидроаппаратом Наименование Отверстие подключения гидроаппарата, соединенное с отверстием подключения трубопровода заглушенным резьбовой пробкой Отверстие подключения гидроаппарата, соединенное с отверстием подключения трубопровода. Канал, перекрытый разделительной пластиной Применение горизонтального модульного монтажа в совокупности с использованием гидравлической ап- паратуры модульного исполнения позволяет собирать компактные гидравлические системы. К недостаткам описанного способа монтажа следует отнести большое количество деталей и стыков, тре- бующих уплотненений, сложность монтажных плит и их высокую стоимость. 167
8. Монтаж гидроаппаратов Блочный монтаж. Блочный монтаж гидроаппаратуры широко применяется при сборке сложных гидросис- тем, требующих применения индивидуально сконструированных и изготовленных монтажных плит и блоков. Он подобен монтажу элементов радиоэлектроники на печатных платах, но при этом монтаж выполняется не на одной или двух плоскостях платы, а на всех шести (или менее) гранях монтажной плиты, выполняемой обычно в виде прямоугольного параллелепипеда (рис. 8.11, а). Рис. 8.11. Блочный монтаж гидроаппаратуры В монтажной плите могут быть выполнены гнезда для установки аппаратуры встраиваемого исполнения, отдельные аппараты стыкового исполнения и/или пакеты аппаратов модульного исполнения крепятся к плите винтами, а каналы уплоь^ются резиновыми кольцами круглого сечения. Соединения между каналами гидро- аппаратов выполняются посредством многочисленных сверлений в монтажной плите, являющейся базовым элементом гидроблока. В ряде случаев по техническим причинам желательно расположить гидроаппараты управления как можно ближе к гидродвигателю или непосредственно на нем (рис. 8.11, б). При этом применяют переходные блоки, которые имеют отверстия для подключения гидроцилиндра или гидромотора, а также для аппаратуры управ- ления. Преимущества блочного монтажа особенно очевидны для гидроаппаратуры больших условных проходов Никакой другой способ монтажа не позволяет создавать столь компактные узлы управления при минималь- ном количестве уплотняющих элементов. Основная область применения блочного монтажа — большие гид- равлические прессы Блочный монтаж гидроаппаратуры для мобильных машин значительно отличается от аналогичных уст- ройств стационарного применения. Монтажную плиту обычно получают методом литья, что имеет ряд досто- инств: литые каналы имеют хорошую пропускную способность; полученная литьем внешняя форма блока оп- тимизирована сточки зрения габаритных размеров и экономии металла. Блок является корпусной деталью не только для аппаратуры встраиваемого исполнения, но и для распределителей, золотники которых размещают непосредственно в блоке. Такой подход к исполнению гидроблоков возможен благодаря массовому примене- нию однотипных блоков в мобильной технике. Для стационарных машин блоки управления более специфичны и имеют меньшую серийность изготовления. Секционный монтаж. Секционный монтаж гидроаппаратуры применяют для обеспечения гибкости при мелкосерийном производстве блоков управления мобильных машин Блок управления получают путем мон- тажа в индивидуальном порядке нескольких секций друг на друга. 168
8.6. Уплотнения 8.6. Уплотнения Назначение уплотнений заключается в предотвращении внутренних и внешних утечек рабочей жидкости через зазоры между сопрягаемыми деталями элементов гидропривода, вызванных перепадом давления. Принимая во внимание, что утечки приводят к потере гидравлической энергии, становится очевидным, что от качества уплотнений существенно зависит КПД гидропривода. В связи с этим уплотнения должны быть достаточно герметичными, надежными, износостойкими; совмес- тимыми с конструкционными материалами и рабочей жидкостью; обладать устойчивостью к температурным колебаниям; обеспечивать удобство монтажа-демонтажа; создавать минимальное трение; иметь небольшие размеры и невысокую стоимость. Уплотнения делят на две группы: уплотнения неподвижных соединений, которые должны обеспечивать абсолютную герметичность при всех режимах работы гидропривода; уплотнения подвижных соединений, допускающие появление регламентированных утечек рабочей жидкости. Уплотнение неподвижных соединений. В неразъемных соединениях герметичность достигается пайкой и сваркой деталей. В разъемных неподвижных соединениях утечки предотвращаются несколькими способа- ми: путем деформации уплотняемых поверхностей внешней силой; взаимной приработкой уплотняемых по- верхностей; заполнением микронеровностей на уплотняемых поверхностях различными прокладками, выпол- ненными из неметаллических или металлических эластичных материалов, способных компенсировать при за- тяжке соединения неровности и другие дефекты поверхностей уплотняемой пары. Некоторые варианты уплотнения неподвижных соединений прокладками и кольцами представлены на рис. 8.12. При всех вариантах уплотнения между соединяемыми деталями должно быть создано контактное давле- ние, превышающее максимальное рабочее давление. Уплотнение подвижных соединений. Уплотнение подвижных соединений может быть бесконтактным (щелевыми, лабиринтными) или контактным, выполненным при помощи различных уплотнителей. Бесконтактные уплотнения. Эти уплотнения, в частности, щелевые (рис. 8.13, а), используются во мно- гих гидроагрегатах (в насосах, распределителях и т.п.). Утечки через бесконтактные уплотнения неизбежны, однако их можно снизить за счет уменьшения зазора S между подвижными деталями. Рис. 8.13. Бесконтактные уплотнения 169
8. Монтаж гидроаппаратов Для повышения сопротивления щели при высоких числах Рейнольдса, соответствующих турбулентному режиму течения, на одной (рис. 7.13, б) или обеих (рис. 7.13, в) поверхностях, образующих щель, выполняют лабиринтные канавки, которые вследствие чередующегося изменения сечения щели повышают ее сопротив- ление. Недостаток щелевых уплотнений — высокая стоимость изготовления сопрягаемых деталей и возмож- ность облитерации щели. Контактные уплотнения. Эти уплотнения выполняются посредством колец (металлических и резино- вых) и манжет. Металлические кольца — одно из самых простых и долговечных уплотнений. В качестве материала колец используют серый чугун, бронзу или металлографитовую массу. а б в г Рис. 8.14. Стыковые замки металлических уплотнительных колец При давлениях р < 5 МПа используют кольца, стыки которых выполнены прямыми (рис. 8.14, а); при давле- ниях р> 20 МПа стыковые замки могут быть косыми (рис. 8.14, б) и ступенчатыми (рис. 8.14, в, г). В ступенчатом стыковом замке часто одну из сопряженных поверхностей выполняют плоской, а вторую — несколько выпук- лой (рис. 8.14, г), благодаря чему повышается удельное давление в стыке колец, способствующее повышению герметичности. Форма поперечного сечения колец — прямоугольная. Число колец в уплотнении колеблется от 2 до 9, в зависимости от перепада давлений. К недостаткам уплотнения металлическими кольцами относится необходимость точного изготовления де- талей соединения, так как кольца не компенсируют микронеровности, овальность, конусность и т.п. Кольца создают дополнительную силу трения и не обеспечивают полную герметичность. Резиновые кольца отличаются простотой конструкции, минимальными размерами, возможностью герме- тизации радиального соединения независимо от направления действия давления, широкой универсально- стью, низкой стоимостью, хорошей герметичностью. Рабочие температуры -60...+300 °C (в зависимости от группы резины), уплотняемые давления до 50 МПа в неподвижных соединениях и до 32 МПа — в подвижных; скорость перемещения до 0,5 м/с. Характерные размеры колец (рис. 8.15, а): внутренний диаметр и диаметр сечения d2. Рис. 8.15. Резиновые уплотнительные кольца При монтаже колец для уплотнения торцовых (рис. 8.15, б) и радиальных соединений (рис. 8.15, в, г) разме- ры сопрягаемых деталей (диаметр штока е/шт, цилиндра dw глубина цековки Л) выбираются такими, чтобы коль- цо деформировалось и прижималось к уплотняемым поверхностям. Под действием давления кольцо может вы- тесняться в радиальный зазор 6 (рис. 8,15, д), поэтому при значенияхр > 10 МПа и 6 > 0,02 мм рекомендуется ус- танавливать защитные кольца из фторопласта, полиамидной смолы или других материалов (рис. 8.15, е). 170
8.6. Уплотнения Перед монтажом кольца рекомендуется смазывать, а при монтаже их следует предохранять от перекосов, скручивания и механических повреждений. Манжеты уплотнительные (рис 8.16, а) предназначены для уплотнения деталей гидроцилиндро при давлениях от 0,1 до 50 МПа, скоростях перемещения уплотняемых деталей до 0,5 м/с и температу- рах -60...+200 °C. Герметичность обеспечивается за счет деформации лепестков манжеты при монтаже (рис. 8.16, б) и от давления рабочей жидкости. Рис 8 16. Принцип действия манжеты Давление масла должно разжимать лепестки манжет (рис. 8.16, в), в противном случае манжета не будет выполнять свои функции (рис. 8.16, г). Ассортимент манжетных уплотнений огромен (рис. 8 17), при их выборе следует руководствоваться типо- размером, конструктивным исполнением и материалом. При монтаже места установки и трущиеся поверхно- сти рекомендуется смазать тонким слоем густого смазочного материала. При давлении свыше 10 МПа следу- ет применять защитные кольца, а при повышенной запыленности — грязесъемники Рис. 8.17. Примеры выполнения манжет Манжеты армированные служат для уплотнения валов, работающих в минеральном масле при избыточ- ном давлении до 0, 05 МПа, скорости до 20 м/с и температуре от-60 до +70 °C (рис. 8.18). Манжета состоит из эластичного корпуса 3, жесткого каркаса 1 и браслетной пружины 2 Пружина 2 создает дополнительную ради- альную нагрузку, когда уплотнение установлено на вал. Пружина также компенсирует изменения радиальной нагрузки, которые возникают при изменении свойств эластичного корпуса вследствие воздействия теплоты и масла. Она контролирует окончательный внутренний диаметр уплотняющего элемента путем прижимания ра- бочей поверхности эластичного корпуса вплоть до того момента, когда витки пружины прижмутся друг к другу Рис. 8.18. Манжета армированная 171
8. Монтаж гидроаппаратов Утечка рабочей жидкости через манжеты не превышает 0,1 см3/ч. Повышенная утечка может иметь место вследствие повреждения лепестка манжеты или рабочей поверхности вала, наличия загрязнений или в ре- зультате повышенного биения вала. Производители уплотнений предлагают большое разнообразие армированных манжет (рис. 8.19, а), отли- чающихся профилем эластичного корпуса, металлического каркаса и используемыми материалами, что по- зволяет выбрать уплотнение наиболее полно отвечающее конкретным условиям эксплуатации. Рис. 8.19. Примеры армированных манжет и альтернативные уплотнения Уплотнения, представленные на рис. 8.19, б, в предназначены для замены резиновых армированных ман- жет, работающих в особо жестких условиях эксплуатации: пониженные температуры (до -60 °C); радиальные биения и смещения валов (до 0,2 мм); ударные нагрузки и вибрация; повышенные загрязненность и влажность с наружной стороны; работа в условиях повышенного давления рабочей среды (до 0,6 МПа); наличие обратного перепада давлений на уплотнении (до 0,1 МПа). Принципиально конструкция уплотнения состоит из обоймы 2, в которой размещены выполненное из фторо- пласта уплотнительное кольцо 4, стальная браслетная пружина 3. При установке уплотнений герметизация по корпусу осуществляется уплотнением резиновым кольцом 1 (рис. 8.16, б) или посадкой с натягом (рис. 8.19, в). Манжеты шевронные (рис. 8.19, а) предназначены для уплотнения цилиндров и штоков гидравлических устройств, в которых в качестве рабочей жидкости используются минеральные масла или водные эмульсии. Температура рабочей среды составляет от—50 до +100 °C в зависимости от группы резины; рабочее давление до 63 МПа, скорость возвратно-поступательного движения до 3 м/с. Рис. 8.20. Манжета шевронная Уплотнения устанавливаются в комплекте из нескольких манжет в зависимости от диаметра цилиндра и давления. При монтаже уплотнительного пакета (рис. 8.19, б) для сохранения формы манжеты 2 помещают между фасонными нажимными 1 и опорными 3 кольцами (манжетодержателями), выполненными из бронзы, 172
8.6. Уплотнения текстолита, полиамидов, фторопластов или полиуретанов. Помимо резино-тканевого исполнения, манжеты из- готавливают из резины и резины на основе фтор-каучука. Когда одновременно действуют высокое давление и температуры свыше 200 °C, то уплотнительные элементы изготавливают из фторопластовых композиций. Помимо манжет для уплотнения штоков и поршней гидроцилиндров, применяют комбинированные опор- но-уплотнительные элементы из композиционных материалов и резины, обеспечивающие (в зависимости от модели) минимальное трение расширенны# температурный диапазон, повышенную надежность и стойкость к механическим повреждениям (рис. 8.21). 1 2 3 а б Рис. 8.21. Уплотнения для поршней (а) и штоков (б) гидроцилиндров Уплотнения, состоят из уплотнительного фторопластового или полиэфирного кольца 2, поджимного рези- нового кольца 1, и из защитного кольца 3, выполненного из наполненного полиамида, являющегося одним из наиболее жестких антифрикционных материалов. Грязесъемники резиновые (рис. 8.22) предназначены для очистки от загрязнителей поверхностей штоков гидроцилиндров. Тип 1 Тип 2 Тип 4 Рис. 8.22. Грязесъемники В соответствии с действующим стандартом грязесъемники должны изготавливаться четырех типов: 1 — закрепляемые во фланцевых соединениях, 2 — устанавливаемые в посадочные места, 3 — комбинированные (резиновое основание и фторопластовый скребок), 4 — закрепляемые запрессовкой в посадочные места. Комбинированные грязесъемники (рис. 8.23, а) допускается использовать как дополнительное уплотнение для повышения надежности при давлении до 40 МПа. Рис. 8.23. Комбинированные грязесъемники Грязесъемники (рис. 8.23. б) отличаются повышенной износостойкостью и рекомендуются для примене- ния в тяжелых условиях эксплуатации, в том числе для удаления льда и засохшей грязи. Грязесъемники, пока- занные на рис. 8.23, в, обладают повышенной износостойкостью, и позволяют производить замену без раз- борки гидроцилиндра. 173
9. Функционирование гидроприводов Приступая к изучению работы гидроприводов и рассмотрению различных схематических решений, позволяю- щих реализовать то или иное функциональное назначение привода в технологической установке, следует вспом- нить, что в основе работы любого гидропривода лежит преобразование и передача энергии объекту воздействия. В гидроприводах механическая энергия преобразуется в гидравлическую, которая передается на расстоя- ние, подвергается управляющим воздействиям и снова преобразуется в механическую энергию. Изменение энергии в единицу времени называют мощностью. При этом количественным параметром, отражающим эф- фективность работы привода, является коэффициент полезного действия (КПД). 9.1. Коэффициент полезного действия гидропривода Коэффициентом полезного действия гидропривода считают отношение выходной мощности привода к мощности, подводимой на вход привода Nex: _ ^вь,х NBX ' Мощность, подводимая на вход гидропривода, не равна выходной мощности, поскольку во всех подсисте- мах привода имеют место потери. Напомним, что в силовую часть гидропривода, в которой собственно и про- исходит формирование, преобразование и передача энергии, входят три подсистемы: энергообеспечиваю- щая, направляющая и регулирующая, исполнительная. Входная мощность Nm подводится к приводу в энергообеспечивающей подсистеме, где механическая энергия пр 1водного двигателя (обычно электродвигателя) передается насосу, в котором она преобразуется в гидравлическую энергию. Выходьая мощность электродвигателя, Вт, являющаяся входной мощностью насоса и привода в целом, подсчитывается по формуле N„a = 2ппМ, где п — число оборотов вала электродвигателя в единицу времени, об/с; М— крутящий момент на валу, Н-м. В насосе механическая мощность, Вт, преобразуется в гидравлическую: H„=pQ, где р — давление на выходе насоса, Па; Q — объемный расход, создаваемый насосом, м3/с. Гидравлическую мощность, кВт, отдаваемую насосом можно вычислить по формуле где р — давление на выходе насоса, МПа; Q — объемный расход, создаваемый насосом, л/мин. В элементах направляющей и регулирующей подсистемы преобразования мощности не происходи^ а ее потери могут доходить до 30 % входной мощности привода. В элементах исполнительной подсистемы гидравлическая мощность преобразуется в механическую, ко- торая и является выходной мощностью привода /Увых. Мощность, Вт, развиваемая гидроцилиндрами, вычисляется по формуле Nu=Fv, где F— усилие на выходном звене, Н; v — скорость перемещения выходного звена, м/с. 174
9.1. Коэффициент полезного действия гидропривода Мощность, Вт, развиваемая гидромоторами, определяется по формуле jVm =2ппМ, где п — число оборотов вала гидромотора в единицу времени, об/с; М— крутящий момент на валу, Н-м. Если бы входная и выходная мощности привода были равны, то имел бы место идеальный баланс мощно- сти. На рис. 9.1 представлен действительный баланс мощности в гидроприводе и эмпирические значения по- терь, которые при проведении практических расчетов следует заменять значениями, представленными фир- мами-изготовителями гидравлической аппаратуры. Механическая мощность ТУвых 1\1,= 2ттМ Рис. 9.1. Баланс мощности в гидравлических приводах В общем случае потери мощности в приводе подразделяют на две основные группы: потери мощности, обусловленные внутренними утечками рабочей жидкости в насосах, гидроаппаратах и гидродвигателях (объемные потери); потери мощности, обусловленные трением (механическим и гидравлическим) в насосах, гидродвигате- лях, гидроаппаратах и гидролиниях. Соответственно характеру потерь мощности в приводе различают и КПД: объемный — rj0 и гидро-механи- ческий — Пгдм- Общие потери мощности учитываются суммарным КПД Л ЛоЛгдм’ При выборе или оценке гидропривода следует исходить из того, что чем ближе значение КПД гидросисте- мы к единице, тем более эффективной считается вся установка. 175
9. Функционирование гидроприводов 9.2. Управление положением выходного звена исполнительного механизма Выходные звенья гидравлических исполнительных механизмов могут занимать в пространстве произ- вольную позицию в пределах своего рабочего хода. Однако для линейных и поворотных двигателей, два по- ложения являются характерными — это крайние положения. Для гидроцилиндров крайними являются поло- жения: шток полностью втянут и шток полностью выдвинут, а для поворотных двигателей — вал в крайнем ле- вом положении и вал в крайнем правом положении. В случаях, когда в гидрофицированном оборудовании исполнительный механизм выполняет технологическую операцию при своем движении от упора до упора, го- ворят о позиционировании выходных звеньев в крайних положениях. 9.2.1. Позиционирование исполнительных механизмов в крайних положениях Поскольку схематические решения, обеспечивающие позиционирование выходных звеньев гидроцилинд- ров и поворотных гидродвигателей в крайних положениях идентичны, рассмотрим типовые схемы на примере гидроцилиндров. На рис. 9.2 представлены две схемы гидроприводов с цилиндрами одностороннего действия, которые на- ходят широкое применение в тех случаях, когда полезную работу необходимо выполнять только при прямом ходе исполнительного механизма. Выдвижение штока (рабочий ход) происходит за счет источника давления (например, работающего насоса), а возвратное движение (холостой ход) — под действием внешних сил: воз- вратной пружины или собственного веса, либо под действием нагрузки, например, веса ведомых механизмов. Примером использования цилиндров одностороннего действия могут служить различного рода подъемники, зажимные устройства, выталкиватели, прессы с нижним расположением пуансона и другие подобные уста- новки. Рис. 9 2. Позиционирование гидроцилиндров одностороннего действия в крайних положениях В исходном положении, плунжерный гидроцилиндр 1.0 (рис. 9.2, а) находится во втянутом положении под действием нагрузки. При этом насос разгружен, так как нагнетаемая им жидкость через нормально открытый 2/2-гидрораспределитель с электромагнитным управлением 1.1 поступает на слив в бак. При переключении распределителя 1.1 слив жидкости в бак прекращается, жидкость подается в цилиндр 1.0, плунжер выдвигает- ся до упора и находится в таком положении под давлением, равным давлению настройки предохранительного клапана. После снятия электрического управляющего сигнала с распределителя 1.1 осуществляется возврат плунжера в исходное положение под действием нагрузки. Управлять гидроцилиндром одностороннего действия можно посредством 3/2-гидрораспределителя (рис. 9.2, б). В исходном положении шток гидроцилиндра 1.0 под действием встроенной возвратной пружины (и нагрузки, если она есть) находится во втянутом положении. Насос работает под нагрузкой, определяемой 176
9.2. Управление положением выходного звена исполнительного механизма настройкой предохранительного клапана. Переключение распределителя 1.1 сопровождается выдвижением штока гидроцилиндра 1.0 до упора. Говоря о выдвижении или втягивании штока гидроцилиндра до упора, речь идет не только о движении вы- ходного звена до контакта с крышками гидроцилиндра. Выдвижение штока может быть ограничено элемента- ми конструкции технологического оборудования, зажимаемыми деталями и т.п. В таких случаях шток цилинд- ра совершает полный рабочий ход, значение которого меньше, чем позволяет осуществить конструкция ис- полнительного механизма. Когда исполнительный механизм должен выполнять полезную работу при прямом и обратном ходе, при- меняют гидроцилиндры двустороннего действия. Так, например, в прессах с верхним расположением пуансо- на, при движении вниз (выдвижение штока) цилиндр выполняет технологическую операцию прессования, а за- тем (втягивание штока — подъем пуансона) — работу для выведения пресса в исходное состояние. Управление гидроцилиндрами двустороннего действия, с возможностью позиционирования их выходных звеньев только в крайних положениях, обычно осуществляется 4/2-распределителями (рис. 9.3, а, б), либо в особых случаях 3/2-распределителями (рис. 9.3, в). В прессе, принципиальная гидравлическая схема которого изображена на рис. 9.3, а, цилиндр 1.0 удержи- вает пуансон в верхнем положении под действием рабочей жидкости под давлением, подаваемой в штоковую полость цилиндра. При переключении распределителя 1.1 рабочая жидкость подается в поршневую полость, а из штоковой вытесняется на слив — начинается выдвижение штока гидроцилиндра 1.0, которое закончится, когда шток дойдет до упора. При прессовании цилиндр развивает максимально возможное для своей конст- рукции усилие, так как противодавление в его штоковой полости равно давлению в линии слива. Возврат што- ка в верхнее положение осуществляется также под действием рабочей жидкости под давлением и происходит при переключении распределителя 1.1 в исходное положение. Гидроцилиндр, изображенный на рис. 9.3, б, при выдвижении штока (в нормальной позиции распределите- ля 1.1) не развивает максимального усилия, поскольку в штоковой полости противодавление равно давлению нагнетания. Выдвижение штока осуществляется за счет усилия на поршне, возникающего вследствие разно- сти его эффективных площадей в поршневой и штоковой полостях цилиндра. Втягивание штока осуществля- ется при переключении распределителя 1.1 и с максимальной мощностью. Аналогичным образом осуществляется управление цилиндром 1.0 посредством 3/2-распределителя (рис. 9.3, в). При таком схематическом решении мощностная характеристика привода идентична характери- стике привода рассмотренного на рис. 9.3, б. 177
9. Функционирование гидроприводов 9.2.2, Позиционирование исполнительных механизмов в промежуточном положении Позиционирование выходного звена гидроцилиндров одностороннего действия в некотором промежуточ- ном положении может быть осуществлено различными способами, например, посредством введения в схемы, рассмотренные на рис. 9.2, дополнительного 2/2-распределителя (рис. 9.4). Рис. 9.4. Позиционирование гидроцилиндров одностороннего действия в промежуточном положении Управление выдвижением и втягиванием штоков цилиндров, как и в исходных схемах, осуществляется гидрораспределителями 1.1. При этом рабочая жидкость поступает в цилиндры или вытекает из них через нормально открытые 2/2-распределители 1.2. Останов выходного звена гидроцилиндров в любом промежу- точном положении производится переключением распределителей 1.2. При этом подача жидкости в цилинд- ры или ее слив прекращается, а рабочие полости цилиндров запираются. Позиционирование гидроцилиндров двустороннего действия в любом промежуточном положении осуще- ствляется трехпозиционными распределителями (рис. 9.5). Рис. 9.5. Позиционирование гидроцилиндров двустороннего действия в промежуточном положении В зависимости от требований, которые должен обеспечивать гидропривод для выполнения необходимой технологической операции, исполнение управляющих распределителей по гидросхеме может быть различным: 178
9.2. Управление положением выходного звена исполнительного механизма позиционирование (останов) гидроцилиндра 1.0 в любом промежуточном положении осуществляется при переводе распределителя 1.1, выполненного по гидросхеме 44, в нейтральную позицию (рис. 9.5, а). При этом рабочие полости гидроцилиндра оказываются запертыми, давление в линии нагнетания дос- тигает максимального значения (давления настройки предохранительного клапана), насос работает под нагрузкой; позиционирование гидроцилиндра осуществляется аналогичным образом, однако, распределитель 1.1, выполненный по гидросхеме 64, в своей нейтральной позиции переводит насосную станцию в режим разгрузки (рис. 9.5, б); распределитель 1.1 выполнен по гидросхеме 24. Останов гидроцилиндра с проходным штоком 1.0 в про- межуточном положении обеспечивается одновременной подачей рабочей жидкости под давлением в обе полости цилиндра (рис. 9.5, в). Равенство площадей поршня в обеих полостях гарантирует останов выходного звена в любом промежуточном положении. При этом насос работает под нагрузкой. Золотниковые распределители не обеспечивают полной герметичности разделяемых ими каналов, что может привести к смещению из точки позиционирования выходных звеньев исполнительных механизмов, на- ходящихся длительное время под нагрузкой. 9.2.3. Позиционирование исполнительных механизмов в промежуточном положении с длительной выдержкой под нагрузкой Задачи сохранения заданного положения исполнительного механизма под нагрузкой в течение длитель- ного промежутка времени решаются не только для обеспечения требований техпроцесса, но и для выполне- ния приводом условий безопасной работы обслуживающего персонала. Так, например, резкое падение дав- ления в напорной линии, обесточивание электропривода насоса или иные внезапные отказы оборудования не должны приводить к различного рода аварийным ситуациям: падению поднятого груза, ослаблению зажима обрабатываемых деталей и пр. Для длительного удержания нагрузки в заданной точке позиционирования полости гидродвигателей долж- ны запираться абсолютно герметично, без перетечек или утечек рабочей жидкости. С этой целью в гидропри- водах применяют гидроаппаратуру клапанного типа — либо распределители (рис, 9.6, а), либо гидрозамки (рис. 9.6, б). Рис. 9.6. Позиционирование гидроцилиндров одностороннего действия в промежуточном положении Управление выдвижением и втягиванием выходного звена плунжерного гидроцилиндра 1.0 (рис. 9.6, а) осуществляется распределителем 1.1, а останов выходного звена в любом промежуточном положении произ- 179
9. Функционирование гидроприводов водится переключением распределителей 1.2. Поскольку распределитель 1.2 имеет клапанную конструкцию, то гидроцилиндр может находиться в заданном положении под нагрузкой сколь угодно долго. Позиционирование (выдвижение и останов в требуемой позиции) штока гидроцилиндра одностороннего действия 1.0 (см. рис. 9.6, б) осуществляется 3/2-распределителем 1.1. Фиксация штока в заданном положе- нии обеспечивается гидрозамком 1.3. Втягивание штока осуществляется в том случае, если распределитель 1.1 находится в своем нормальном положении, а распределитель 1.2 переключен, т.е. подает управляющий сигнал на открытие гидрозамка 1.3. Длительное удержание гидроцилиндров двустороннего действия в тре- буемой позиции также осуществляется при помощи гидрозамков (рис. 9.7). Рис. 9.7. Позиционирование гидроцилиндров двустороннего действия в промежуточном положении Если нагрузка воздействует на гидроцилиндр постоянно в одном направлении, то в приводе можно ис- пользовать односторонний гидрозамок (рис. 9.7 а, б), если же нагрузка имеет знакопеременный характер, то в приводе применяют гидрозамок двустороннего действия (рис. 9.6, в): выдвижение штока цилиндра 1.0 осуществляется при переключении 4/2-распределителя 1.1 в левую по- зицию (рис. 9.7, а). При этом жидкость через гидрозамок 1.3 подается в поршневую полость цилиндра, в то время как из штоковой вытесняется на слив. Останов штока цилиндра в требуемой точке происходит при возврате распределителя 1.1 в исходное положение: жидкость под давлением подается в штоковую полость цилиндра 1.0, в то время как поршневая оказывается запертой гидрозамком 1.3. В таком поло- жении гидроцилиндр 1.0, находящийся под действием внешней нагрузки и давления штоковой полости будет удерживаться до тех пор, пока не будет подана команда на разблокирование гидрозамка 1.3 по- средством 3/2-распределителя 1.2; позиционирование гидроцилиндра 1.0 осуществляется 4/3-распределителем 1.1, выполненным по гид- росхеме 34, переключение которого в нейтральную позицию обеспечивает надежное запирание гидро- замка 1.2, так как каналы А и X последнего сообщаются со сливом (рис. 9.5, б); для фиксации штока гидроцилиндра 1.0, испытывающего знакопеременные нагрузки, в любом положе- нии применен двусторонний гидрозамок 1.2 (рис. 9.5, в). Позиционирование гидроцилиндра 1.0 и управ- ление гидрозамком 1.2 осуществляется 4/3-распределителем 1.1, выполненным по гидросхеме 34. 180
9.3. Управление скоростью выходного звена исполнительного механизма 9.3. Управление скоростью выходного звена исполнительного механизма Одним из достоинств гидравлических приводов является возможность плавного регулирования скорости движения выходных звеньев их исполнительных механизмов в широком диапазоне значений. При этом, кроме непосредственного управления скоростью, достаточно простыми способами решаются вопросы стабилиза- ции скорости при работе привода с переменными нагрузками, синхронизации движения выходных звеньев не- скольких исполнительных механизмов. Напомним, что скорость выходного звена зависит от объемного расхода рабочей жидкости, поступающей в исполнительный механизм, а также от геометрических параметров самого механизма. Линейные скорости движения штоков гидроцилиндров (рис. 9.8) определяются из следующих соотноше- ний: прямой ход nD2 где v — скорость выходного звена, м/с; Q — объемный расход рабочей жидкости, м3/с; — площадь поршня со стороны поршневой полости, м2; D — диаметр поршня, м; обратный ход P_Q_ Q _ 4g Л2 А“лз T(P2-d2) где А2 — площадь поршня со стороны штоковой полости, м2; А3 — площадь поперечного сечения штока, м2; d— диаметр штока цилиндра, м. Частота вращения вала гидромотора определяется по формуле = ~у~' г гм где лгм — частота вращения вала гидромотора, об/с; — рабочий объем гидромотора, м3. Как говорилось выше, изменение объемного расхода рабочей жидкости, поступающей в гидродвигатель, а, следовательно, и изменение скорости движения или частоты вращения его выходного звена, может осуще- ствляться путем объемного или дроссельного регулирования. При объемном регулировании изменение рас- хода до требуемой величины обеспечивается изменением подачи регулируемого насоса, а при дроссель- ном — за счет отвода обратно в бак определенной части рабочей жидкости, подаваемой в систему нерегули- руемым насосом. При дроссельном регулировании отвод части рабочей жидкости в бак осуществляется через переливной клапан, открытие которого происходит вследствие повышения давления в системе перед гидроаппаратами управления расходом — дросселями, либо регуляторами расхода. 181
9. Функционирование гидроприводов На практике применяют различные варианты установки дросселей в систему, однако, во всех случаях из- менение площади проходного сечения дросселя вызывает изменение скоростей прямого и обратного хода ис- полнительного механизма. Раздельное управление скоростями прямого и обратного хода может быть осуществлено посредством гидродросселей с обратным клапаном Управлять скоростью, например, выдвижения штока гидроцилиндра, можно путем установки гидродросселя с обратным клапаном 1.04 в линию нагнетания (рис. 9.9, а) или в линию слива (рис. 9.9, б). 1.0 <Р = 2 G„ = 8 л/мин ч J Е А в| ~ о з МПа = 8 л/мин 0,15 МПа 1.06 0-— 2сл = 2л/мин (?н = 10 л/мин 6,0 МПа 1.02 0- 6,3 МПа 0.3 0 1.0 Ф = 2 (?сл = 2л/мин £>н = 10л/мин Рис. 9.9. Установка дросселей с обратным клапаном в линии нагнетания (а) и слива (б) Допустим, что требуемая скорость выдвижения штока дифференциального гидроцилиндра 1.0 обеспечи- вается, когда расход подаваемой в него рабочей жидкости равен 8 л/мин; распределитель 1.1 пропускает та- кой расход при перепаде давления на нем 0,3 МПа. Для простоты рассуждений условимся, что цилиндр рабо- тает без нагрузки. Дроссель с обратным клапаном в линии нагнетания (рис. 9.9, а). Если переливной клапан 0.2 настроен на давление открытия 6,3 МПа, то дроссель с обратным клапаном 1.04 должен быть настроен таким образом, чтобы давление перед ним равнялось 6 МПа, так как при этом обеспечивается требуемый перепад давления на распределителе 1.1 (0,3 МПа). Перепад давления на дросселе с обратным клапаном 1.04 составит 5,85 МПа (отношение эффективных площадей поршня дифференциального гидроцилиндра 1.0 равно 2:1, сле- довательно, при давлении в штоковой полости 0,3 МПа, давление в поршневой полости составит 0,3 МПа:2 = = 0,15 МПа). При подаче насоса QH = 10 л/мин, расход жидкости, отводимой через переливной клапан 0.2 на слив, будет равен 2 л/мин. Недостатком такого схематического решения является то, что жидкость, проходящая через дроссель с об- ратным клапаном 1.04, нагревается, и, следовательно, вызывает нагрев аппаратов (в частности — гидроци- линдра*) установленных за ним. * В высокоточных гидроприводах металлообрабатывающих станков необходимо учитывать температурное рас- ширение материала исполнительного механизма. 182
9.3. Управление скоростью выходного звена исполнительного механизма Кроме того, поскольку в обеих полостях цилиндра низкое давление, это может привести к выделению из рабочей жидкости растворенного в ней воздуха и появлению воздушных пузырей. Наличие пузырей воздуха в рабочей жидкости снижает жесткость привода и может вызвать неустойчивую работу цилиндра. Дроссель с обратным клапаном в линии слива (рис. 9.9, б). Учитывая соотношение площадей поршня гидроцилиндра 1.0 (2:1), определяем, что требуемая скорость (расход подаваемой в гидроцилиндр рабочей жццкости (?ц = 8 л/мин, или перепад давления на распределителе 1.1, равный 0,3 МПа) будет обеспечена та- кой настройкой дросселя с обратным клапаном 1.04, при которой показание манометра 1.03 будет равным 12 МПа (при отсутствии внешней нагрузки и <р = 2 давление в штоковой полости гидроцилиндра вдвое выше давления в поршневой). Достоинства рассмотренного схематического решения: высокое давление в обоих полостях гидроцилинд- ра 1.0 исключает возможность появления воздушных пузырей в рабочей жидкости; рабочая жидкость, нагре- ваемая при прохождении через дроссель с обратным клапаном 1.04, сливается в бак, где происходит ее осты- вание. Для раздельного управления скоростями прямого и обратного хода гидроцилиндров дроссели с обратным клапаном предпочтительно устанавливать в линиях слива (рис. 9.10, а). Скорость выдвижения штока гидроци- линдра 1.0 управляется дросселем с обратным клапаном 1.02, а скорость втягивания штока — дросселем с обратным клапаном 1.01. Рис. 9.10. Схемы раздельного управления скоростями прямого и обратного хода Выбирая такое схематическое решение, следует иметь в виду, что при работе с попутными нагрузками уровень давления в штоковой полости гидроцилиндра 1.0 может превысить максимально допустимый уро- вень и привести к разрыву трубопроводов. В подобных случаях для защиты гидросистемы применяют тормоз- ной клапан 1.04, ограничивающий давление в штоковой полости (рис. 9 10, б). Напомним, что гидродроссели, как устройства управления скоростью исполнительных механизмов, не обеспечивают стабильное значение скорости при работе гидроприводов с переменными нагрузками. Напри- мер, в металлургических машинах, в строительно-дорожной и сельскохозяйственной технике гидроцилинд- ры чаще всего соединены с объектом управления при помощи рычагов, что делает приведенную к гидроци- линдру инерционную нагрузку переменной, зависящей от положения поршня и меняющейся иногда более чем на порядок. Если гидравлические приводы таких машин должны поддерживать стабильной скорость ве- домого объекта, то регулирование скорости исполнительных механизмов в них осуществляется регулятора- ми расхода. 183
9. Функционирование гидроприводов Как устройства стабилизации скорости регуляторы расхода применяются, например, в металлорежущих станках, подача рабочих органов в которых осуществляется по циклу: быстрый подвод — рабочая подача — быстрый отвод (рис. 9.11). Рис. 9 11. Гидроприводы, реализующие цикл: А—быстрый подвод; В — рабочая подача; С — быстрый отвод На рис. 9.11, а показан привод, стабильная рабочая подача в котором поддерживается двухлинейным ре- гулятором расхода 1.02. Работает привод следующим образом: быстрый подвод При подаче электрического управляющего сигнала на электромагнит Y1 4/3-распре- делитель 1.1 переключается в позицию а, рабочая жидкость от насосной станции подается в поршневую полость гидроцилиндра 1.0. Из штоковой полости жидкость свободно поступает на слив через нормаль- но открытый 2/2-распределитель с управлением от ролика 1.04. Поскольку на участке хода А цилиндр не нагружен, скорость гидроцилиндра 1.0 максимальна и определяется подачей насоса; рабочая подача. Кулачок, связанный со штоком гидроцилиндра 1.0, входит в контакт с роликом распре- делителя 1.04 и переключает последний. Жидкость из штоковой полости гидроцилиндра начинает по- ступать на слив через двухлинейный регулятор расхода 1.02, обеспечивающий требуемую скорость движения рабочего органа при выполнении технологической операции. Изменение нагрузки на гидроци- линдр на участке хода В не оказывает влияния на скорость выдвижения штока; быстрый отвод. При подаче электрического управляющего сигнала на электромагнит Y2 4/3-распреде- литель 1.1 переключается в позицию Ь, рабочая жидкость от насосной станции, минуя регулятор расхо- да 1.02 и распределитель 1.04, подается в штоковую полость гидроцилиндра 1.0 через обратный клапан 1.01. Из поршневой полости жидкость свободно поступает на слив. Поскольку при обратном ходе ци- линдр не нагружен, его скорость на участке С максимальна и определяется подачей насоса. Скорость быстрого отвода выше скорости быстрого подвода, так как площадь поршня в штоковой полости меньше площади в поршневой. Аналогичным образом работает гидропривод, показанный на рис. 9.11,6. Использование в схематическом решении трехлинейного регулятора расхода 1.02 предопределяет его установку в линии нагнетания гидроци- линдра при выдвижении штока. Для обеспечения режимов быстрый подвод — рабочая подача параллельно регулятору расхода 1.02 установлен нормально открытый 2/2-распределитель 1.04. Режим быстрый отвод обеспечивается наличием обратного клапана 1.01. Реализовать подачу рабочих органов металлорежущего оборудования по циклу быстрый подвод — рабо- чая подача — быстрый отвод можно другим схематическим решением с использованием дифференциального 184
9.3. Управление скоростью выходного звена исполнительного механизма гидроцилиндра, подключаемого по так называемой дифференциальной схеме. Конструктивная особенность дифференциального гидроцилиндра — соотношение 2:1 эффективных площадей поршня со стороны порш- невой и штоковой полости (рис. 9.12). На рис. 9.12 видно, что при одинаковом расходе поступающей к цилиндру рабочей жидкости, скорость прямого хода (выдвижения штока) дифференциального цилиндра будет вдвое меньше скорости обратного хода (втягивания штока). Путем дифференциального подключения, т.е. соединением обеих полостей гидроцилиндра с напорной линией, обеспечивается удвоенная скорость прямого хода, равная скорости втягивания. Таким образом, ис- пользуя дифференциальный гидроцилиндр, появляется возможность получить быструю и медленную скоро- сти выдвиженя штока цилиндра и быструю скорость втягивания. При этом усилия, развиваемые цилиндром, следующие: быстрый подвод (подключение по дифференциальной схеме) F3=P^Ai ~РиА2 = рабочая подача =Р„Аг 185
9. Функционирование гидроприводов быстрый отдвод = Л А = А Из приведенных соотношений следует, что в режиме рабочего хода гидроцилиндр развивает максималь- ное усилие, что и требуется при совершении технологической операции. В то же время, холостые хода — бы- стрый подвод и быстрый отвод — осуществляются с меньшим усилием Принципиальная схема гидропривода, реализующего вышеописанный цикл, показана на рис. 9.13, а. Рис. 9.13. Гидроприводы с дифференциальным гидроцилиндром Работает привод следующим образом: быстрый подвод. При переключении распределителя 1.1, выполненного по 24 гидросхеме, в позицию О реализуется дифференциальная схема подключения гидроцилиндра, обеспечивающая высокую ско- рость выдвижения штока дифференциального гидроцилиндра 1.0; рабочая подача. Распределитель 1.1 переводится в позицию Ь. Расход рабочей жидкости поступающей в поршневую полость гидроцилиндра и скорость выдвижения штока снижается вдвое; быстрый отвод. Распределитель 1.1 переводится в позицию а. Шток цилиндра с удвоенной, по отноше- нию к рабочей подаче, скоростью возвращается в исходную позицию. При необходимости обеспечить равные скорости выдвижения и втягивания штока гидроцилиндра можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 9.13, б. Переключение нормально закрытого 3/2-гидрораспре- делителя приводит к подключению гидроцилиндра 1.0 по дифференциальной схеме. Шток цилиндра выдвига- ется со скоростью, равной скорости втягивания. Втягивание осуществляется при переводе распределителя 1.1 в исходное состояние. Скорости движения прямого и обратного хода настраиваются регулятором расхо- да 1.02. Для изменения скорости выходного звена исполнительного механизма по ходу его движения по заранее заданному закону в гидроприводах применяют путевые дроссели. Изменение проходного сечения путевого дросселя, а, следовательно, и скорости выходного звена гидро- цилиндра, осуществляется посредством управляющих кулачков, устанавливаемых на рабочих органах ма- шин. Профиль кулачка определяет закон по которому будет меняться скорость. 186
9.4. Управление усилием на выходном звене исполнительного механизма 9.4. Управление усилием на выходном звене исполнительного механизма Усилия, развиваемые рабочими органами гидрофицированного оборудования, в основном определяются двумя параметрами: геометрическими размерами приводных исполнительных механизмов* и давлением ра- бочей жидкости в гидросистеме. Напомним, что рабочее давление в гидроприводе, определяющее макси- мальные усилия, развиваемые исполнительными механизмами, настраивается и поддерживается на требуе- мом уровне посредством переливных клапанов. При этом предельно допустимое давление в системе обеспе- чивается предохранительными клапанами. Для снижения давления до требуемого уровня в отдельных линиях гидросистемы применяют редукцион- ные клапаны, которые поддерживают на выходе давление, пониженное по отношению к давлению на входе, на заданном уровне. Если оборудование оснащено несколькими исполнительными механизмами, то получе- ние требуемых усилий на их выходных звеньях не ограничивается только подбором подходящих типоразме- ров гидродвигателей, а обеспечивается поддержанием разных уровней давления в различных линиях гидро- системы посредством клапанов давления. Так, например, в гидрофицированном фрезерном станке (рис. 9.14, а), один гидроцилиндр приводит в действие механизм зажима обрабатываемых заготовок, а второй осуществля- ет подачу режущего инструмента. Усилие зажима регулируется в зависимости от материала и конфигурации заготовки, а подача осуществляется в режиме стабилизации скорости. Рис. 9.14. Гидропривод фрезерного станка Рассмотрим работу гидропривода фрезерного станка (рис. 9.14, б). В исходном состоянии насосная стан- ция 0.1 разгружена, поскольку распределитель 1.1, управляющий гидроцилиндром 1.0 (зажимным устройст- вом) выполнен по гидросхеме 64. При подаче напряжения на электромагнит Y1 распределитель 1.1 переключается в позицию а, и гидроци- линдр 1,0 начинает проводить зажим заготовки со скоростью, определяемой настройкой дросселя с обратным клапаном 1.06. Когда шток цилиндра 1.0 дойдет до упора, давление в поршневой полости станет равным дав- лению настройки трехлинейного редукционного клапана 1.02 — 8 МПа, необходимому для создания требуе- * Речь идет о размерах, которые определяют силовые возможности исполнительных механизмов: диаметры поршней, плунжеров и т.п. 187
9. Функционирование гидроприводов мого усилия зажима заготовки. Давление, развиваемое насосом, достигнет значения настройки переливного клапана 0.4 — 15 МПа. Далее распределитель 2.1 переключается в позицию а, и гидроцилиндр 2.0 начинает осуществлять пода- чу рабочего инструмента в режиме быстрый подвод, поскольку нормально открытый распределитель 2.04 обеспечивает свободный слив рабочей жидкости из штоковой полости гидроцилиндра 2.0 в бак. При этом об- ратный клапан 0.2 не дает понизиться давлению на входе в редукционный клапан 1.02, что обеспечивает со- хранение усилия зажима заготовки на данном этапе. Переход на режим рабочая подача осуществляется при переключении распределителя 2.04 от кулачка, связанного со штоком гидроцилиндра 2.0. Рабочая подача ин- струмента осуществляется с постоянной скоростью, величина которой настраивается двухлинейным регуля- тором расхода 2.02. Быстрый возврат цилиндра 2.0 в исходное состояние осуществляется при переключении распределителя 2.1 в позицию b со скоростью определяемой подачей насосной станции 0.1. Несмотря на то, что при движении гидроцилиндра 2.0 в различных режимах давление в напорной линии изменяется, давление в поршневой по- лости гидроцилиндра 1.0 и усилие зажима заготовки остается неизменным, благодаря установке редукцион- ного клапана 1.02. Разжим заготовки также осуществляется с максимальной скоростью. При использовании для понижения давления в полости гидроцилиндра редукционного клапана, на входе последнего поддерживается давление, определяемое настройкой переливного клапана. Если от этой же на- сосной станции приводятся в действие другие гидродвигатели, то только на входе в гидродвигатель, перед ко- торым установлен редукционный клапан будет поддерживаться низкий уровень давления. Рабочее давление в остальных гидродвигателях определяется настройкой переливного клапана. Понизить давление рабочей жидкости в полости гидродвигателя можно путем подсоединения к ней напор- ного клапана (рис. 9.15). Рис. 9.15. Понижение давления в полости гидроцилиндра посредством напорного клапана Если в приводе один цилиндр, то такая схема поддержания пониженного давления имеет даже некото- рое преимущество по отношению к схемам с применением редукционного клапана — при длительном удер- жании гидроцилиндра 1.0 в выдвинутом положении, насос работает под давлением 8 МПа, а не под давле- нием 15 МПа, на которое настроен переливной клапан 0.2. Такое схематическое решение может оказаться неприменимым в случаях, когда в приводе несколько исполнительных механизмов. Это объясняется тем, что при положении распределителя 1.1 в позиции а давление снижается до давления настройки напорного клапана 1.02 не только в поршневой полости гидроцилиндра 1.0, но и во всей гидросистеме, что может ока- заться недопустимым для выполнения другими исполнительными механизмами требуемых технологичес- ких операций. 188
9.5. Последовательная работа исполнительных механизмов 9.5. Последовательная работа исполнительных механизмов В станочных гидроприводах достаточно часто приходится реализовывать последовательную работу не- скольких исполнительных механизмов, обеспечивающих выполнение требуемого технологического процесса. Так в рассмотренном выше приводе фрезерного станка два гидроцилиндра осуществляли зажим заготовки, выполнение рабочей операции (подвод и отвод рабочего инструмента), разжим заготовки. Если первый ци- линдр обозначить как цилиндр А, а второй — как В, то в арифметической форме записи* последовательность срабатывания цилиндров будет выглядеть следующим образом: А+ В+ В- А-. Осуществить такой алгоритм работы гидропривода фрезерного станка можно путем применения напор- ных клапанов. На рис 9.16 показана принципиальная гидравлическая схема станка и его диаграмма «Переме- щение-время». Рис. 9.16. Принципиальная гидросхема фрезерного станка и его диаграмма «Перемещение-время» При переводе распределителя 1.1 в позицию а начинает выдвигаться гидроцилиндр 1.0 со скоростью, оп- ределяемой настройкой дросселя 1.04 (шаг I. А+ — зажим заготовки). Давление во всей гидросистеме будет зависеть от преодолеваемой им нагрузки. После того, как цилиндр 1.0 зажмет заготовку (давление в его порш- невой полости станет равным 8 МПа), давление в системе начнет расти. Когда его уровень превысит 10 МПа (давление настройки напорного клапана 2.02), последний откроется и начнется выдвижение штока цилиндра 2.0 (В) с высокой скоростью (шаг II: В+ — быстрый подвод инструмента). При достижении штоком цилиндра 2.0 распределителя 2.06 скорость подачи инструмента снижается до значения, определяемого настройкой регу- лятора расхода 2.04 (шаг III — рабочая подача). По завершении рабочей операции распределитель 1.1 переводится оператором в позицию Ь, шток гидро- цилиндра 2.0 начинает втягиваться (шаг IV: В— быстрый отвод инструмента). При этом давление в гидросис- теме падает, поскольку цилиндр 2.0 втягивается практически без нагрузки. После отвода инструмента, давле- ние в системе повышается и при 10 МПа открывается напорный клапан 1.03 — начинает втягиваться шток ци- линдра 1.0 (шаг V: А-разжим заготовки). По выполняемой функции в приводе, напорные клапаны 1.03 и 2.02 называют клапанами последователь- ности, поскольку они обеспечивают последовательное срабатывание гидроцилиндров. * См. Ч. 1. Пневматические приводы и средства автоматизации, разд. 8.1.1. «Формы представления хода техно- логического процесса». 189
9. Функционирование гидроприводов 9.6. Параллельная работа исполнительных механизмов Параллельная работа нескольких гидроцилиндров, выходные звенья которых должны двигаться с одина- ковыми скоростями, т.е. синхронно, является достаточно распространенным требованием к работе приводов различного гидрофицированного технологического оборудования. Например, в гильотинных ножницах, круп- ных гидравлических прессах или листогибочных станках (рис. 9.17, а), приводимые гидроцилиндрами в движе- ние узлы, перемещаются по разнесенным на значительное расстояние параллельным направляющим. При этом движущийся узел приводится в движение двумя параллельно установленными цилиндрами, располо- женными вблизи направляющих. Даже небольшая разница в скоростях движения по направляющим разне- сенных опор перемещаемого узла может привести к его перекосу и заклиниванию, поэтому синхронное движе- ние цилиндров, независимо от изменения нагрузки на них, является обязательным требованием к работе гид- ропривода. Одним из распространенных способов обеспечения синхронного движения гидроцилиндров является так называемый «гидравлический боуденовский трос»: два одинаковых гидроцилиндра с проходными штоками соединяют последовательно (рис. 9.17, б). Благодаря такому соединению второй цилиндр повторяет движе- ние первого цилиндра, в который подается рабочая жидкость от насосной станции. Рис. 9.17. Гидропривод листогибочного станка Так например, при подаче электрического сигнала на электромагнит Y2, распределитель 1.1 переключает- ся в позицию Ь, и гидроцилиндр 2.0 начинает движение вниз. Поскольку цилиндры 1.0 и 2 0 имеют проходные штоки, то расход подаваемой в гидроцилиндр 2.0 жидкости от насосной станции, равен расходу жидкости вы- тесняемой из его нижней полости и, следовательно, расходу рабочей жидкости, подаваемой в верхнюю по- лость гидроцилиндра 1.0 Таким образом, расходы жидкости, подаваемой в верхние полости обоих гидроци- линдров оказываются равными, что обеспечивает их синхронное движение. Переключение распределителя 1.1 в позицию а приводит к подаче рабочей жидкости в нижнюю полость гидроцилиндра 1.0 и к синхронному движению вверх обоих цилиндров. Синхронность движения цилиндров 1.0 и 2.0 может нарушиться вследствие внутренних или внешних уте- чек рабочей жидкости. Во избежание нежелательных последствий таких утечек, связанные между собой по- 190
9.6. Параллельная работа исполнительных механизмов лости обоих цилиндров, кратковременно соединяются с напорной магистралью насоса через каждый рабочий ход посредством распределителя 1.2. Поскольку подпиточный распределитель 1.2, как правило, имеет золот- никовую конструкцию, то он сам может явиться причиной появления утечек. Поэтому необходимым условием надежной работы привода является установка в линию подпитки гидрозамка 1.3. Как описывалось ранее, другим способом реализации равноскоростного движения двух гидроцилинд- ров является использование делителей потока. Напомним, что делители потока делят поток рабочей жид- кости, поступающей на их вход, на два выходных потока, в определенном конструкцией делителя соотно- шении. Соотношение расходов выходных потоков жидкости автоматически поддерживается делителем вне зависимости от изменения давления на любом из его выходов. Если гидроцилиндры имеют одинако- вые геометрические параметры, то применяются делители потока, которые делят поток на две равные части. На рис. 9.18 представлены две схемы гидроприводов, в которых реализовано синхронное движение двух гидроцилиндров посредством использования делителей потока дроссельного типа. В первом схематическом решении (рис. 9.18, а) оба гидроцилиндра 1.0 и 2.0 управляются общим распре- делителем 1.1. При переключении распределителя 1.1 в позицию а штоки цилиндров 1.0 и 2.0 начинают вы- двигаться с равными скоростями, поскольку от распределителя жидкость в их поршневые полости подается через делитель потока 1.4. Жидкость, вытесняемая из штоковых полостей цилиндров, поступает на слив че- рез обратные клапаны 1.6 и 2.2, установленные параллельно делителю потока 1.7. Втягивание штоков цилин- дров осуществляется переводом распределителя 1.1 в позицию Ь. Втягивание также будет осуществляться синхронно, так как равенство расходов рабочей жидкости, поступающей в штоковые полости обоих цилинд- ров, обеспечивается делителем потока 1.7. Слив жидкости из поршневых полостей гидроцилиндров происхо- дит через обратные клапаны 2.1 и 1.3. Во втором схематическом решении (рис. 9.18, б) делитель 0.4 установлен на выходе насосной станции 0.1 и делит поток в напорной линии на две равные части, поступающие в две одинаковые цепи управления гидро- 191
9. Функционирование гидроприводов цилиндрами 1.0 и 2.0 Синхронное движение цилиндров может быть осуществлено только при условии, что управляющие команды на распределители 1.1 и 2.1 подаются одновременно: для выдвижения штоков — на электромагниты Y1 и Y3, а для втягивания — на Y2 и Y4 Помимо делителей потока дроссельного типа в гидроприводах применяются делители потока объемного ти- па. Простыми делителями потока объемного типа являются спаренные (связанные валами) гидромоторы, пре- имущественно аксиально-поршневых типов. Гидромоторы в такой схеме являются расходомерными устройст- вами (дозаторами), пропускающими через себя за один оборот объем жидкости, равный рабочему объему гид- ромотора (без учета утечек жидкости в гидромоторе). При равных рабочих объемах гидромоторов расход жидкости, поступающий от насоса, будет разделен между гидродвигателями на две равные части (рис. 9.19, а). Еще одним способом подачи равных расходов в два гидроцилиндра является применение спаренных насо- сов с равными рабочими объемами (рис. 9.18, б). Насосы Н1 и Н2 приводятся в действие от одного электродви- гателя, что гарантирует одинаковую частоту их вращения. Для поддержания на выходе насосов равного давле- ния в схеме использован общий переливной клапан 0 2, а для исключения взаимного влияния друг на друга — разнонаправленные обратные клапаны 0.4 и 0.5. Направление движения гидроцилиндров задается распреде- лителями 1.1 и 2.1, причем одновременной подачей управляющих сигналов на электромагниты Y1 и Y2. На всех вышеприведенных схемах, реализующих синхронное движение двух гидроцилиндров, показаны только принципы построения систем синхронизации.. Реальные схематические решения оказываются значи- тельно сложнее, поскольку в них предусматриваются элементы, компенсирующие разность расходов рабочей жидкости, подаваемой в гидроцилиндры. Неравенство подач может возникнуть по различным причинам: вследствие неодинаковой утечки в элементах гидропривода, из-за неодинаковой подачи насосов, в результа- те сжатия рабочей жидкости, из-за люфтов в подшипниках машины и пр. Качество работы приводов с синхронным движением гидроцилиндров в основном определяется эффек- тивностью работы систем обнаружения и компенсации ошибок, возникающих в процессе функционирования приводов. 192
9.7. Применение гидроаккумуляторов 9.7. Применение гидроаккумуляторов Гидроаккумуляторы, как устройства, предназначенные для накопления рабочей жидкости под давлением, выполняют в гидросистемах различные функции: сглаживают гидроудары, пульсации давления и подачи на- сосов, компенсируют утечки, выравнивают нагрузку на насос, обеспечивают работу системы в случае выхода насоса из строя и т.п. Варианты применения гидроаккумуляторов в зависимости от выполняемых ими функций в гидроприводе рассмотрим на конкретных примерах. Увеличение расхода рабочей жидкости. В прессовом и штамповочном оборудовании рабочие операции выполняются с небольшой скоростью исполнительных механизмов и высоким давлением рабочей жидкости в них. Для повышения производительности оборудования, т.е. уменьшения времени выполнения полного цикла его работы, подвод-отвод инструмента осуществляется в режимах холостого хода с высокими скоростями вы- ходных звеньев исполнительных механизмов. Высокие скорости могут быть обеспечены насосами с большой подачей рабочей жидкости, однако, в подобных случаях целесообразнее применять гидроаккумуляторы (рис. 9.20). Рис. 9.20. Схема гидропривода с гидроаккумулятором для увеличения расхода рабочей жидкости в при- воде В режиме холостого хода гидроцилиндров 1.0 и 2.0 рабочая жидкость в них поступает одновременно от на- соса высокого давления Н1, насоса низкого давления Н2, и гидроаккумулятора 0.3, что обеспечивает высокую скорость их перемещения. После завершения холостого хода нагрузка на гидроцилиндры возрастает и давле- ние в системе повышается. При этом обратный клапан 0.4 запирается и рабочая жидкость продолжает посту- пать к цилиндрам только от насоса высокого давления Н1 (выполняется рабочая операция). Насос Н2 в это время заряжает аккумулятор 0-3. 193
9. Функционирование гидроприводов Компенсация утечек. В гидравлических зажимных устройствах усилие, с которым цилиндр зажимает деталь, остается постоянным только в том случае, если возникающие утечки рабочей жидкости непрерывно компенсируются. Восполнять утечки можно путем постоянного соединения гидроцилиндра с напорной лини- ей насосной установки, однако, более экономичным способом является применение гидроаккумулятора (рис. 9.21). После зажима детали распределитель 1.1 выводится в нейтральную позицию, запирая полости гидроци- линдра 1.0 и переводя насосную станцию 0.1 в режим разгрузки. Возникающие внутренние или внешние утеч- ки рабочей жидкости компенсируются гидроаккумулятором 0.2, подсоединенным к поршневой полости гидро- цилиндра 1.0. Такое схемное решение имеет ряд достоинств: при длительном удержании детали в зажимном устройстве насосную станцию можно выключить, что позволит значительно снизить эксплуатационные расхо- ды и увеличить срок службы гидропривода. Работа в аварийных ситуациях. Если гидроаккумулятор используется в качестве элемента, обеспечи- вающего безопасность, он не выполняет функции источника энергии при нормальной работе гидропривода, однако напрямую подключен к насосу. В нештатных ситуациях, например, при отказе насосного агрегата, сбое в электроснабжении и т.п., энергия рабочей жидкости в аккумуляторе позволяет исполнительным механизмам гидропривода совершить дейст- вия, направленные на обеспечение безопасности обслуживающего персонала и безаварийную остановку оборудования. Так при возникновении аварийной ситуации в металлообрабатывающем оборудовании гидро- цилиндры смогут завершить рабочую операцию или, наоборот — немедленно вывести инструмент из рабочей зоны; на канатных дорогах или в гидравлических лифтах привести в действие устройства аварийного тормо- жения; в авиалайнерах выдвинуть шасси и т.п. В качестве примера рассмотрим схему гидропривода пресса, в котором при сбое электроснабжения пуан- сон немедленно выводится гидроцилиндром в верхнее положение (рис. 9.22). При отключении электроэнер- гии 4/3-распределитель 1 1 установится в нейтральное положение под действием центрирующих пружин, а 2/2-распределитель 1.3 — в свое нормально открытое состояние. При этом аккумулятор 0.2 соединится через распределитель 1.3 со штоковой полостью гидроцилиндра 1.0, и его шток втянется. 194
9.7. Применение гидроаккумуляторов Рис. 9.22. Схема гидропривода с гидроаккумулятором для подъема штока цилиндра в аварийной ситуации Основными достоинствами подключения гидоаккумуляторов в аварийных ситуациях являются: готовность к немедленному включению; неограниченный срок службы; отсутствие усталостных явлений; безынерционность; высокая степень надежности; низкие затраты на обслуживание. Повышение быстродействия. За счет установки гидропневматического аккумулятора 0.3 вблизи от гид- родвигателя 1.0 удается легче преодолеть инерцию столба жидкости между насосной станцией 0.1 и гидро- двигателем 1.0, что способствует повышению быстродействия привода (рис. 9.23). Рис. 9.23. Схема гидропривода с гидроаккумулятором для повышения быстродействия привода 195
10. Основы эксплуатации гидроприводов Гидроприводы большинства машин представляют собой достаточно сложную техническую систему с большим числом компонентов, многие из которых представляют собой высокоточные изделия, работающие в довольно тяжелых режимах, и выход из строя одного из них может привести к длительной остановке всей сис- темы. Важнейшими состояниями, в которых может находиться любая техническая система, являются: исправ- ность, неисправность, работоспособность и отказ. Исправность — состояние изделия, при котором оно в данный момент времени удовлетворяет всем тре- бованиям, установленным в отношении всех параметров (основных и второстепенных)*. Неисправность — состояние изделия, при котором оно в данный момент времени не удовлетворяет хотя бы одному из параметров. Работоспособность — состояние изделия, при котором оно в данный момент времени удовлетворяет всем требованиям, установленным по основным параметрам (исправное изделие обязательно работоспособ- но, но работоспособное изделие может быть и неисправно). Отказ — событие, состоящее в полной или частичной утрате работоспособности. Работоспособность изделия может сохраняться до определенного предельного состояния. Для насосов предельное состояние определяется допустимым снижением коэффициента полезного действия, для рас- пределителей и гидромоторов — величиной утечек, для предохранительных клапанов — изменением давле- ния настройки во всем диапазоне расходов и т.д. Работоспособность изделия выявляется, как правило, во время его эксплу атации. Если изделие сохраня- ет работоспособность непрерывно в течение некоторого времени, то оно обладает свойством безотказно- сти. Если же изделие сохраняет работоспособность до наступления предельного состояния, конечно, с воз- можными перерывами на ремонт, то в этом случае, говорят о долговечности. В технике чаще используют более общее понятие надежность — свойство изделия сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность, как свойство, включает в себя и безотказность, и долговечность, и ремонто- пригодность — приспособленность изделия (технического устройства) к проведению различных работ по его техническому обслуживанию и ремонту. 10.1. Ввод гидроприводов в эксплуатацию Применение в гидроприводах машин конструктивно сложного гидравлического оборудования с прецизи- онными парами трения предъявляет повышенные требования к его эксплуатации и техническому обслужива- нию. Несоответствие условий эксплуатации и предъявляемых требований приводит к нарушению работоспо- собности гидрооборудования, снижению надежности и производительности машин, а иногда и отказу. Часто поломки гидропривода происходят при его первом же пуске, поэтому необходимо соблюдать следующий стро- го определенный порядок ввода гидропривода в эксплуатацию: 1) заполнить бак маслом. Заливаемое масло должно соответствовать указанному в руководстве, а его ка- чество должно предварительно контролироваться; 2) проверить соблюдение требований безопасности; 3) ослабить регулировочный винт предохранительного клапана; 4) проверить положение рабочих органов и распределителей, обеспечивающее поджим рабочих органов к упорам. Поскольку при первом пуске возможны любые случайные движения, рекомендуется установить до- * К числу основных параметров изделия относятся: быстродействие, нагрузочная характеристика, устойчи- вость, точность выполнения производственных операций и т.д. Вместе с другими показателями (масса, габарит- ные размеры, удобство в обслуживании и др.) они составляют комплекс показателей качества изделия. 196
10.1. Ввод гидроприводов в эксплуатацию полнительные упоры, тщательно наблюдать за движением каждого рабочего органа. До включения гидропри- вода проверить правильность срабатывания электромагнитов распределителей. Если в гидросистеме имеют- ся чувствительные к засорению аппараты, например, дросселирующие гидрораспределители, то вместо них установить технологические плитки, допускающие циркуляцию масла. Установка снятых аппаратов осуществ- ляется только после очистки гидросистемы от начальных загрязнений; 5) кратковременным пуском электродвигателя (1...2 с) проверить правильность направления вращения насоса (указано в руководстве к насосу); 6) проверить наличие давления при включении насосной установки (уровень давления определяется регу- лировкой предохранительного клапана по п. 3); 7) устранить наружные утечки. При наличии течей по стыковым поверхностям аппаратов не рекомендует- ся чрезмерная затяжка крепежных винтов, результатом которой может быть деформация корпуса и заклини- вание золотников; следует проверить отклонение от плоскостности соединительных поверхностей и качество уплотнительных колец; 8) в процессе работы на низком давлении проверить ход всех рабочих органов и выпустить воздух из гид- родвигателей и трубопроводов через специально предусмотренные устройства или ослабляя затяжку соеди- нений трубопроводов в верхних точках гидросистемы (при давлении не более 0,3 МПа). При необходимости долить масло в бак; 9) с помощью предохранительного клапана или регулятора насоса установить в гидросистеме нор- мальное рабочее давление. После проверки рабочего давления манометр необходимо отключить от гид- росистемы (с помощью специальных переключателей) и проследить, чтобы его стрелка вернулась к нуле- вой отметке; 10) при наличии повышенного уровня шума или пены на поверхности масла в баке проверить уплотнение вала насоса, герметичность всасывающего и сливного трубопроводов, а также уровень масла в баке; 11) произвести наладку узлов гидропривода; обеспечить плавность движения гидроцилиндров, наруше- ние которой может быть вызвано следующими причинами: повышенное трение в уплотнениях цилиндра или направляющих рабочего органа, перекос оси цилиндра относительно направляющих, наличие воздуха в по- лостях, недостаточное давление настройки предохранительного клапана, недостаточное противодавление в сливной полости. Осуществить настройку тормозных устройств и выставить упоры, установленные на машине (во избежа- ние разрушения гидроцилиндра, особенно при больших перемещаемых массах, при полном ходе рабочих ор- ганов поршень не должен доходить до упора в крышку). Сжимаемость масла в рабочей полости цилиндра приводит к запаздыванию начала движения его штока, поэтому соответствующие паузы при наладке цикла не следует считать дефектом. Аналогичные явления при- водят к замедленному росту давления в полостях цилиндра и появлению пауз (до нескольких секунд при ма- лых подачах) при управлении по давлению. Для нормальной работы путевых дросселей и распределителей произвести наладку кулачков. При этом необходимо следить, чтобы ход толкателя или ролика не превышал значения, требуемого по техническому условию, а угол наклона кулачка не превышал 30°. По окончании наладки регулировочные элементы наибо- лее ответственных гидроаппаратов опломбировать или запереть на замок. В процессе регулирования и наладки гидропривода проверить правильность функционирования гидрав- лических блокировок, обеспечивающих необходимую последовательность работы механизмов (например, сначала зажим заготовки, а затем включение подачи), а также защиту от аварии при нарушениях в работе гид- росистемы (случайные падения давления, отключение одного из насосов и др.). При отладке электрогидравлических приводов особое внимание следует уделить качеству выполнения механической части (т.е. проверить уровень трения (сухого); наличие зазоров а механических передачах; пра- вильность закрепления датчиков; отсутствие воздуха в гидродвигателях; жесткость и длину трубопроводов, связывающих распределитель с гидроприводом); 12) подключить систему электроавтоматики и произвести наладку автоматического цикла. Функциони- рование гидродвигателей в автоматическом цикле должно строго соответствовать циклограмме работы 197
10. Основы эксплуатации гидроприводов оборудования. При наладке автоматического цикла отрабатывается четкость работы электрической сис- темы управления последовательностью включения распределителей, надежность блокировок, оконча- тельно регулируются и уточняются время каждого перехода, величины ходов, характер динамических про- цессов; 13) если при наладке установлено, что средний уровень звука 85 дБА, допустимый в соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 для постоянных рабочих мест в производственных помещениях, превышен, необходимо принять меры к его снижению. Прежде всего следует обратить внимание на качество насоса и наличие возду- ха в гидросистеме; 14) после работы гидропривода в автоматическом цикле в течение 4...5 ч определить установившуюся температуру масла в баке, которая не должна превышать 55 °C. При наличии перегрева следует прежде всего уменьшить потери мощности в гидроприводе (проверить действие устройств разгрузки, устранить чрезмерные запасы по давлению и расходу), а затем обратить внимание на функционирование маслоохла- дителей (наличие потока охлаждающего воздуха в воздушных или воды в водяных теплообменниках; коли- чество масла, проходящее через теплообменник; исправность терморегуляторов и правильность их регули- ровки). Следует помнить, что нормальный тепловой режим гарантируется лишь при строгом соблюдении реко- мендаций завода-изготовителя по типу применяемых масел. Для определения возможных перетечек в гидро- системе целесообразно проверить расход масла через дренажную и сливную линии при неподвижных гидро- двигателях; 15) наладить систему фильтрации. После нескольких часов эксплуатации привода проверить степень за- грязнения фильтров и при необходимости очистить или заменить фильтроэлементы. 10.2. Техническое обслуживание гидроприводов Техническое обслуживание представляет собой регламентированный, регулярно проводимый комплекс профилактических мероприятий, обеспечивающих исправность гидроприводов при их эксплуатации. Одним из основных условий увеличения срока службы гидроприводов является своевременное и качест- венное проведение всех видов технического обслуживания и ремонта на базе системы планово-предупреди- тельного ремонта. По этой системе гидрофицированные машины останавливаются для ремонта по заранее разработанному плану, когда они находятся еще в работоспособном состоянии. Система планово-предупре- дительного ремонта позволяет устранить элементы случайности в работе приводов и внезапные отказы его элементов. Техническое обслуживание является неотъемлемой частью системы планово-предупредительного ремонта машин, которая должна связывать в один комплекс выполнение технических обслуживаний и ремонтов. Составными частями технического обслуживания гидроприводов являются: постоянное наблюдение за состоянием рабочей жидкости и всех других частей системы, осуществляе- мое с помощью органов чувств — визуально, на слух и на ощупь, и проверка показаний приборов с це- лью выявления отклонений от нормы, причин их появления и принятия оперативных мер по их устране- нию; периодическая комплексная проверка свойств и состояния рабочей жидкости, а также проверка состоя- ния наиболее отказоопасных компонентов гидропривода с целью их своевременной замены или ремон- та (незамедлительно, если этого требует их реальное состояние, либо в планово-предупредительном порядке); единовременная полная ревизия гидропривода, выполняемая обычно не чаще раза в год, сопровождае- мая очисткой гидробака и моаслоохладителя, заменой рабочей жидкости, заменой, при необходимости, основных гидроагрегатов и поднастройкой контрольно-регулирующей аппаратуры. Постоянное наблюдение за состоянием машины осуществляется оператором машины, а перед началом смены и работниками службы механика цеха или участка. 198
10. 2. Техническое обслуживание гидроприводов Наиболее важные объекты проверок и характерные внешние проявления отклонений от нормального со- стояния приведены в табл. 10.1. Таблица 10.1 Компонент гидросистемы Проявление отклонения Возможная причина отклонения Гидробак с рабочей жидкостью Низкий уровень масла в баке Наружная течь масла в трубопроводах и элементах системы Неудовлетворительная температура масла в баке Неисправность теплообменника или недостаточный расход воды через него. Низкий уровень масла в баке. Неисправ- ность нагревательных элементов. Неработоспособность уст- ройств разгрузки Образование пены на поверхности масла Низкий уровень масла в баке. Негерметичность всасывающего трубопровода. Износ манжеты вала насоса Масло молочного цвета Попадание воды в масло через маслоохладитель. Повышен- ная влажность воздуха Насосная установка Наружная течь масла Повреждение уплотнений деталей насоса. Дефект трубопрово- дов. Ослабление крепления крышек, фланцев, пробок и т.п. Наружный шум механи- ческого происхождения Дефект приводной муфты. Ослабление крепления насоса или электродвигателя Внутренний шум меха- нического происхожде- ния Повреждение подшипников. Износ деталей распределительно- го узла и деталей качающего узла насоса. Разрушение от- дельных деталей насоса Повышенная вибрация Повреждение приводной муфты. Несоосность валов насоса и двигателя. Повреждение подшипников Значительные колеба- ния стрелки манометра на выходе насоса. Значительный шум гид- равлического происхож- дения Большое разрежение на всасывании из-за засорения линии всасывания. Низкий уровень масла в баке. Негерметичность линии всасывания. Перегрузка насоса по давлению. Износ де- талей распределительного узла и поломка деталей качающего узла Давление в системе не- достаточно или отсутст• вует Неправильное направление вращения насоса. Низкии уровень масла в баке. Неправильная настройка или отказ клапанов давления. Большие утечки в насосе, трубопроводах или гид- роаппаратах Предохранительный клапан Повышенная температу- ра корпуса Значительные внутренние утечки. Дефект уплотнений деталей клапана или ослабление крепления клапана и его деталей Чрезмерно высокое дав- ление в системе. Шум при работе Нарушение регулировки клапана Неустойчивая работа клапана, колебания стрелки манометра Воздух в масле. Засорение клапана. Неисправность насоса Г идрораспределители Наружная течь масла. Повышенная температу- ра корпуса Повреждение уплотнений деталей распределителя или ослаб- ление крепления. Внутренние утечки вследствие износа корпу- са и золотника Шум механического про- исхождения Ослабление крепления электромагнита. Магнит переменного тока — не доходит до упора якорь магнита Гидроцилиндр Наружная течь масла. Повышенная температу- ра гильзы цилиндра Повреждение уплотнения штока. Дефект трубопроводов. Из- нос гильзы цилиндра и уплотнений поршня Механические удары в конце хода Неисправность или неправильная регулировка узлов демпфи- рования цилиндра Нарушена рабочая ско- рость выходного звена Наличие воздуха в гидросистеме. Неравномерная подача ра- бочей жидкости из-за неисправностей в насосе. Недостаточ- ный подпор в сливной полости. Давление от нагрузки близко к настроечному значению предохранительного клапана 199
10. Основы эксплуатации гидроприводов Окончание табл. 10.1 Компонент гидросистемы Проявление отклонения Возможная причина отклонения Фильтры Индикатор загрязнен- ности в положении, свидетельствующем о засорении фильтро- элемента Конец срока службы фильтроэлемента. Внезапное загрязне- ние гидросистемы Манометры Ненормальное положе- ние стрелки манометра Повреждение измерительной системы манометра Колебания стрелки ма- нометра Воздух в масле. Неисправность насоса или предохранитель- ного клапана. Динамическая неустойчивость привода Трубопроводы Наружная течь масла. Вздутие рукавов Нарушение цельности труб или рукавов. Разрыв оплеток рука- ва. Дефект концевых соединений Вибрация труб Ослабление монтажных хомутов и крепежных скоб. Неисправ- ность насоса или предохранительного клапана При выявлении отклонений от нормального состояния рабочей жидкости или какого-либо компонента гид- росистемы и уточнения причин их возникновения обслуживающим персоналом принимается решение о необ- ходимости их устранения и остановке машины. При работе с гидросистемой в обязательном порядке должны соблюдаться следующие правила- все виды работ, сопряженные с подтягиванием винтов крепления компонентов гидросистемы, соедине- ний трубопроводов, манометров и другихприборов проводится только при остановленных насосах и от- сутствии давления в системе; сварочные работы, связанные с устранением дефектов жестких трубопроводов, должны выполняться при слитой рабочей жидкости, с предохранением внутренних полостей от попадания в них загрязните- лей, образующихся при сварке: брызг металла, шлаков и т.п. Исправление дефектов трубопроводов ме- тодом заварки непосредственно в гидросистеме не допускается; перед установкой в гидросистему отремонтированный или запасной трубопровод должен подвергаться очистке с использованием механических и химических средств; дозаправка бака может производиться только рабочей жидкостью той же марки, обязательно через за- ливной фильтр; при замене в фильтры не должны устанавливаться фильтроэлементы с более грубой степенью очистки, чем заменяемые, при дозаправке пневмогидроаккумуляторов рабочая жидкость из них должна быть слита. При визуальном обнаружении воды в масле работа гидросистемы должна быть немедленно остановле- на. Источник попадания воды в масло должен быть выявлен и устранен. Обводненное масло обязательно должно быть слито и отправлено на обезвоживание. При обнаружении интенсивного пенообразования в масле работа гидросистемы должна быть приостановлена до определения причин повышенной аэрации и их устранения. Периодическое техническое обслуживание гидросистем проводится либо как планово-предупредитель- ные работы через некоторые регламентированные интервалы времени, либо по потребности, на основе пока- заний приборов и средств технического диагностирования компонентов гидросистемы, позволяющих свое- временно обнаружить изделия, состояние которых оказывается близким к критическому, и заменить их до вы- хода из строя. На основе обобщения данных эксплуатации гидрофицированных машин рекомендуется следующая пе- риодичность проверок состояния компонентов гидросистем: физико-химический анализ рабочей жидкости — через 1 000 ... 2 000 ч работы; промывка корпусов фильтров через 750 ... 1 000 ч работы с одновременной заменой фильтроэлементов воздушных фильтров (сапунов); 200
10.3. Поиск и устранение неисправностей оценка состояния насосов с измерением величины утечек из корпуса насоса через 2 000 ... 3 000 ч ра- боты; оценка состояния гидроцилиндров через 3 000 ... 5 000 ч работы; оценка состояния предохранительных клапанов, работающих в режиме перелива, через 750... 1 000 ч ра- боты. Проводя техническое обслуживание гидросистем, необходимо помнить, что лучше заменить компонент системы при видимых отклонениях его состояния от нормального, чем продолжать его эксплуатировать, что может повлечь за собой не только отказ данного компонента, но и привести к значительной потере времени на устранение последствий этого отказа во всей гидросистеме. Например, отказ насоса, связанный с разрушени- ем деталей качающего узла, может привести к выносу осколков в гидролинии, что может стать причиной за- клинивания гидроаппаратов, быстрого износа гидродвигателей, повреждению фильтроэлементов и т.д. Единовременная полная ревизия гидросистемы, как правило, должна производиться в период капиталь- ного ремонта, или среднего ремонта самой машины. В это же время может проводиться плановый ремонт гид- рооборудования с последующим контролем отремонтированных изделий на специальном испытательном стенде. Надежное функционирование гидроприводов подразумевает не только строгое выполнение заданных функций исполнительных механизмов, но и возможность эффективного обнаружения и максимально быстро- го устранения причин отказов, вызванных теми или иными неисправностями. 10.3. Поиск и устранение неисправностей Важной составляющей технического обслуживания является своевременное обнаружение неисправно- стей, приведших к потере работоспособности оборудования и поиск отказавшего элемента. Для сложных гид- роприводов это оказывается достаточно трудоемкой процедурой и может вызвать длительный простой обору- дования. 10.3.1. Виды неисправностей В гидравлических системах, как и в любых других устройствах, встречаются два вида неисправностей, или, как их принято называть в теории надежности, два типа отказов- внезапные и постепенные. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением значений одного или нескольких основ- ных параметров устройства (например, заклинивание подвижных частей, разрушение или деформация дета- лей гидрооборудования). При внезапных отказах гидросистема теряет работоспособность. Постепенные отказы — медленное (постепенное) изменение значений одного или нескольких основных параметров устройства (например, снижение мощности двигателя ниже установленной), являющееся следст- вием естественного износа деталей, нарушения герметичности или неправильной установки гидроаппаратов. Постепенные отказы ведут к постепенной потере работоспособности, когда гидросистема может еще рабо- тать, но все менее эффективно, с меньшей производительностью, с нерациональными затратами энергии, с загрязнением окружающей среды и ухудшением условий труда обслуживающего персонала Поскольку причины возникновения внезапных и постепенных отказов различны, то и способы их предот- вращения отличаются друг от друга. Для уменьшения количества внезапных отказов может быть рекомендована предварительная обкатка системы и приработка гидроаппаратов с целью выявления скрытых дефектов производства. Уменьшению числа постепенных отказов может способствовать своевременная замена изношенных эле- ментов, выработавших свой ресурс. Критерии отказов устанавливаются в нормативно-технической документации на конкретное оборудование. Отказ отдельного элемента гидропривода, не обусловленный повреждениями других элементов, называ- ется независимым отказом (например, поломка пружины гидрораспределителя), а возникший в результате повреждения или выхода из строя других элементов — зависимым (например, заклинивание золотника рас- пределителя вследствие выхода из строя напорного фильтра). 201
10. Основы эксплуатации гидроприводов 10.3.2. Характерные неисправности Причины неисправностей в гидравлических приводах и виды их проявления столь разнообразны, что све- сти их в единый перечень не представляется возможным. Хотя эксплуатация гидравлических приводов и сис- тем обычно сопровождается статистическим сбором и учетом информации о возникающих неполадках и ха- рактерных отказах, в технических описаниях и инструкциях по эксплуатации конкретных гидроаппаратов, как правило, приводятся признаки и описание лишь наиболее типичных неисправностей. Основываясь на данных такого статистического учета отказов гидроаппаратов, приведем примерный пе- речень наиболее характерных неисправностей и рекомендуемых способах их устранения (табл. 10.2). Таблица 10.2 № п/п Неисправ- ность Возможные причины Способ устранения 1 Насос не по- дает жидкость в систему Неправильное направление вращения ва- ла насоса В баке мало рабочей жидкости Засорился всасывающий трубопровод Подсос воздуха во всасывающей трубе Поломка насоса Большая вязкость жидкости Засорился демпфер переливного клапана Изменить вращение вала Долить жидкость до отметки маслоуказателя Прочистить трубопровод Подтянуть соединение Устранить повреждения или заменить насос Заменить жидкость Промыть клапан и прочистить демпферное отверстие 2 Насос не соз- дает давления в системе Насос не подает жидкость в систему Большой износ насоса (внутренние утечки велики) Большие внешние утечки по валу насоса Большие внутренние утечки в гидросистеме Завис золотник предохранительного клапа- на или не сел на седло переливной клапан Уменьшение вязкости масла вследствие его нагрева (обычно выше 50 °C) См. п. 1 Проверить производительность насоса на хо- лостом ходу и под нагрузкой При объемном КПД ниже паспортного заме- нить насос Заменить уплотнения. Проверить, нет ли ра- ковин, трещин и т.д. При их обнаружении за- менить насос. Заменить уплотнения. Прове- рить узлы гидросистемы на герметичность и отремонтировать Разобрать и промыть клапан, проверить состоя- ние демпфера, пружины, шарика и его седла Улучшить условия охлаждения масла 3 Шум и вибра- ция в системе Большое сопротивление во всасывающем трубопроводе Мала пропускная способность фильтра или он засорился Подсос воздуха во всасывающей трубе Засорился сапун в баке Вибрация клапана Резкое изменение проходного сечения тру- бопроводов Нежесткое крепление трубопроводов Увеличить проходное сечение труб Заменить фильтр или промыть его Подтянуть соединения Прочистить сапун Разобрать и проверить демпфирующие ка- налы Увеличить и выправить проходные сечения трубопроводов Закрепить трубопроводы 4 Неравномер- ное движение рабочих орга- нов Наличие воздуха в гидросистеме Давление настройки предохранительного клапана близко к давлению, необходимому для движения рабочих органов Выпустить воздух из системы Настроить предохранительный клапан на дав- ление на 0,5 .1,0 МПа больше, чем давление, необходимое для движения рабочих органов 202
10.3. Поиск и устранение неисправностей Продолжение табл 10.2 № п/п Неисправ- ность Возможные причины Способ устранения 4 Малб противодавление на сливе из цилин- дра Механическое заедание подвижных частей гидроцилиндра Неравномерная подача масла насосом. Шум и стук в насосе вследствие поломки одной из лопаток или плунжера Повысить сопротивление на сливе (регули- ровкой дросселя или подпорного клапана) Отремонтировать гидроцилиндр Заменить насос 5 Резкое умень- шение скоро- сти движения при росте на- грузки Большие внутренние или внешние утечки в элементах гидросистемы Регулятор расхода заедает в открытом по- ложении Предохранительные и переливные клапа- ны отрегулированы на низкое давление См п 2 Разобрать регулятор расхода, проверить ис- правность пружины и плавность перемещения золотника. Устранить дефекты, промыть и со- брать регулятор Настроить предохранительные и переливные клапаны 6 Постепенное уменьшение скорости дви- жения рабоче- го органа Загрязнение рабочей жидкости Засорение фильтров, дросселей и других аппаратов системы Облитерация (заращивание) щелей дрос- селя Износились уплотняющие поверхности гидроагрегатов или снизилась вязкость ра- бочей жидкости Заменить жидкость и промыть гидросистему Промыть аппаратуру Увеличить открытие дросселя или установить дроссель с меньшим минимальным расходом Заменить износившиеся гидроагрегаты или заменить рабочую жидкость 7 Повышенное давление в нагнетатель- ной линии при холостом ходе Повысились потери давления в системе из-за неправильного выбора аппаратуры, уменьшенного проходного сечения трубо- проводов, а также в результате некачест- венного монтажа В переливном клапане засорился канал управления Повышенные механические сопротивления движению рабочих органов Заменить аппаратуру, установить трубопрово- ды с большим проходным сечением, исклю- чить излишние изгибы, соединения и т.п Прочистить канал управления Устранить недостатки конструкции, отремон- тировать штоки цилиндров и т.п. 8 Повышенный нагрев масла в системе Повышенные потери давления в трубопро- водах и гидроаппаратуре Плохой отвод теплоты от бака и трубопро- водов Насос не разгружается во время пауз Чрезмерно большие запасы по давлению и подаче насоса См. п. 7, а также улучшить теплоотвод от ба- ка и труб Проверить работу разгрузочного устройства, устранить дефекты Установить насос с требуемыми параметрами 9 Обратный кла- пан пропуска- ет жидкость при измене- нии направле- ния потока Клапан не прилегает седлу Дефект рабочих кромок клапана или седла Сломалась пружина клапана Разобрать клапан, проверить состояние сед- ла, конуса клапана и пружины. Устранить де- фекты, промыть и собрать клапан 10 Предохрани- тельный кла- пан не удер- живает давле- ния Засорился демпфер или седло клапана. Потеря герметичности в системе дистанци- онной разгрузки Износился шарик или седло Сломалась пружина Прочистить демпфер, промыть потоком жид- кости Заменить шарик или седло Заменить пружину 203
10. Основы эксплуатации гидроприводов Продолжение табл. 10.2 № п/п Неисправ- ность Возможные причины Способ устранения 11 Давление за редукционным клапаном от- сутствует Засорился демпфер или седло клапана Износился шарик или седло Сломалась пружина См п. 10 См п. 10 См. п. 10 12 Через дренаж- ные отверстия идут большие утечки Износились уплотнения Износились рабочие поверхности подвиж- ных распределительных устройств Заменить уплотнения Произвести ремонт или замену 13 Золотники с электро гидрав- лическим управлением не переключа- ются при вклю- чении электро- магнита Заедание золотника в корпусе (задир зо- лотника) Заклинивание золотника при грязном мас- ле или осевшей возвратной пружине Густое масло затрудняет перемещение зо- лотника Якоря электромагнитов не перемещаются на полную величину хода Расклепался конец толкателя Засорилось дренажное отверстие в золот- нике Снять элетромагниты, проверить вручную пе- ремещение золотника, проверить затяжку крепления корпуса золотника, промыть аппа- рат, сменить масло Проверить напряжение в зажимах электро- магнита, устранить заедание якоря при пере- мещениях Заменить толкатель Разобрать, промыть 14 Электромагни- ты гудят и пе- регреваются Слишком сильны возвратные пружины Напряжение питающего тока не соответст- вует номиналу Расклепался якорь электромагнита См п 13 Заменить на более слабые Отрегулировать напряжение электротока Переклепать якорь 15 Обрыв и тре- щины масло- проводов с нарушением герметизации Недопустимые деформации гибких рукавов Старение и износ гибких рукавов Резонансные колебания трубопроводов Значительные пики давления в гидросис- теме Довести конструкцию маслопровода Заменить рукав Закрепить трубы скобами Поставить перепускные клапаны и демпферы Снизить скорость рабочего органа 16 Редукционный клапан не по- нижает давле- ния или пони- жает недоста- точно Регулирующая пружина сжата почти до полного прилегания витков Золотник клапана заедает Засорилась линия отвода масла после ша- рика в бак Осела регулирующая пружина Засорилось демпферное отверстие золот- ника Между шариком и седлом попала грязь или поврежден шарик Разобрать клапан промыть и заменить де- фектные детали 17 Скорость по- дачи силового узла мала и падает при на- грузке (регули- рование с по- мощью регуля- тора расхода) Засорилась щель дросселя Ослабла пружина встроенного редукцион- ного клапана или застрял золотник Повышение утечки в насосе и гидроагре- гатах Большая вязкость масла Разобрать и промыть с заменой дефектных деталей Заменить износившиеся гидроагрегаты Заменить масло 18 Поток масла не реверсиру- ется распре- делителем зо- лотникового исполнения Заедание золотника в корпусе вследствие грязного масла, пережима крепежных бол- тов, неплоскостности монтажной поверхно- сти, полома возвратных пружин, отсутст- вия давления управления Сгорела катушка или расклепался якорь Разобрать и промыть распределитель Ослабить крепежные болты Поверить давление управления Заменить дефектные детали 204
10.3. Поиск и устранение неисправностей Окончание табл. 10.2 № п/п Неисправ- ность Возможные причины Способ устранения . .. "WL,- /. ?<.. - ъ-- 19 Масло и пена выбрасывают- ся через за- ливную горло- вину маслоба- ка или крышку встроенного сливного фильтра Избыток масла в баке Подсос воздуха в гидросистему Засорился фильтр или повреждены уплот- нения крышки фильтра Слить часть масла Подтянуть соединения всасывающей линии Промыть фильтр и заменить уплотнения Поскольку стоимость узлов гидропривода сравнительно невелика, производить их трудоемкий ремонт обычно нецелесообразно, проще заменить узел новым. Замена быстроизнашиваемых элементов (шариков, пружин, уплотнений, электромагнитов и др.) широко применяется при эксплуатации. В любом случае основной задачей при появлении признаков нарушения работоспособности привода является локализация неисправно- сти, т.е. обнаружение конкретного неисправного элемента системы. Эта задача может быть решена только применением эффективного метода поиска, так как описание всех возможных причин даже для относительно простой гидросистемы очень сложно. Метод простого перебора или метод проб и ошибок, практически, неприемлем хотя бы из-за длительности по времени и значительной дороговизны Наиболее правильным для выявления неисправного элемента гидросистемы является использование ло- гического метода поиска, что требует хороших знаний принципов действия, конструкции и особенностей функ- ционирования всех гидроаппаратов по отдельности и системы в целом. Вполне понятно, что если все элементы системы оснащены устройствами, которые дают информацию об их техническом состоянии (датчики усилий, скорости, перемещений, давления, уровня, температуры и др.), то проблемы поиска неисправностей не возникает. Каждый отказ обнаруживается автоматически. Однако подоб- ная ситуация может быть реализована только для очень ответственных и дорогих гидросистем автоматизиро- ванных машин. Поэтому логический метод диагностики может быть применен для большинства существую- щих гидросистем различной степени сложности. Логический метод диагностики. Весь процесс поиска неисправностей разбивается на последователь- ные шаги: вначале устанавливается вид функциональной неисправности всей гидросистемы (или всего гидро- привода), затем конкретизируется группа гидроаппаратов, неисправности которых могут быть причиной функ- циональных отказов. При этом используется опыт, накопленный при эксплуатации данной системы, либо сис- тем, косвенно похожих на диагностируемую. После этого выявляется неисправный аппарат, определяется вид неисправности и принимается решение о способе ее устранения. Таким образом, процедуру поиска «ви- новника» отказа в гидравлической системе любого технологического оборудования можно представить в виде определенной последовательности действий. Общий смысл этих действий представляет собой совокупность следующих шагов. Шаг 1. Уточнение возникшей неисправности в машине (конкретизируется вид функциональной неполад- ки). При этом используется перечень проявлений неисправностей: прекращение движения рабочего органа машины; неконтролируемое движение рабочего органа; недостаточная скорость перемещения; недостаточное усилие, развиваемое рабочим органом; неправильное направление движения. После установления и четкого формулирования вида неисправости определяется какой из основных пара- метров гидросистемы является причиной этой неисправности: давление; расход или направление потока ра- бочей жидкости. 205
10. Основы эксплуатации гидроприводов Шаг 2. Составление предварительного перечня гидроаппаратов и элементов системы, подозревае- мых в создании неисправности. Составляется перечень гидроаппаратов, которые непосредственно участву- ют в передаче мощности к исполнительному механизму нарушение работоспособности которого было выяв- лено на первом шаге, а также в управлении этой мощностью. Шаг 3. Анализ статистической информации причин неисправности. Изучается статистическая инфор- мация по неполадкам и техническому обслуживанию конкретной гидросистемы или ее аналогов. Обычно та- кая информация содержится в техническом описании машины и, главным образом, в журнале учета неисправ- ностей гидрооборудования. Шаг 4. Интуитивный поиск неисправности. Интуитивная оценка ситуации проводится с целью сокраще- ния числа подозреваемых элементов. Для этого — на слух, на ощупь, визуально — ищутся дополнительные признаки неисправности какого-либо гидроаппарата или потери рабочей жидкостью своих эксплуатационных качеств, например повышенные шум, вибрация, нагрев корпуса, пенообразование, ненормальный уровень жидкости в баке и т.д. Шаг 5. Поиск неисправности с помощью технических средств. Производится в тех случаях, когда причи- на неисправности не была выявлена на шагах 3 и 4. Используются специальные контрольно-измерительные средства для определения давления и расхода жидкости, величины хода штока гидроцилиндра, положения золотника распределителя и других параметров гидросистемы и ее элементов. При этом бывает весьма желательно осуществлять такой контроль без демонтажа компонентов гидросис- темы. Для этого сама система должна быть оборудована устройствами для легкого присоединения контроль- ных средств и приборов. Шаг 6. Выявление неисправного аппарата, определение неисправности и принятие решения о способе ее устранения. На основании выявленных признаков неисправности формулируется окончательный вывод о «виновности» конкретного гидроаппарата и принимается решение о возможности устранения неисправности на месте, либо о замене его новым. Например, не выдвигается шток гидроцилиндра из-за несрабатывания клапана последовательности. Ес- ли, запорный элемент клапана заклинен в закрытом положении вследствие поломки пружины, то необходима замена неисправного клапана новым. В случае, если неисправность клапана обусловлена его загрязнением, то его прочистку можно провести на месте. При неисправностях насоса, износе гидроцилиндра или гидрораспределителя, как правило, их заменяют на новые, а неисправные отправляют в ремонт. Шаг 7. Анализ причин появления отказа и возможных последствий неисправности. Проводится ана- лиз общих причин, которые могли предшествовать появлению отказа, чтобы предотвратить появление по- добных отказов в дальнейшем. Например, если отказ был связан с засоренностью аппарата, а уровень за- грязненности рабочей жидкости близок к критическому, то следует ожидать возникновение последующих отказов. После выхода из строя насоса вся система до установки нового насоса должна быть тщательно промыта для удаления возможных обломков и мелких частиц. Обязательным при этом является внесение информации о неисправности в журнал учета. Для сложных гидросистем целесообразно разрабатывать специальные алгоритмы поиска неисправно- стей и рекомендации по устранению причин их возникновения, а также оптимальные графики проведения пла- ново-предупредительных проверок и ремонтов. Своевременное устранение постепенных отказов и причин их возникновения позволяет предотвратить по- явление внезапных отказов с прекращением функционирования всего гидропривода. Устранение причин по- явления постепенных отказов — основная задача технического обслуживания гидросистем. 10.3.3. Техническая диагностика гидросистем В решении проблемы обеспечения надежной работы гидроприводов постоянно возрастает роль техни- ческой диагностики, контролирующей техническое состояние гидропривода в процессе эксплуатации, что позволяет использовать привод оптимальным образом, осуществлять ремонт в кратчайшие и действитель- но необходимые сроки. В качестве переносных средств технической диагностики все более широко приме- няются гидротестеры, с помощью которых можно контролировать давление, температуру и расход. В состав 206
10.4. Общие требования по технике безопасности таких тестеров входят: один-два датчика давления, или малогабаритный манометр, средства сопряжения, датчик температуры, вторичный прибор для цифровой индикации контролируемых параметров, расходо- мер. К встраиваемым средствам диагностики относятся различные датчики и индикаторы, позволяющие оперативно следить за техническим состояние привода. Особенно перспективно использование встроен- ных в различные участки гидросистемы тепловых датчиков, с помощью которых реализуется термодинами- ческий метод диагностирования — по температуре масла в различных точках гидросистемы можно судить о величине и направлении потоков, наличии гидравлических потерь, эффективности системы терморегулиро- вания. Перспективно применение средств вибрационной диагностики, позволяющих по вибрациям корпусов на- сосов производить оперативный анализ нормированных диагностических признаков, свидетельствующих о наличии погрешностей деталей или их взаимного расположения после сборки, и отбраковывать насосы по комплексному показателю качества. 10.4. Общие требования по технике безопасности Объемный гидропривод является сложной технической системой, к конструкции которой предъявляются требования безопасности, регламентируемые ГОСТ 12.2.040-79. Требования безопасности к монтажу, испы- таниям и эксплуатации объемных гидроприводов оговариваются в ГОСТ 12.2.086-83 ССБТ. Гидропривод должен быть защищен от перегрузок. Для защиты гидроприводов от перегрузок и контроля давления в напорных линиях должны быть установлены предохранительные клапаны и манометры. На шка- лах манометров наносят специальные (чаще — красного цвета) метки, которые соответствуют максимально допустимому давлению. В линиях, ведущих к манометрам, запрещается отбор рабочей жидкости. Конструкция гидроприводов должна исключать опасность для обслуживающего персонала: а) в гидросистемах с высоким давлением (более 10 МПа) для избежания поражения струей жидкости необ- ходимо ограждать кожухом все участки гидролиний, незаключенные в общий корпус машины; б) в гидросистемах должны быть предусмотрены блокировки (в виде — датчиков положения, датчиков давления и др.), исключающие возможность ошибочного включения несовместимых движений рабочих орга- нов; например в гидроприводах металлорежущих станков цикл обработки детали начинается только после окончания цикла зажима детали; в) в гидросистеме должна быть предусмотрена возможность блокировки, останавливающей машину при снижении давления ниже разрешенного (величина разрешенного давления указывается в технических усло- виях); при этом не должны отключаться устройства, перерыв в работе которых может привести к травмирова- нию персонала (тормозные устройства, зажимные и подъемные механизмы и др.); г) в гидросистемах с двумя и более насосами должны быть предусмотрены блокировки, исключающие опасность при внезапной остановке одного из насосов или при изменении последовательности их работы; так, например, при остановке одного насоса и, связанного с этим, падении давления в его напорной линии возмож- на переблокировка на другой источник давления: от гидроаккумулятора, от другого насоса. Гидрофицированные устройства для закрепления заготовок и инструмента должны надежно удерживать заготовку или инструмент даже в случае неожиданного падения давления масла в системе. Гидроаппараты, регулирование которых некомпетентным персоналом может привести к аварийный ситуа- циям или травмированию, должны быть снабжены специальными замками или пломбами. На устройствах, допускающих только односторо