Бестраншейные методы устранения утечек в трубопроводах (ч. 1)
Оболочка для воздуха
Современная шина – взгляд изнутри
 1
Жертва политических баталий и технического прогресса
Грузовые автомобили марки Krupp
 6
Гидроборта (ч. 2)
Обзор представленных на российском рынке гидролифтов
 3
Новая технология экономии дизельного топлива
Дизель-газовая система от британской компании GSPK Multifuel Technology
Автокраны и краны на специальных шасси
 1
Гидроборта (ч. 1)
Обзор представленных на российском рынке гидролифтов
Не улучшишь – не поедешь
Как улучшить дизтопливо, или Советы перфекционисту
Эксплуатируем импортный кран
Вопросы эксплуатации кранов на спецшасси
Современные фильтры для тяжелой техники (ч. 4)
Фильтры гидравлической жидкости
Гибридный троллейбус
Реальный конкурент городского автобуса
 1
Бестраншейные методы устранения утечек в трубопроводах (ч. 2)

Гидропривод и средства гидроавтоматики

В. Васильченко, канд. техн. наук

Объемный гидропривод сегодня широко применяется в машиностроении и стал неотъемлемой составной частью современных мобильных машин и промышленного оборудования. В технически развитых странах машину без гидропривода встретить почти невозможно. В России ситуация иная – здесь редкость отечественное оборудование с современным гидроприводом.

Рис. 1

За что же так ценят в современном мире гидропривод? Прежде всего это наиболее простое преобразование крутящего момента первичного источника механической энергии (двигателя внутреннего сгорания – ДВС или электродвигателя) и передача гидравлической мощности гидродвигателям. Гидродвигатели преобразуют энергию потока рабочей жидкости (РЖ) в энергию выходного звена и передают ее исполнительным механизмам. Исполнительными механизмами в передаче энергии являются гидроцилиндры и гидромоторы. Первые служат для создания силы при возвратно-поступательном движении штоков, вторые – для создания крутящего момента на валу при вращательном движении.

Гидропривод дает возможность бесступенчато регулировать скорость движения и частоту вращения приводного ДВС, максимально использовать его мощность, повышать коэффициент использования, улучшать эксплуатационные качества машины. Небольшая инерционность обеспечивает хорошие динамические свойства привода, позволяет сократить время рабочего цикла и повысить производительность машины. В гидроприводе с высокомоментными гидромоторами передаточное число достигает 1000 и более, т. е. имеется возможность реализации больших передаточных чисел.

Легкость и удобство управления рабочими органами, которые характеризуются небольшими усилиями на рукоятках управления, создают комфортные условия труда машиниста. Применение направляющих распределителей с пропорциональным электрогидравлическим управлением исполнительными механизмами и регулирующих гидроаппаратов, управляющих давлением и расходом с пропорциональными электромагнитами, позволяет автоматизировать технологические процессы, выполняемые машинами. При установке микропроцессоров и подключении их к компонентам с пропорциональными электромагнитами можно автоматизировать рабочий цикл или весь технологический процесс, выполняемый машиной. Перед переходом на автоматическое управление оператор нажимает кнопку «памяти» и выполняет необходимую технологическую операцию вручную. Затем он включает кнопку «автоматический режим», и процессор по заданному алгоритму будет повторять этот режим работы. Машина в таких случаях работает с максимальной производительностью, а роль оператора ограничивается наблюдением.

Независимое расположение сборочных единиц гидропривода позволяет оптимально разместить их в машине. Надежно предохраняют от перегрузок приводного двигателя, гидросистемы, металлоконструкций и рабочих органов клапаны предохранительные, переливные, разгрузочные, разности давлений, тормозные и др., а также блоки клапанов. Пожалуй, это наиболее важное свойство объемного гидропривода. Компоненты гидропривода компактны, у них небольшая масса благодаря отсутствию в машине с гидроприводом таких традиционно применяемых деталей и механических узлов, как шестеренные и цепные редукторы, муфты, тормоза, барабаны лебедок, полиспастные блоки, канаты и другие быстро изнашивающиеся детали, требующие регулярного техобслуживания. У объемного гидропривода есть и недостатки, например его работоспособность и безотказность зависят от температуры окружающей среды, точнее – от вязкости и других свойств рабочей жидкости.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы вращательного, поступательного и поворотного движения, приводимые гидромотором, гидроцилиндром или поворотным гидродвигателем. По возможности регулирования различают гидроприводы регулируемые и нерегулируемые, по способу регулирования – с ручным и автоматическим управлением. В регулируемом гидроприводе скорость выходного вала может меняться.

Принцип действия гидропривода основан на законе Паскаля, согласно которому внешнее давление Р, возникающее в результате воздействия на свободную поверхность жидкости, находящейся в замкнутом объеме, передается равномерно во все стороны. Значение давления зависит от величины силы F, направленной перпендикулярно поверхности поршня S, на которую действует сила:

P = F/S. (1)

Если к сосуду с замкнутым объемом жидкости присоединить второй сосуд посредством трубы, то в соответствии с этим законом давление Р будет передаваться во второй сосуд и создавать усилие F на его стенки. Таким образом, в гидроприводе происходит передача усилия по трубопроводу на расстояние. В качестве примера на рис. 1 изображены два сосуда, закрытых поршнями 1 и 2 и соединенных трубопроводом 3. Сила F1, действующая на поршень 1 площадью S1, создает в системе давление

Р = F1/S1. (2)

Чтобы уравновесить это давление, во втором сосуде к поршню 2 надо приложить усилие F2 = PS2. Приравняв значения давления в уравнениях (1) и (2), получаем:

F1/F2 = S1/S2. (3)

Из уравнения (3) следует, что усилия на поршнях прямо пропорциональны их площадям, а перемещения l1 и l2 обоих поршней обратно пропорциональны их площадям, т. е. соблюдается «закон рычага» – выигрывая в силе, в таком же отношении проигрываем в расстоянии, но можно получить значительный выигрыш в силе. Это поясняет одно из важнейших преимуществ гидропривода – способность передавать большую мощность при небольших размерах привода. Однако, перемещая поршень 1 на расстояние l1, вытесняем из него объем жидкости

V=S1l1. (4)

Этот же объем жидкости (если считать, что рабочая жидкость практически несжимаема) поступает во второй сосуд и перемещает поршень 2 на расстояние

l2 = V/S2. (5)

Из уравнений (4) и (5) получаем:

l1/l2 = S2/S1.

Подставив это отношение в уравнение (3), получаем:

F1l1 = F2l2. (6)

Уравнение (6) аналогично уравнению рычага 1-го рода. Это наглядно показано на схеме рис. 1, б. C помощью гидравлического рычага можно получить передаточные отношения больше в 10...50 и более раз, чем при помощи механического рычага.

Примером простейшей гидравлической системы является гидродомкрат. Для того чтобы поднять груз F2, в системе нужно создать давление Р = F2/S2 при усилии F1 на поршне 2 в соответствии с уравнением (3). Поскольку поршни круглого сечения, то

F1 = F2(d2l/d2·2),

где d1 и d2 – диаметры соответствующих поршней.

Рис. 2

В современном гидроприводе источником энергии, создающим движение РЖ, являются насосы, приводимые от ДВС (преимущественно в мобильных машинах) или от электродвигателя (в стационарных промышленных установках). В зависимости от циркуляции РЖ гидравлические схемы подразделяются на разомкнутые и замкнутые. На рис. 2 приведены примеры наиболее часто применяемых принципиальных гидравлических схем с разомкнутым (рис. 2, а) и замкнутым (рис. 2, б) потоками. В разомкнутой (открытой) схеме гидропривода в рабочей позиции трехпозиционного распределителя 4 насос 2 всасывает РЖ из бака 1 гидросистемы и под давлением нагнетает ее в регулируемый гидромотор 5. Совершив полезную работу, РЖ возвращается в бак.

При перемещении золотника распределителя в обратную рабочую позицию меняется направление потока РЖ и соответственно направление движения штока цилиндра или направление вращения выходного вала гидромотора. В средней (нейтральной позиции) распределитель 4 с ручным управлением соединяет насос с баком гидросистемы, обеспечивая разгрузку насоса от давления. В нерегулируемых гидромашинах скорость перемещения штока гидроцилиндра или частота вращения вала гидромотора регулируется дросселированием потока РЖ в распределителе или с помощью регуляторов потока.

В замкнутой (закрытой) схеме гидропривода РЖ нагнетается насосом в гидродвигатель, а оттуда возвращается непосредственно во всасывающую полость насоса, минуя бак. В гидроприводе с регулируемыми насосом и гидромотором направление и скорость вращения исполнительного механизма регулируются изменением рабочих объемов насоса или гидромотора или одновременно того и другого. В связи с объемными потерями в насосе и в гидромоторе во всасывающую гидролинию насоса РЖ поступает меньше на величину утечек, отводимых в бак по дренажной гидролинии. Для компенсации утечек РЖ в гидропередаче с замкнутым потоком устанавливают насос подпитки 7, который под давлением 0,7...1,5 МПа нагнетает РЖ в гидролинию низкого давления. Давление в гидролинии подпитки определяется настройкой переливного клапана 10.

Под действием разности давлений в рабочих гидролиниях насоса 2 распределительный золотник 9 с гидравлическим управлением перемещается в положение, при котором гидролиния низкого давления соединяется с переливным клапаном. Таким образом, осуществляется постоянный обмен РЖ в замкнутом контуре и ее охлаждение. Предохранительные клапаны 3 позволяют перепускать рабочую жидкость из гидролинии высокого давления в гидролинию низкого давления и снижать динамические нагрузки при разгоне и торможении рабочего органа или ходового механизма машины. РЖ от насоса подпитки 7 поступает через фильтр 6 и один из обратных клапанов 8 в гидролинию низкого давления насоса 2, а ее избыток поступает на слив через распределительный золотник 9 и переливной клапан 10 в бак.

Преимущества гидропривода с замкнутым потоком

• Значительно меньше объем РЖ, так как потребность в ней определяется рабочими объемами гидромоторов, а размеры бака выбирают исходя из подачи насоса системы подпитки, компенсирующей объемные потери насоса и гидромотора.

• Избыточное давление на входе в насос обеспечивает его работу при максимальной частоте вращения, что позволяет применить насос меньшего рабочего объема (т. е. меньших типоразмера, массы и стоимости) и использовать объемный гидропривод в условиях холодного климата на масле МГ-15В. Кроме того, избыточное давление на входе в основной насос позволяет запускать в работу машину при температуре масла МГ-15В ниже –40 °С без разогрева РЖ.

• Отсутствует контакт РЖ с окружающей средой, что исключает загрязнение гидросистемы, увеличивает ресурс гидропривода и периодичность замены РЖ.

• Регулируемые реверсивные аксиально-поршневые насосы гидроприводов с замкнутым потоком позволяют менять направление вращения вала гидромотора без золотниковых распределителей, обычно используемых для этой цели в гидроприводах с разомкнутым потоком, и за счет этого повысить КПД гидропривода.

Гидроприводы с замкнутым потоком все больше применяют для исполнительных механизмов вращательного движения, например смесительного барабана автобетоносмесителя, привода лебедок автокранов, в буровых и колтюбинговых установках для кислотной промывки нефтяных скважин, в агрегатах для ремонта и освоения скважин, в трубоукладчиках, для привода подъемников, в самоходных катках и др. Особенно эффективно применение гидроприводов с замкнутым потоком в пневмоколесных машинах, в том числе с шарнирно-сочлененной рамой, для привода ходовых механизмов с двумя или четырьмя активными колесами в условиях бездорожья.

Современные гидроприводы пневмоколесных машин оснащают электронной системой синхронизации (рис. 3), включающей функцию «гидравлического дифференциала». Максимальный крутящий момент, передаваемый от насоса на ведущие колеса, определяется степенью сцепления колес с грунтом. В случае слабого сцепления происходит потеря управляемости, а значит, преждевременно изнашиваются шины, расходуется лишнее топливо, повреждается верхний слой почвы. Электронная система синхронизации гидропривода отслеживает сцепление колеса с грунтом и перераспределяет крутящий момент между ведущими колесами. Синхронизацию гидропривода осуществляют бортовой компьютер 1, сдвоенный регулирующий клапан 2, датчик 3 положения руля (установлен в корпусе колонки рулевого управления) и датчики 4 частоты вращения приводных колес. Частота вращения каждого приводного колеса непрерывно измеряется цифровыми датчиками, установленными в задних крышках гидромоторов.

Бортовой компьютер сравнивает полученные значения и ограничивает при необходимости через регулирующий клапан подачу РЖ в «проскользнувшее» колесо, которое начинает вращаться с большей скоростью. При стандартной электронной системе синхронизации на два приводных колеса в подводящем трубопроводе устанавливают один сдвоенный регулирующий клапан, который уменьшает расход РЖ и одновременно повышает давление насоса и в гидромоторе. Это обеспечивает устойчивое передвижение машины и предотвращает пробуксовку колеса. Как только частота вращения всех колес станет одинаковой, двойной регулирующий клапан снова полностью откроется, но он вновь закроется, если возникнет разность в частоте вращения колес. Этот процесс происходит непрерывно, чтобы обеспечить параметры, предусмотренные конструкцией машины.

Применение гидропривода с замкнутым потоком в мобильной машине исключает необходимость в традиционных узлах и агрегатах – муфтах сцепления, коробках передач, карданных валах, тормозах (кроме стояночных), так как гидропривод выполняет функции тормозов и «гидравлического дифференциала».

Чтобы обеспечить надежную эксплуатацию оборудования с гидроприводом в климатических условиях России, для объемных гидроприводов созданы специальные гидравлические масла, основными производителями которых являются Ново-Уфимский и Волгоградский нефтеперерабатывающие заводы, а также ПО «Омскнефтеоргсинтез». Согласно ГОСТу в гидроприводах используют два типа масел: МГ-15В и МГЕ-46В. МГ-15В (аналог ВМГЗ) для северных регионов страны рекомендуется как всесезонное, а для средней полосы России – как зимнее. Оно вырабатывается на загущенной основе с композицией присадок, обеспечивающих необходимые вязкостные, низкотемпературные и антипенные свойства. Это масло позволяет работать с гидроприводами без предварительного разогрева и круглогодично эксплуатировать гидроприводные машины без сезонной смены масла в интервале температур –53...+53 °С. Гидравлическое масло МГЕ-46В (аналог МГ-30) предназначено в качестве летнего для эксплуатации гидроприводов мобильных машин и промышленного оборудования на открытом воздухе в районах с умеренным климатом и как всесезонное для районов с теплым климатом. Его используют в интервале температур –20...+75 °С, а вырабатывают из нефти селективной очисткой с добавлением антиокислительной, антипенной присадок и депрессатора, понижающего температуру застывания. МГЕ-46В отличается хорошей смазывающей способностью, стойкостью против окисления и отложения смолистых осадков, а также против вспенивания.

Недостатки гидропривода с замкнутым потоком

• Ограниченность применения (в основном в механизмах вращательного движения и в редких случаях в механизмах возвратно-поступательного движения с гидроцилиндрами с двусторонним штоком). У гидроприводов с разомкнутым потоком таких ограничений нет.

• Необходимость применения воздушно-масляных теплообменников (при подтверждении тепловым расчетом) в связи с ограниченным теплоотводом между гидропередачей и окружающей средой.

Периодичность замены основных сортов гидравлических масел – 3500...4000 ч, но не реже 1 раза в 2 года. При отсутствии основных сортов гидравлических масел допускается их сезонная замена: зимой МГ-22А, летом И-30А.

Надежная и длительная эксплуатация насосов, гидромоторов и других компонентов гидропривода возможна только при условии обеспечения эффективной фильтрации рабочей жидкости от механических примесей и влаги. Очистка РЖ должна соответствовать 19/15 классу по нормам ISO 4406 или эквивалентна 13...15-му классу чистоты по ГОСТ 17216–2001. При этом абсолютная тонкость фильтрации 25 мкм. Для гидроприводов с повышенными требованиями к надежности и долговечности необходима фильтрация РЖ до 16/13 класса по нормам ISO 4406 или эквивалентная 11-му классу чистоты по ГОСТ 17216–2001. Абсолютная тонкость фильтрации 10 мкм.

Сегодня на российский рынок из-за рубежа поставляется широкая номенклатура современных компонентов гидропривода. Отдельные детали или агрегаты можно использовать не только для восстановления изношенных узлов и агрегатов, но и самостоятельно собирать гидравлические устройства достаточно хорошего качества. Небольшой сборочный цех из нескольких человек позволяет решить немало внутрихозяйственных проблем.

Рис 3.


В. Васильченко, канд. техн. наук Основные Средства 06'2005 8 сентября 2005

Комментарии (0)