Назначение давления и потока.
При изучении основ гидравлики были использованы следующие термины: сила, передача энергии, работа и мощность. Эти термины используются при описании взаимоотношения давления и потока. Давление и поток - два основных параметра каждой гидравлической системы. Давление и поток взаимосвязаны, но выполняют разную работу. Давление сжимает или прикладывает усилие. Поток двигает предметы Водяной пистолет является хорошим примером давления и потока в применении. Нажатие на спусковой крючок создаёт давление внутри водяного пистолета. Вода под давлением вылетает из водяного пистолета и таким образом сбивает деревянного солдатика.
Что такое давление?
Давайте подумаем, как и почему создаётся давление. Текучая среда (газ и жидкость) стремится к расширению или происходит сопротивление при их сжатии. Это и есть давление. Когда вы накачиваете шину, вы создаёте в шине давление. Вы закачиваете в шину воздух больше и больше. Когда шина полностью наполнена воздухом, происходит нажатие на стенки шины. Такое нажатие является видом давления. Воздух является видом газа и может быть сжат. Сжатый воздух давит на стенки шины с одинаковой силой в каждой точке. Жидкость находится под давлением. Основное отличие состоит в том, что газы могут сжиматься в болы.
Одинаковая сила в каждой точке
Давление в сжатой жидкости
Если вы нажмёте на сжатую жидкость, возникнет давление. Так же как и в случае с шиной, давление одинаково в каждой точке бочки, содержащей жидкость. Если давление слишком велико, бочка может сломаться. Бочка сломается в слабом месте, а не там, где больше давление, потому что давление одинаково в каждой точке.
Жидкость почти не сжимается
Сжатая жидкость удобна при передаче силы по трубам, на изгибе, вверх, вниз, потому что жидкости почти несжимаемы и передача энергии происходит немедленно.
Многие гидравлические системы используют масло. Это потому, что масло почти не сжимается. В тоже время, масло может использовать в качестве смазки.
Закон Паскаля: Давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа, передаётся по всем направлениям без изменения.
Секция 2
Отношение давление и силы
По закону Паскаля, отношение между давлением и силой выражается формулами:
F = P / S, где P - давление, F - сила, S - площадь
Гидравлический рычаг
На модели поршня, показанной на рисунке ниже, можно увидеть пример уравновешивания различного веса через гидравлический рычаг. Паскаль открыл, как видно на этом примере, что малый вес малого поршня уравновешивает большой вес большого поршня, доказывая, что площадь поршня пропорционально весу. Это открытие применительно к сжимаемой жидкости. Причина, почему это возможно, это то, что жидкость всегда действует с равной силой на равную площадь.
На рисунке изображён груз 2 кг и груз 100 кг. Площадь одного груза, весом 2 кг - 1см?, давление составляет 2 кг/см?. Площадь другогогруза, весом 100 кг - 50 см?, давление составляет 2 кг/см?. Два веса уравновешивают друг друга.
Механический рычаг
Та же ситуация может быть проиллюстрирована на примере механического рычага на рисунке ниже.
Кот весом 1 кг сидит на расстоянии 5 метров от центра тяжести рычага и уравновешивает кота весом 5 кг на расстоянии 1 метра от центра тяжести, подобно грузу на примере гидравлического рычага.
Преобразование энергии гидравлического рычага
Важно помнить, что жидкость действует равной силой на равную площадь. При работе это очень сильно помогает.
Имеется два цилиндра одинакового размера. Когда мы нажимаем на один поршень с усилием 10 кг, другой поршень выдавливается с усилием 10 кг, потому что площадь каждого цилиндра одинаковая. Если площади разные, силы тоже разные.
Например, допустим, что большой поршень имеет площадь 50 см?, а маленький поршень имеет площадь 1 см?, при усилии в 10 кг на маленький поршень происходит воздействие 10 кг/см? на каждую часть большого клапана согласно закона Паскаля, поэтому большой поршень получает общую силу 500 кг. Мы используем давление для передачи энергии и выполнения работы.
Имеется важный пункт при преобразовании энергии, а именно, отношение между силой и расстоянием. Вспомни, на механическом рычаге, малый вес требует длинный рычаг для достижения равновесия. Для того, чтобы поднять кота весом 5 кг на 10 см, кот весом 1 кг должен опустить рычаг на 50 см вниз.
Давайте посмотрим на рисунок гидравлического рычага снова и подумаем о ходе малого поршня. Ход малого поршня 50 см необходим для передачи достаточного количества жидкости для передвижения поршня большого цилиндра на 1 см.
Секция 3
Поток создаёт движение
Что такое поток?
При разнице давления в двух точках гидравлической системы, жидкость стремится к точке с наименьшим давлением. Такое движение жидкости называется потоком.
Здесь приведены несколько примеров потока. Вода в городском водопроводе создаёт давление. Когда мы поворачиваем кран, то за счёт разности давления из крана течёт вода.
В гидравлической системе поток создаёт насос. Насос создаёт непрерывный поток.
Скорость и величина потока
Скорость и величина потока используются для измерения потока.
Скорость показывает расстояние, пройденное за определённый промежуток времени.
Величина потока показывает, сколько жидкости протекает через определённую точку за данный момент времени.
Величина потока, лит./мин.
Величина потока и скорость
В гидравлическом цилиндре легко рассмотреть отношение между величиной потока и скоростью.
Во первых, мы должны подумать об объёме цилиндра, который мы должны заполнить и затем подумать о ходе поршня.
На рисунке показан цилиндр А длинной 2 метра и объёмом 10 литров и цилиндр В длинной 1 метр и объёмом 10 литров. Если закачать 10 литров жидкости в минуту в каждый цилиндр, полный ход обоих поршней длится 1 минуту. Поршень цилиндра А двигается в два раза быстрее, чем цилиндра В. Это происходит потому, что поршень должен пройти расстояние в два раза больше за один и тот же промежуток времени.
Это значит, что цилиндр с меньшим диаметром двигается быстрее, чем цилиндр с большим диаметром при одинаковой скорости потока для обоих цилиндров. Если мы увеличим скорость потока до 20 л/мин, обе камеры цилиндра наполнятся в два раза быстрее. Скорость поршня должна увеличиться в два раза.
Таким образом, мы имеем два пути увеличения скорости цилиндра. Один путём уменьшения размера цилиндра и другой за счёт увеличения скорости потока.
Скорость цилиндра, таким образом, пропорциональна скорости потока и обратно пропорционально площади поршня.
Давление и сила
Создание давления
Если вы надавите на пробку в бочке, заполненную жидкостью, пробка будет остановлена жидкостью. При нажатии, жидкость под давлением давит на стенки бочки. При чрезмерном нажатии возможен разрыв бочки.
Путь наименьшего сопротивления
Если имеется бочка с водой и отверстием. При нажатии на крышку сверху, вода вытекает из отверстия. Вода, проходя через отверстие, не встречает сопротивления.
Когда сила прикладывается к сжатой жидкости, жидкость ищет путь наименьшего сопротивления.
Неисправности оборудования, использующие давление масла.
Вышеописанные характеристики гидравлических жидкостей являются полезными для гидравлического оборудования, но также являются источником многих неисправностей. Например, если произошла течь в системе, гидравлическая жидкость будет вытекать, так как ищет путь наименьшего сопротивления. Типичными примерами является течь ослабленных соединений и уплотнений.
Естественное давление
Мы разговаривали про давление и поток, но часто давление существует без потока.
Сила тяжести является хорошим примером. Если мы имеем три взаимосвязанных резервуара разного уровня, как показано на рисунке, сила тяжести сохраняет жидкости во всех резервуарах на одном уровне. Это другой принцип, который мы можем использовать в гидравлической системе.
Масса жидкости
Масса жидкости также создаёт давление. Дайвер, который ныряет в море, скажет, что он не может нырять слишком глубоко. Если дайвер опустится слишком глубоко, давление раздавит его. Это давление создаётся массой воды. Таким образом, мы имеем вид давления, которое появляется самостоятельно от веса воды.
Давление возрастает пропорционально глубине и мы можем точно измерить давление на глубине. На рисунке изображена квадратная колонна с водой высотой 10 метров. Известно, что один кубический метр воды весит 1000 кг. При увеличении высоты колонны до 10 метров, вес колонны увеличится до 10000 кг. На дне образуется один квадратный метр. Таким образом вес распределяется на 10000 квадратных сантиметров. Если мы разделим 10000 кг на 10000 квадратных сантиметров, то получится, что давление на этой глубине составляет 1 кг на 1 квадратный сантиметр
Значение силы тяжести
Под действием силы тяжести масло попадает из бака к насосу. Масло не всасывается насосом, как думают многие люди. Насос служит для подачи масла. Что обычно понимают под всасыванием насоса, обозначает подачу масла к насосу под действием силы тяжести.
Масло к насосу поступает под действием силы тяжести.
Что вызывает давление?
Когда давление смешивается с потоком, мы имеем гидравлическую силу. Откуда поступает давление в гидравлическую систему. Часть - это результат силы тяжести, но откуда берётся остальное давление.
Большая часть давления появляется от воздействия нагрузки. На рисунке ниже, насос подаёт масло непрерывно. Масло из насоса находит путь наименьшего сопротивления и направляется через шланг к рабочему цилиндру. Вес нагрузки создаёт давление, величина которого зависит от веса.
Гидравлическая сила рабочего цилиндра
(1) Закон инертности говорит о том, что свойство тела сохранять своё состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, пока какая-либо внешняя сила не выведет его из этого состояния. Это одна причина, почему поршень рабочего цилиндра не двигается
(2) Другая причина, почему поршень не двигается это нахождение на нём груза.
Поток
Ранее мы говорили, что поток совершает работу и двигает предметы. Имеется другой ключевой момент - Каким образом скорость потока относится к работе гидравлической системы?
Ответом является то, что скорость потока постоянная,
Возрастающая скорость потока создаёт высокую скорость
Многие люди думают, что возрастающее давление повышает скорость, но это не правда. Вы не можете заставить двигаться поршень быстрее, повысив давление. Если вы хотите заставить двигаться поршень быстрее, вы должны повысить скорость потока.
Давление в параллельном соединении
Имеется три различных груза, соединённых параллельно в одной гидравлической системе, как показано на рисунке ниже. Масло, как обычно, ищет путь наименьшего сопротивления. Это значит, что самый лёгкий груз поднимется первым, потому что цилиндру В понадобится наименьшее давление. Когда самый лёгкий груз поднимется, давление возрастёт, чтобы поднять следующий по весу груз из оставшихся. Когда цилиндр А достигнет окончания хода, давление возрастёт, чтобы поднять самый тяжёлый груз. Цилиндр С поднимется последним.
(3) Когда насос начинает давить на цилиндр, рабочий поршень и груз оказывают сопротивление потоку масла. Таким образом, давление возрастает. Когда это давление преодолевает сопротивление поршня, поршень начинает движение.
(4) Когда поршень двигается вверх, он поднимает груз. Давление и поток используются вместе для выполнения работы. Это гидравлическая сила в действии.
При закрытие предохранительного клапана, скорость не возрастает
Здесь приведена одна распространённая ошибка при поиске неисправности в гидравлической системе. Когда скорость цилиндра падает, некоторые механики сразу направляются к предохранительному клапану, потому что они думают, что повышение давления увеличит рабочую скорость. Они стараются уменьшить настройки предохранительного клапана, что предполагается повысит максимальное давление в системе. Такие изменения не приводят к увеличению скорости действия. Предохранительный клапан служит для защиты гидравлической системы от чрезмерного давления. Параметры давления никогда не должны быть выше величины установленного давления. Вместо повышения установок давления, механики должны искать другие причины неисправности системы.
Заключение
Сейчас вы имеете знания основ теории гидравлики. Вы знаете, что Закон Паскаля говорит о том, что давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа, передаётся по всем направлениям без изменений.
Вы также узнали, что гидравлическая жидкость под давлением стремится по пути наименьшего сопротивления. Это хорошо, когда работает для нас и плохо, когда вызывает течь в системе. Вы видели, как мы можем использовать малый вес на одном цилиндре для движения большого веса на другом цилиндре. В данном случае, ход поршня малого груза больше. Также вы получили чёткое понимание взаимоотношения давления и силы, скорости потока и скорости и конечно давления и потока.
Гидравлические механизмы
Гидравлические системы
Гидравлические системы используются для передачи механической энергии с одного места в другое. Это происходит через использование энергии давления. Гидравлический насос приводится в действие механической энергией. Механическая энергия преобразуется в энергию давления и кинетическую энергию гидравлической жидкости и затем снова преобразуется в механическую энергию для выполнения работы.
Значение преобразования энергии
Энергия, которая передаётся в гидравлическую систему, преобразуется из механической энергии двигателя, которая приводит в действие гидравлический насос. Насос преобразует механическую энергию в поток жидкости, преобразуя механическую энергию в энергию давления и кинетическую энергию. Поток жидкости передаётся через гидравлическую систему и направляется к приводам цилиндров и моторов. Энергия давления и кинетическая энергия жидкости вызывает движение привода. При этом движении происходит ещё одно преобразование в механическую энергию.
Как это работает в гидравлическом экскаваторе.
В гидравлических экскаваторах, первичная механическая энергия двигателя приводит в действие гидравлический насос. Насос направляет поток масла в гидравлическую систему. При движении привода под действием давления масла происходит ещё раз преобразование в механическую энергию. Стрела экскаватора может подниматься или опускаться, производится движение ковша и т.д.
Гидравлика и работа
Три элемента работы
Когда имеется какая либо работа, то для выполнения этой работы необходимы определённые условия. Необходимо знать, какая понадобится сила. Вам надо решить, как быстро необходимо произвести работу и вы должны определить направление работы. Это три условия работы: сила, скорость и направление используются в гидравлических терминах, как показано ниже.
Компоненты гидравлической системы
Основные компоненты
Гидравлическая система состоит из многих частей. Основными деталями являются насос и привод. Насос подаёт масло, преобразуя механическую энергию в энергию давления и кинетическую энергию. Привод является частью системы, которая преобразует гидравлическую энергию обратно в механическую энергию для выполнения работы. Другие детали, кроме насоса и привода, необходимы для полной работы гидравлической системы.
Бак: хранение масла
Клапаны: контроль за направлением и величиной потока или ограничение давления
Линии трубопровода: соединение деталей системы
Давайте посмотрим на две простые гидравлические системы.
Пример 1, гидравлический домкрат
Что вы видите на рисунке, называется гидравлический домкрат. Когда вы прилагаете усилие к рычагу, ручной насос подаёт масло в цилиндр. Давление этого масла давит на поршень и поднимает груз. Гидравлический домкрат во многом напоминает гидравлический рычаг Паскаля. Здесь добавлен гидравлический бак. Обратный клапан установлен, чтобы держать масло в баке и цилиндре между ходом поршня.
На верхнем рисунке, давление удерживается, обратный клапан закрыт. Когда ручка насоса тянется вверх, впускной обратный клапан открывается и масло попадает из бака в камеру насоса.
Нижний рисунок показывает открытый запорный клапан для соединения бака и цилиндра, позволяя маслу перетекать в бак, при этом поршень движется вниз.
Пример 2, работа гидравлического цилиндра
1. Во первых, имеется гидравлический бак, заполненный маслом и подсоединённый к насосу.
3. Насос работает и качает масло. Важно понять, что насос перемещает только объём. Объём устанавливает скорость гидравлического действия. Давление создаётся нагрузкой и не создаётся насосом.
4. Шланг от насоса соединён с распределительным клапаном. Масло поступает из насоса к клапану. Работа данного клапана заключается в направлении потока или к цилиндру, или в бак.
5. Следующим шагом является цилиндр, который выполняет фактическую работу. Два шланга от распределительного клапана соединены с цилиндром.
6. Масло из насоса направляется в нижнюю полость поршня через распределительный клапан. Нагрузка вызывает сопротивление потоку, которое в свою очередь создаёт давление.
7. Система выглядит законченной, но это не так. Ещё необходима очень важная деталь. Мы должны знать, как защитить все компоненты от повреждения в случае внезапной перегрузки или другого происшествия. Насос продолжает работать и подавать масло в систему, даже если с системой произошло происшествие.
Если насос подаёт масло и нет возможности для выхода масла, давление возрастает до тех пор, пока какая либо деталь не сломается. Мы устанавливаем предохранительный клапан, чтобы предотвратить это. Обычно он закрыт, но когда давление достигает установленной величины, предохранительный клапан открывается и масло течёт в бак.
8. Бак, насос, распределительный клапан, цилиндр, шланги соединения и предохранительный клапан являются основой гидравлической системы. Все эти детали необходимы.
Теперь мы имеем чёткое представление, как работает гидравлическая система.
Классификация насосов
Что такое насос?
Подобно вашему сердцу, которое прокачивает кровь по вашему телу, насос является сердцем гидравлической системы. Насос - это часть системы, которая качает масло для совершения работы. Как мы писали раньше, гидравлический насос преобразует механическую энергию в энергию давления и кинетическую энергию жидкости.
Что такое гидравлический насос?
Каждый насос создаёт поток. Жидкость перемещается из одного места в другое.
Имеется два типа насосов перемещения.
Насос принудительного действия
Насос не принудительного действия
Водяной круг на рисунке - пример не принудительного насоса. Круг поднимает жидкость и двигает её.
Другой насос принудительного действия. Называется принудительного действия, так как насос нагнетает жидкость и препятствует возврату её назад. Если насос не может это делать, в системе не будет достаточного давления. Сегодня все гидравлические системы используют высокое давление, и таким образом необходимы насосы принудительного действия.
Типы гидравлических насосов
Сегодня на многих машинах установлен один из трёх насосов:
- Шестерёнчатый насос
- Лопастный насос
- Поршневой насос
Все насосы работают по роторно поршневому типу, жидкость приводится в действие вращением детали внутри насоса.
Поршневые насосы делятся на два типа:
Аксиально поршневого типа
Радиально поршневого типа
Насосы аксиально поршневого типа называются так, потому что поршни насоса расположены параллельно оси насоса.
Насосы радиально поршневого типа называются так, потому что поршни расположены перпендикулярно (радиально) оси насоса. Насосы обоих типов совершают возвратно поступательное движение. Поршни двигаются вперёд и назад и используют роторно поршневое движение.
Рабочий объём гидравлического насоса
Рабочий объём, значит объём масла, которое насос может прокачать или переместить в каждом цилиндре. Гидравлические насосы разделяются на два типа:
Фиксированного рабочего объёма
Изменяемого рабочего объёма
Насосы фиксированного рабочего объёма прокачивают одинаковое количество масла за каждый цикл. Чтобы изменить объём такого насоса необходимо изменить скорость насоса.
Нсосы с изменяемым рабочим объёмом могут менять объём масла в зависимости от цикла. Это может быть сделано без изменения скорости. Такие насосы имеют внутренний механизм, который регулирует выходное количество масла. Когда давление в системе падает, объём возрастает, когда давление в системе возрастает, объём уменьшается автоматически.
Мощность
Насос фиксированного рабочего объёма Насос изменяемого рабочего объёма
Конструкция
Классификация привода
Что такое привод?
Привод является частью гидравлической системой, которая производит энергию. Привод преобразует гидравлическую энергию в механическую энергию для совершения работы. Различают линейный и роторный приводы. Гидравлический цилиндр является линейным приводом. Усилие гидравлического цилиндра направлено прямолинейно. Гидравлический мотор является роторным приводом. Выходным усилием является крутящий момент и роторное действие.
Роторный привод
Линейный привод
Гидравлические цилиндры
Гидравлические цилиндры подобно рычагу. Имеется два типа цилиндров.
Цилиндры однократного действия.
Гидравлическая жидкость может двигаться только в один конец цилиндра. Возврат поршня в первоначальное положение достигается действием силы тяжести.
Цилиндры двойного действия.
Гидравлическая жидкость может перемещаться в оба конца цилиндра, поэтому поршень может двигаться в обоих направлениях.
В обоих типах цилиндров, поршень двигается в цилиндре в направлении, в котором жидкость давит на поршень. Различные типы уплотнения используются в поршнях для предотвращения течи.
Цилиндр однократного действия
Цилиндр двойного действия
Гидравлический мотор
Подобно цилиндру, гидравлический мотор является приводом, только роторный привод.
Принцип работы гидравлического мотора прямо противоположный работе гидравлического насоса. Насос нагнетает жидкость и гидравлический мотор работает от этой жидкости. Как мы писали раньше, гидравлический насос преобразует механическую энергию в энергию давления и кинетическую энергию жидкости. Гидравлический мотор преобразует гидравлическую энергию в механическую энергию.
При гидравлическом приводе, насосы и моторы работают вместе. Насосы приводятся в действие механически и нагнетают жидкость в гидравлические моторы.
Моторы приводятся в действие жидкостью от насоса и это движение в свою очередь вращает механические части.
Типы гидравлических моторов
Существует три типа гидравлических моторов и все они имеют внутренние движущиеся части, которые приводятся в действие входящим потоком, их название:
- Шестерёнчатый мотор
- Лопастный мотор
- Поршневой мотор
Рабочий объём и крутящий момент
Наработка мотора называется крутящим моментом. Это сила вращения вала мотора. Крутящий момент это величина измерения силы на единицу длинны, она не включает скорость. Крутящий момент мотора определяется максимальным давлением и объёмом жидкости, которое может переместить во время каждого цикла. Скорость мотора определяется величиной потока. Больше величина потока, быстрее скорость.
Крутящий момент - это сила вращения вала мотора
Крутящий момент равен силе х расстояние
Классификация клапана
Какие бывают клапаны?
Клапаны являются средствами управления в гидравлической системе. Клапаны регулируют давление, направление потока и величину потока в гидравлической системе.
Различают три типа клапанов:
На рисунке ниже можно увидеть как работают клапаны.
Клапаны регулирования давления
Эти клапаны используются для ограничения давления в гидравлической системе, разгрузки насоса или настройки давления цепи. Имеется несколько типов клапанов регулирования давления, некоторые из них предохранительные, клапаны уменьшения давления и разгрузочные клапаны.
Клапаны управления давлением
Клапан управления давлением используется для следующих целей:
Ограничения давления внутри системы
Уменьшения давления
Настройка входящего давления цепи
Разгрузки насоса
Предохранительный клапан иногда называют защитным клапаном, потому что он уменьшает чрезмерное давление, когда оно достигает крайней величины. Предохранительный клапан предупреждает детали системы от перегрузки.
Существует два типа предохранительного клапана:
Предохранительный клапан прямого действия , которые просто открываются и закрываются.
Предохранительный клапан пилотной линии , который имеет пилотную линию для управления главным предохранительным клапаном.
Предохранительный клапан прямого действия обычно используется в местах, где объём потока небольшой и работа редко повторяется. Предохранительный клапан пилотной линии необходим в местах, где большой объём масла должен быть уменьшен.
Клапан управления направлением
Этот клапан управляет выбором направления потока гидравлической системы. Типичным клапаном управления направлением является распределительный клапан и золотник.
Клапан регулирования величины
Этот клапан управляет скоростью потока масла гидравлической системы. Управление происходит за счёт ограничения потока или отведения его. Несколько различных типов клапана регулирования величины являются клапан управления потоком и клапан деления потока.
Эти клапаны управляются различными способами: вручную, гидравлически, электрически, пневматически.
Клапаны управления направлением
Этот клапан устанавливает поток масла, как регулировщик управляет дорожным движением. Такие клапаны:
Обратный клапан
Золотниковый клапан
Используются различные типы конструкции управления направлением.
Обратный клапан использует тарельчатый клапан и пружину для направления потока в одном направлении. Золотниковый клапан использует подвижный цилиндрический золотник. Золотник двигается вперёд и назад, открывая и закрывая каналы для прохождения потока.
Обратный клапан
Обратный клапан устроен просто. Он называются клапаном одного потока. Это значит, что он открыт для прохождения потока в одном направлении, но закрыт для протекания масла в обратном направлении.
На рисунке ниже можно увидеть работу обратного клапана. Это обратный клапан, который устроен для сквозного потока на одной линии. Тарельчатый клапан открывается когда впускное давление больше, чем выпускное давление. Когда клапан открыт, масло свободно течёт. Тарельчатый клапан закрывается, когда впускное давление падает. Клапан прерывает поток в обратном направлении и останавливает поток под действие выпускного давления.
Золотниковый клапан
Золотниковый клапан является типичным распределительным клапаном, который используется для управления работой привода. Что обычно называют распределительным клапаном и является золотниковым клапаном. Золотниковый клапан направляет поток масла для начала, проведения и окончания работы.
Когда золотник двигается из нейтрального положения вправо или влево, происходит открытие одних каналов и закрытие других каналов. Таким способом масло подводится к и от привода. Буртик золотника плотно перекрывает входящие и выходящие потоки масла.
Золотник изготовлен из прочного материала и имеет гладкую, прецизионную, крепкую поверхность. Он даже покрыт хромом для препятствования износу, ржавчине и повреждениям.
Золотниковый клапан на рисунке показывает три позиции, нейтральная, левая и правая. Мы называем его четырёхпозиционный, потому что он имеет четыре возможных направления, которые направлены в обе полости цилиндра, в бак и в насос.
Когда мы перемещаем золотник влево, поток масла направлен от насоса в левую полость цилиндра и поток из правой полости цилиндра направлен в бак. Как результат, поршень двигается вправо.
Если мы сдвигаем золотник вправо, действия прямо противоположные, соответственно поршень двигается вправо.
В центральной позиции, нейтральной, масло направлено в бак. Каналы в обои полости цилиндра закрыты.
нейтральная
Клапаны регулирования величины
Как мы писали раньше, клапан регулирования величины работает в одном из двух направлений. Он или перекрывает поток, или меняет его направление.
Клапан управления потоком используется для управления скоростью привода посредством измерения потока. Измерение подразумевает измерение или регулирование скорости потока к или от привода. Клапан разделения потока регулирует объём потока, но так же разделяет потоки между двумя или более цепями.
Клапан деления потока управляет величиной потока, но так же разделяет потоки между двумя или более цепями.
Пропорциональный делитель потока
Назначение этого клапана - деление потока от одного источника.
Делитель потока на рисунке ниже делит потоки в соотношении 75-25 на выходе. Это возможно, потому, что вход №1 больше входа №2.
Гидравлическая схема
Ранее в тексте приводились рисунки, помогающие понять принципы работы гидравлической системы и её составных частей. Мы старались показать конструкцию на различных примерах и использовали различные типы рисунков.
Рисунки, которые мы используем, называются графической схемой.
Каждая часть системы и каждая линия изображается графическим символом.
Ниже приведены примеры графической диаграммы.
Важно понять, что назначение графической диаграммы не показать устройство деталей. Графическая диаграмма используется только для показа функций и мест соединений.
Классификация линий
Все составные части гидравлической системы соединены линиями. Каждая линия имеет своё название и выполняет свою функцию. Основные линии:
Рабочие линии: Напорная линия, Линия всасывания, Сливная линия
Не рабочие линии: Дренажная линия, Пилотная линия
Масло рабочей линии участвует в преобразовании энергии. Линия всасывания доставляет масло из бака к насосу. Напорная линия доставляет масло от насоса к приводу под давлением для совершения работы и сливная линия возвращает масло от привода обратно в бак.
Не рабочие линии являются дополнительными линиями, которые не используются в основных функциях системы. Дренажная линия используется для возврата в бак лишнего масла или масла пилотной линии. Пилотная линия используется для управления рабочими органами.
Преимущества и недостатки гидравлической системы
Мы изучили основные принципы работы гидравлической системы.
Перед завершением, посмотрим на преимущества и недостатки гидравлической системы перед другими системами.
Преимущества
1. Гибкость - ограниченное количество жидкости является более гибким источником энергии и имеет хорошие свойства передачи энергии. Использование рукавов высокого давления и шлангов вместо механических частей позволяет устранить многие проблемы.
2. Увеличение силы - Малая сила может управлять большой силой.
3. Плавность - Работа гидравлической системы плавная и тихая. Вибрация сведена к минимуму.
4.Простота - Имеется несколько подвижных деталей и небольшое число соединений гидравлической системы, а также самостоятельная смазка.
5. Компактность - Устройство составных частей очень простое по сравнению с механическими устройствами. Например, размер гидравлического мотора значительно меньше электрического мотора, который производит такую же энергию.
6. Экономия - Простота и компактность обеспечивает экономичность системы при небольших потерях мощности.
7. Безопасность - Предохранительный клапан защищает систему от перегрузок.
Недостатки
НЕОБХОДИМОСТЬ СВОЕВРЕМЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ - Компоненты гидравлической системы являются прецизионными деталями и работают под высоким давлением. Своевременное техническое обслуживание необходимо для защиты от ржавчины, загрязнения масла, повышенного износа, поэтому использование и замена соответствующего масла является необходимостью.
Немного больше о гидравлике
Потери энергии (давления)
Другой важным моментом для понимания основ гидравлики является потеря энергии (давления) в гидравлической системе.
Например, некоторое сопротивление потоку вызывает снижение давления потока, результатом чего является потеря энергии.
Сейчас изучим некоторые детали.
Вязкость масла.
Масло обладает вязкостью. Вязкость масла самостоятельно создаёт сопротивление потоку.
Сопротивление потоку за счёт трения.
Во время прохождения масла по трубам происходит снижение давления за счёт трения.
Такое снижение давления возрастает в следующих случаях:
1) При использовании длинной трубы
2) Использование трубы малого диаметра
3) При резком возрастании потока
4) При большой вязкости
Снижение давления по другим причинам
Кроме снижения давления за счёт трения, потери могут происходить за счёт изменения направления потока и изменения каналов протекания масла.
Протекание масла через дроссель
Как мы сказали раньше, снижение давления происходит при ограничении потока масла.
Дроссель является видом ограничения, часто устанавлиаемый в гидравлическую систему для создания разницы давления в системе.
Однако, если мы останавливаем поток за дросселем, действует закон Паскаля и давление выравнивается на обоих сторонах.
Потеря энергии
Как вы хорошо знаете, имеется множество труб, фитингов (соединений) и клапанов, входящих в гидравлическую систему.
Определённое количество энергии (давления) используется только для перемещения масла из одного места в другое, до выполнения работы.
Потерянная энергия преобразуется в тепло
Потеря энергии за счёт снижения давления преобразуется в тепло. Повышение потока масла, повышение вязкости масла, повышение длинны трубы или шланга, а так же подобные изменения, вызывают повышение сопротивления и вызывает перегрев.
Во избежание данной проблемы, применяйте запасные части, идентичные оригинальным.
Эффективность работы насоса
Как мы сказали раньше в предшествующем тексте, гидравлический насос преобразует механическую энергию в гидравлическую энергию. Эффективность работы насоса проверяется его производительностью и является одним из пунктов при проверке работоспособности. Эффективность насоса означает то, как хорошо насос справляется со своей работой.
Имеется три подхода при определении эффективности работы насоса.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОДАЧИ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА (МЕХАНИЧЕСКИЙ)
ПОЛНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
Эффективность крутящего момента
Эффективность крутящего момента - это отношение фактического выходящего крутящего момента насоса к входящему крутящему моменту насоса.
Фактический выходящий крутящий момент насоса всегда меньше, чем входящий крутящий момент насоса. Потери крутящего момента происходят за счёт трения подвижных частей насоса.
Полная эффективность
Полная эффективность - это отношение выходящей гидравлической мощности к входящей механической мощности насоса.
Это величина обеих: эффективности подачи и эффективности крутящего момента. Другими словами, полная эффективность может быть выражена как выходящая мощность разделённая на входящую мощность. Выходящая мощность меньше входящей мощности из за потерь в насосе за счёт трения и внутренней течи.
В общем, эффективность шестерёнчатых и поршневых насосов составляет 75 - 95 %.
Поршневой насос обычно оценивается выше, чем шестерёнчатый насос.
Эффективность подачи
Эффективность подачи - это отношение фактической подачи насоса к теоретической подаче насоса. В действительности, фактическая подача насоса меньше чем теоретическая подача насоса.
Это обычно выражено в процентах.
Разница обычно выражена внутренней течью в насосе за счёт отверстий в рабочих деталях насоса.
Некоторые отверстия сделаны во всех деталях для смазки.
Внутренняя течь случается при износе деталей насоса, произведённых с малым допуском.
Мы рассматриваем повышенную внутреннюю течь как потерю эффективности.
Мощность, необходимая для работы насоса
По причинам, приведённым ранее, мощность, необходимая для работы насоса должна быть больше, чем выходящая мощность.
Здесь приведён пример насоса мощностью 100 л.с.
Если эффективность насоса 80%, то необходимо подвести мощность 125 л.с.
Необходимая мощность = выходящая мощность/эффективность = 100/80
Другими словами, двигатель мощностью 125 л.с. необходим для работы насоса мощностью 100 л.с. с эффективностью 80 %.
Неисправность насоса
Что снижает эффективность работы насоса?
Грязное масло - основная причина поломки насоса.
Твёрдые частицы грязи, песка и т.д. в масле используются в насосе как абразивный материал.
Это вызывает интенсивный износ деталей и увеличивает внутреннюю течь, тем самым понижая эффективность работы насоса.
Дренажный канал
Канал, который используется для слива масла в бак, называется дренажным каналом.
Кавитация насоса
Когда происходит кавитация?
Кавитация случается, когда масло не полностью заполняет предназначенное для заполнения пространство в насосе.
Это способствует появлению воздушных пузырьков, которые вредны для насоса.
Представим, что впускная линия насоса узкая, это вызывает падение входящего давления.
Когда давление низкое, масло не может поступать в насос так же быстро, как и выходить из него.
Результатом является то, что пузырьки воздуха образуются в поступающем масле.
Воздух в масле
Такое снижение давления приводит к появлению некоторого количества растворённого воздуха в масле и воздух заполняет полости.
Воздух в масле в виде пузырьков, так же заполняет полости.
Когда заполненные воздухом полости, которые образованы при низком давлении, поступают в область высокого давления насоса, они разрушаются.
Это создаёт действие, равносильное взрыву, которое разбивает или выносит мелкие частицы насоса и вызывает чрезмерный шум и вибрацию насоса.
Последствия взрыва
Разрушения, происходящее постоянно, вызывают взрыв.
Сила этого взрыва достигает 1000 кг/см² и мелкие металлические частицы выносятся из насоса. Если насос работает при кавитации длительное время, он может быть серьёзно повреждён.
Гидравлический мотор
Мотор работает в обратной последовательности, если сравнивать с насосом.
Насос подаёт масло, тогда как мотор работает от этого масла.
Мотор преобразует гидравлическую энергию в механическую энергию для выполнения работы.
Эффективность работы мотора
Подобно гидравлическому насосу, эффективность мотора определяется его производительностью.
Эффективность потока является одним из показателей при определении производительности мотора.
Внутренняя течь происходит из за отверстий в рабочих деталях мотора. Некоторые отверстия имеются во всех деталях для смазки. Увеличение течи связано с износом деталей с малым допуском.
Мы рассматриваем повышенную внутреннюю течь как потеря эффективности.
Проверка работы мотора
Как мы сказали раньше, канал, через который масло поступает в бак, называется дренажный канал.
Это даёт нам один метод для проверки работы мотора, сравнив фактическое количество слитого из мотора в бак масла с установленной величиной. Чем больше количество слитого масла в бак, тем больше потери энергии и соответственно снижение производительности мотора.
Гидравлический цилиндр
Течь цилиндра - наружная течь
Во время вытягивания штока цилиндра возможно попадание грязи и другого материала. Затем, когда шток втягивается, происходит попадание грязи в цилиндр и повреждение уплотнений.
На штоке цилиндра имеется защитное уплотнение, которое препятствует попаданию грязи внутрь цилиндра во время втягивания штока. Если течь происходит из штока цилиндра необходимо заменить все уплотнения штока.
Течь цилиндра - внутренняя течь
Течь внутри цилиндра может вызвать замедленное движение или остановку под нагрузкой.
Течь поршня может быть вызвана неисправным уплотнением поршня, кольца или поцарапанной поверхностью внутри цилиндра.
Последнее может быть вызвано попаданием грязи и наличие песка в масле.
Замедление движения
Наличие воздуха в цилиндре является основной причиной замедленного действия, особенно при установке нового цилиндра. Весь попавший в цилиндр воздух должен быть стравлен.
Спускание цилиндра
Если цилиндр спускает при остановке, проверьте на внутреннюю течь. Другими причинами неисправности могут быть неисправный распределительный клапан или поломка предохранительного клапана.
Неровности или ржавчина штока цилиндра
Незащищённый шток цилиндра может быть повреждён ударом о твёрдый предмет. Если гладкая поверхность штока повреждена, уплотнения штока могут быть разрушены.
Неровности на штоке могут быть исправлены специальным средством.
Другая проблема - ржавчина на штоке.
При хранении цилиндра, втяните шток для защиты его от ржавчины.
Клапаны
Предшествующий текст раскрыл основные знания о клапанах и их различия при работе.
Необходимо изучить несколько технических терминов связанных с распределительными клапанами.
Крекинг давление и давление полного потока
Крекинг давление - это давление, при котором открывается предохранительный клапан.
Давление полного потока - это давление, при котором через предохранительный клапан проходит наиболее полный поток.
Давление полного потока немного выше, чем крэкинг давление. Регулировка предохранительного клапана установлена на значение давления полного потока.
Крэкинг давление и регулировка давления
В предшествующем тексте, мы изучили то, что имеется два типа предохранительных клапанов: предохранительный клапан прямого действия и предохранительный клапан, управляемый пилотной линией.
Давайте рассмотрим регулировки давления этих клапанов.
Предохранительный клапан, управляемый пилотной линией имеет меньшее давление регулировки, чем у предохранительного клапана прямого действия.
На рисунке показано сравнение двух этих типов клапанов.
В то время, как предохранительный клапан прямого действия на рисунке открывается на половине давления полного потока, предохранительный клапан, управляемый пилотной линией открыт на 90 % его давления полного потока.
Регулировка давления
Как мы сказали раньше, давление полного потока немного выше, чем крэкинг давление.
Это потому, что натяжение пружины отрегулировано на открытие клапанов. Это состояние называется как регулировка давления и это один из недостатков простого предохранительного клапана.
Что лучше?
Предохранительный клапан, управляемый пилотной линией лучше для системы с высоким давлением и с большой производительностью.
Потому, что эти клапаны не открываются до достижения давления полного потока, происходит эффективная защита системы - масло сохраняется в системе.
Хотя более медленная работа, чем предохранительный клапан прямого действия, предохранительный клапан, управляемый пилотной линией поддерживает в системе более постоянное давление.
Редукционный клапан
Что это такое?
Редукционный клапан используется в цепи гидравлического мотора для создания обратного давления для управления во время работы и для остановки мотора, когда цепь в нейтральном состоянии.
Редукционный клапан для кранов
Редукционный клапан обычно закрывается вместе с клапаном управления давления с внутренним обратным клапаном.
Когда насос подаёт масло на мотор лебёдки на опускание, мотор работает по инерции под действием силы тяжести груза, другими словами, когда мотор превышает допустимую скорость, редукционный клапан подаёт обратное давление, таким образом, предотвращая свободное падение груза.
Внутренний обратный клапан даёт разрешение на подачу обратного потока для вращения мотора в обратном направлении, для поднятия груза.
Редукционный клапан для экскаваторов.
Редукционный клапан эквскаватора обеспечивает мягкий старт и повышение скорости хода/поворота, а также предотвращает кавитацию мотора.
Давление в напорной линии насоса всегда выше давления линии мотора.
Попытка превышения установленной скорости мотора по инерции вызывает снижение давления в напорной линии и клапан немедленно перекрывает линию мотора до тех пор, пока не восстановится давление напорной линии.
Техническое обслуживание клапанов
Поддерживайте хорошее состояние клапанов
Как вы хорошо знаете, клапаны являются прецизионными изделиями и должны снимать точные показания давления, направления и объёма масла гидравлической системы.
Поэтому, клапаны должны быть правильно установлены и содержаться в нормальном состоянии.
Причины неисправности клапанов
Загрязнения, такие как грязь, пух, коррозия и отстой могут вызвать неправильную работу и повреждение деталей клапана.
Такие загрязнения вызывают заедание клапана, неполное открытие или обдирание поверхности сопряжения до тех пор, пока не начнётся течь.
Такие неисправности исключены при содержании оборудования в чистоте.
Точки проверки
Во время поиска неисправностей или ремонта, проверьте следующие детали.
Распределительный клапан давления - Предохранительный клапан
Проверьте седло клапана (седло клапана и тарелка клапана) на предмет течи и задирания.
Проверьте на предмет застревания плунжера в корпусе.
Проверьте резиновые колечки.
Проверьте, не засорён ли дроссель.
Распределительный клапан потока
- Проверьте золотник и каналы на предмет неровностей и царапин.
- Проверьте уплотнения на течь
- Проверьте на наличие неровностей краёв.
- Проверьте на наличие царапин на золотнике.
Золотники распределительного клапана потока установлены в корпусе в рассчитанных местах.
Это сделано для обеспечения наименьшего зазора между корпусом и золотником для предотвращения внутренней течи и максимального качества сборки. Поэтому, устанавливайте золотники в соответствующие отверстия.
И т. д.).
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Гидропривод МГП-125 для самодельной лебедки.
✪ Гидропривод тележки вертолетной буксировочной
✪ Гидравлический подкатной домкрат своими руками
✪ Самодельный гидравлический Дровокол-(гидроколун) Wood splitter
✪ УНИЧТОЖЕНИЕ МАШИН подборка (утилизация, под прессом, промышленный шреддер)
Субтитры
Функции гидропривода
Основная функция гидропривода, как и механической передачи, - преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.). Другая функция гидропривода - это передача мощности от приводного двигателя к рабочим органам машины (например, в одноковшовом экскаваторе - передача мощности от двигателя внутреннего сгорания к ковшу или к гидродвигателям привода стрелы , к гидродвигателям поворота башни и т.д.).
В общих чертах, передача мощности в гидроприводе происходит следующим образом:
- Приводной двигатель передаёт вращающий момент на вал насоса , который сообщает энергию рабочей жидкости.
- Рабочая жидкость по гидролиниям через регулирующую аппаратуру поступает в гидродвигатель, где гидравлическая энергия преобразуется в механическую.
- После этого рабочая жидкость по гидролиниям возвращается либо в бак , либо непосредственно к насосу.
Виды гидроприводов
Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объёмные.
- В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости (и соответственно скорости движения жидкостей в гидродинамических приводах велики в сравнении со скоростями движения в объёмном гидроприводе).
- В объёмных гидроприводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости (в объёмных гидроприводах скорости движения жидкостей невелики - порядка 0,5-6 м/с).
Гидропривод с разомкнутой системой циркуляции
в котором рабочая жидкость постоянно сообщается с гидробаком или атмосферой.
Достоинства такой схемы - хорошие условия для охлаждения и очистки рабочей жидкости. Однако такие гидроприводы громоздки и имеют большую массу, а частота вращения ротора насоса ограничивается допускаемыми (из условий бескавитационной работы насоса) скоростями движения рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе.
По источнику подачи рабочей жидкости
Насосный гидропривод
В насосном гидроприводе, получившем наибольшее распространение в технике, механическая энергия преобразуется насосом в гидравлическую, носитель энергии - рабочая жидкость , нагнетается через напорную магистраль к гидродвигателю, где энергия потока жидкости преобразуется в механическую. Рабочая жидкость, отдав свою энергию гидродвигателю, возвращается либо обратно к насосу (замкнутая схема гидропривода), либо в бак (разомкнутая или открытая схема гидропривода). В общем случае в состав насосного гидропривода входят гидропередача, гидроаппараты, кондиционеры рабочей жидкости, гидроёмкости и гидролинии.
Наибольшее применение в гидроприводе получили аксиально-поршневые , радиально-поршневые , пластинчатые и шестерённые насосы.
Магистральный гидропривод
В магистральном гидроприводе рабочая жидкость нагнетается насосными станциями в напорную магистраль, к которой подключаются потребители гидравлической энергии. В отличие от насосного гидропривода, в котором, как правило, имеется один (реже 2-3) генератора гидравлической энергии (насоса), в магистральном гидроприводе таких генераторов может быть большое количество, и потребителей гидравлической энергии также может быть достаточно много.
Аккумуляторный гидропривод
В аккумуляторном гидроприводе жидкость подаётся в гидролинию от заранее заряженного гидроаккумулятора . Этот тип гидропривода используется в основном в машинах и механизмах с кратковременными режимами работы.
По типу приводящего двигателя
Критически важной для гидропривода (в первую очередь объёмного) является очистка рабочей жидкости от содержащихся в ней (и постоянно образующихся в процессе работы) абразивных частиц. Поэтому системы гидропривода обязательно содержат фильтрующие устройства (например, масляные фильтры), хотя принципиально гидропривод некоторое время может работать и без них.
Поскольку рабочие параметры гидропривода существенно зависят от температуры рабочей жидкости, то в гидросистемах в некоторых случаях, но не всегда, устанавливают системы регулирования температуры (подогревающие и/или охладительные устройства).
Количество степеней свободы гидросистем
Область применения
Объёмный гидропривод применяется в горных и строительно-дорожных машинах . В настоящее время более 50% общего парка мобильных строительно-дорожных машин (бульдозеров , экскаваторов , автогрейдеров и др.) является гидрофицированной. Это существенно отличается от ситуации 30-х - 40-х годов 20-го века, когда в этой области применялись в основном механические передачи.
Широкое распространение получил гидропривод в авиации . Насыщенность современных самолётов системами гидропривода такова, что общая длина трубопроводов современного пассажирского авиалайнера может достигать нескольких километров.
В автомобильной промышленности самое широкое применение нашли гидроусилители руля , существенно повышающие удобство управления автомобилем . Эти устройства являются разновидностью следящих гидроприводов . Гидроусилители применяют и во многих других областях техники (авиации, тракторостроении, промышленном оборудовании и др.).
В некоторых танках, например, в японском танке Тип 10 , применяется гидростатическая трансмиссия , представляющая собой, по сути, систему объёмного гидропривода движителей . Такого же типа трансмиссия устанавливается и в некоторых современных бульдозерах .
В целом, границы области применения гидропривода определяются его преимуществами и недостатками.
Преимущества
К основным преимуществам гидропривода относятся:
- возможность универсального преобразования механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки;
- простота управления и автоматизации;
- простота предохранения приводного двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок; например, если усилие на штоке гидроцилиндра становится слишком большим (такое возможно, в частности, когда шток, соединённый с рабочим органом, встречает препятствие на своём пути), то давление в гидросистеме достигает больших значений - тогда срабатывает предохранительный клапан в гидросистеме, и после этого жидкость идёт на слив в бак, и давление уменьшается;
- надёжность эксплуатации;
- широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена; например, диапазон регулирования частоты вращения гидромотора может составлять от 2500 об/мин до 30-40 об/мин, а в некоторых случаях, у гидромоторов специального исполнения, доходит до 1-4 об/мин, что для электромоторов трудно реализуемо;
- большая передаваемая мощность на единицу массы привода; в частности, масса гидравлических машин примерно в 10-15 раз меньше массы электрических машин такой же мощности;
- самосмазываемость трущихся поверхностей при применении минеральных и синтетических масел в качестве рабочих жидкостей ; нужно отметить, что при техническом обслуживании, например, мобильных строительно-дорожных машин на смазку уходит до 50% всего времени обслуживания машины, поэтому самосмазываемость гидропривода является серьёзным преимуществом;
- возможность получения больших сил и мощностей при малых размерах и весе передаточного механизма;
- простота осуществления различных видов движения - поступательного, вращательного, поворотного;
- возможность частых и быстрых переключений при возвратно-поступательных и вращательных прямых и реверсивных движениях;
- возможность равномерного распределения усилий при одновременной передаче на несколько приводов;
- упрощённость компоновки основных узлов гидропривода внутри машин и агрегатов, в сравнении с другими видами приводов.
Недостатки
К недостаткам гидропривода относятся:
- утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления в гидросистеме, что требует высокой точности изготовления деталей гидрооборудования;
- нагрев рабочей жидкости при работе, что приводит к уменьшению вязкости рабочей жидкости и увеличению утечек, поэтому в ряде случаев необходимо применение специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты ;
- более низкий КПД чем у сопоставимых механических передач ;
- необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости, поскольку наличие большого количества абразивных частиц в рабочей жидкости приводит к быстрому износу деталей гидрооборудования, увеличению зазоров и утечек через них, и, как следствие, к снижению объёмного КПД ;
- необходимость защиты гидросистемы от проникновения в неё воздуха, наличие которого приводит к нестабильной работе гидропривода, большим гидравлическим потерям и нагреву рабочей жидкости;
- пожароопасность в случае применения горючих рабочих жидкостей, что налагает ограничения, например, на применение гидропривода в горячих цехах;
- зависимость вязкости рабочей жидкости, а значит и рабочих параметров гидропривода, от температуры окружающей среды;
- в сравнении с пневмо- и электроприводом - невозможность эффективной передачи гидравлической энергии на большие расстояния вследствие больших потерь напора в гидролиниях на единицу длины.
История развития гидропривода
Гидравлические технические устройства известны с глубокой древности. Например, насосы для тушения пожаров существовали ещё во времена Древней Греции .
Однако, как целостная система, включающая в себя и насос , и гидродвигатель , и устройства распределения жидкости , гидропривод стал развиваться в последние 200-250 лет.
Одним из первых устройств, ставших прообразом гидропривода, является гидравлический пресс . В 1795 году патент на такое устройство получил Джозеф Брама (англ. Joseph Bramah ) , которому помогал Генри Модели, и в 1797 году первый в истории гидравлический пресс был построен .
В конце XVIII века появились первые грузоподъёмные устройства с гидравлическим приводом, в которых
Преимущества гидравлических систем по сравнению с другими методами передачи мощности являются:
- Простота конструкции . В большинстве случаев, несколько компонентов гидросистем в связке могут заменить более сложные механические связи.
- Гибкость . Гидравлические компоненты могут быть расположены со значительной гибкостью. Трубы и шланги вместо механических элементов практически полностью устраняют проблемы в выборе местоположения.
- Плавность . Гидравлические системы обладают плавностью и тишиной в работе. Вибрации сведены к минимуму.
- Управление. Контроль в широком диапазоне скоростей и сил достаточно просто реализовать.
- Стоимость . Высокая производительность с минимальными потерями на трение обеспечивает стоимость передачи мощности на минимальном уровне.
- Защита от перегрузки . Автоматические клапаны предохраняют систему от поломки от перегрузки.
Основным недостатком гидравлической системы является сохранение прецизионных деталей в нормальном состоянии, когда они подвергаются воздействию плохих климатических условий и загрязнений. Защита от ржавчины, коррозии, грязи, масла, износа и других неблагоприятных условий окружающей среды является очень важным условием. Ниже рассмотрим несколько основных типов гидравлических систем.
Гидравлический домкрат
Эта система (рисунок 1) состоит из резервуара с жидкостью, системы клапанов и штоков, представляет собой гидрорычаг Паскаля. Перемещение маленького штока (насоса) вниз приводит к подёму вверх большого штока(подъёмный цилиндр) с нагрузкой. Так как давление под маленьким и большим штоками одинаковое, а площади штоков (на которые это давление воздействует) разные, то в соответствии с законом Паскаля, при небольшом усилии на шток насоса, достигается значительно большее усилие на подъемном цилиндре.
На рисунке 1 в верхней части показан такт впуска. Выпускной обратный клапан закрывается под давлением при нагрузке, и всасывающий обратный клапан открывается таким образом, что жидкость из резервуара заполняет насосную камеру. В нижней схеме рисунка 1 плунжер насоса перемещается вниз. Впускной обратный клапан закрывается под давлением и открывает выпускной клапан. Масса жидкости закачивается под большим поршнем, чтобы поднять его. Чтобы опустить нагрузку, в системе предусмотрен третий клапан (игольчатый клапан). При его открытии, объем жидкости под большим поршнем сообщяется с резервуаром. Нагрузка опускает большой подъемный шток вниз и выдавливает жидкость обратно в резервуар.
вверху - такт впуска и удержания нагрузки, внизу - такт выпуска и подъема нагрузки.
Рисунок 1 - Гидравлический домкрат
Реверсивный гидромотор
На рисунках 2 и 3 показан гидравлический насос с механическим приводом и гидравлический реверсивный роторный мотор. Клапан направления потока (реверсивный клапан) направляет поток жидкости или к одной или к другой стороне гидромотора и обратно в резервуар. Так достигается возможность работы гидравлического мотора с разным направлением вращения (реверсивность) Предохранительный клапан защищает систему от избыточного давления и может создать обход выхода потока жидкости из насоса обратно в резервуар, если давление поднимается слишком высоко.
Рисунок 2 - Реверсивный гидромотор
Рисунок 3 - Реверсивный гидромотор (продолжение)
Система с открытым центром
В этой системе, распределительный клапан управления, должен быть открыт в центре, чтобы поток масла, проходил через клапан и возвращался в резервуар. Рисунок 4 показывает эту систему в нейтральном положении. Для того, чтобы одновременно работать с несколькими гидравлическими функциями, система с открытым центром должна иметь правильные соединения, которые обсуждаются ниже. Система с открытым центром эффективна для выполнения отдельных гидравлический функций и имеет ограничения с выполнением множества функций.
Рисунок 4 - Гидравлическая система с открытым центром.
(1) Последовательное соединение. На рисунке 5 изображена система с открытым центром при последовательном соединении гидравлических потребителей/распределителей. Поток масла от насоса направляется к трём распределительным клапанам последовательно. Центр каждого распределителя в нейтральном положении открыт, что бы поток масла свободно перемещался от насоса к резервуару. Направление движение потока масла указано стрелками. Поток из выхода первого клапана направляется на вход второго, и так далее. Когда распределительный клапан работает, входящее масло поступает в цилиндр, который управляется соответственным клапаном-распределителем. Возвращаемая жидкость из цилиндра направляется через возвратный трубопровод и к следующему клапану.
Рисунок 5 - Гидравлическая система с открытым центром и последовательным соединением.
Эта система эффективна только если работает одновременно один клапан-распределитель. Когда это происходит, полный поток масла и давления на выходе из насоса доступны для этой функции. Однако, если более чем один клапан-распределитель работает, общее количество давления и потока, необходимое для каждой функции не может превышать параметр сброса системы (установки клапана сброса).
2) Последовательно-параллельное соединение. Рисунок 6 показывает изменение по сравнению с последовательным соединении. Масло из насоса направляется через распределительные клапаны последовательно, а также параллельно. Клапаны иногда "нагромождают", чтобы обеспечить дополнительные проход потока. В нейтральном положении, жидкость проходит через клапаны последовательно, как стрелки указывают. Тем не менее, когда какой - либо клапан-распределитель срабатывает, выпуск на работающем клапане закрывается, но поток масла становится доступен для всех других клапанов через параллельное соединение.
Рисунок 6 - Гидравлическая система с открытым центром и последовательно-параллельным соединением.
Когда два или более клапанов работают одновременно, цилиндр, который нуждается в наименьшем давлении будет работать первым, а затем цилиндр со следующим меньшим давлением и так далее. Эта способность работать с двумя или более клапанами одновременно является преимуществом по сравнению с последовательным соединением.
(3) Делитель потока. Рисунок 7 показывает систему с открытым центром и делителем потока. Делитель потока получает объем масла из насоса и делит его между двумя функциями. Например, делитель потока может быть установлен, чтобы открыть левую сторону первой в этом случае, если оба управляющих клапана были одновременно приведены в действие. Или он может разделить поток масла на обе стороны, в равной степени или в разном процентном отношении. Для такой системы с делителем потока, насос должен быть достаточно производительным, чтобы управлять всеми функциями одновременно. Он также должен питать жидкостью при максимальном давлении самую главную из гидравлических функций. А это означает, что большое количество лошадиных растрачиваются при работе только одного управляющего клапана.
Рисунок 7 - Гидравлическая система с открытым центром и делителем потока.
Система с закрытым центром
В этой системе, насос может бездействовать (находиться в режиме ожидания), когда масло не требуется для работы функции. Это означает, что управляющий клапан (распределитель) закрыт в центре, останавливая поток масла из насоса. Рисунок 8 показывает схематично гидравлическую систему с закрытым центром во время работы гидравлической функции. Для того, чтобы работали одновременно несколько функций, гидравлическая система с закрытым центром имеет следующие соединения:
Рисунок 8 - Гидравлическая система с закрытым центром.
(1) Насос с постоянной подачей и аккумулятором. На рисунке 9 показана гидравлическая система с закрытым центром и аккумулятором. В этой системе имеется небольшой насос, но в постоянном объеме заряжает аккумулятор. Когда аккумулятор заряжается до полного давления, разгрузочный клапан отклоняет поток насоса обратно в резервуар. Обратный клапан удерживает масло под давлением в контуре.
Рисунок 9 - Гидравлическая система с закрытым центром и аккумулятором.
Когда управляющий клапан работает, аккумулятор разряжает свою масло под давлением и приводит в движение цилиндр. Поскольку давление начинает падать, разгрузочный клапан открывается и направляет поток насоса в аккумулятор для подзарядки потока. Эта система, используя небольшого объёма насос, эффективна в случаях когда масло требуется только в течение короткого промежутка времени. Тем не менее, когда для работы гидравлической функции нужно много масла в течение более длительных периодов, система с аккумулятором может не справиться с этим, если аккумулятор не очень велик.
(2) Насос с изменяемым расходом . Рисунок 10 показывает гидравлическую систему с закрытым центром и насосом переменного расхода при нейтральном положении управляющего клапана. Когда управляющий клапан в нейтральном положении (центр закрыт), масло закачивается, пока давление не поднимается до заданного уровня. Клапан регулирования давления позволяет насосу отключить самого себя и поддерживать это давление в клапане. Насос находится в режиме ожидания(stand by) Расход масла насосом близок к нулю (восполняются собственные утечки в насосе), давление равно установкам клапана давления ожидания насоса.
Когда распределительный клапан срабатывает (перемещается вверх), масло отводится от насоса к нижней части полости цилиндра. Падение давления, вызванное сообщением линии давления насоса и нижней полости цилиндра, приводит насос из режима ожидания в рабочий режим, чтобы создать поток масла и давление на дно поршня, для подъема груза.
Рисунок 10 - Гидравлическая система с закрытым центром и насосом переменного расхода.
В это время, верхняя полость цилиндра соединяется с возвратной линией, что позволяет маслу выталкиваться из поршня, чтобы возвращаться в резервуар или в насос. Когда управляющий клапан возвращается в нейтральное положение, то масло становится запертым по обе стороны цилиндра, а поступление давления от насоса к гидроцилиндру наглухо перекрыто. После этой последовательности, насос снова переходит в режим ожидания. Перемещение золотника в нижнее положение направляет масло к верхней части полости поршня и приводит к перемещению груза вниз. Масло из нижней части поршня направляется в обратную линию в резервуар.
Рисунок 11 показывает ту же систему с закрытым центром, но с подкачивающим насосом (насос зарядки), который перекачивает масло из резервуара в насос переменного расхода. Во время работы насоса подпитки создаётся необходимое давление для основного насоса и необходимое количество масла для него. Всё это делает работу насоса переменного расхода более эффективным. Возврат масла из работающих гидравлических функций всей гидросистемы, направляется непосредственно к входному отверстию насоса с переменным расходом.
Рисунок 11 - Гидравлическая система с закрытым центром и подкачивающим насосом.
Поскольку современным машинам нужно больше гидравлической мощности, гидравлическая система с закрытым центром является более выгодной. Например, на тракторе, масло может потребоваться для усилителя руля, усилителя тормозов, рабочих цилиндров, трех-точечной навески, погрузчика и другого навесного оборудования. В большинстве случаев, каждая функция требует различное количество масла. В системах с закрытым центром, количество масла для каждой функции можно задавать с помощью линии или размера клапана или путем дросселирования с меньшим количеством внутренней генерации тепла по сравнению с применением делителей потоков в сопоставимой системе с открытым центром. Другими преимуществами системы с закрытым центром является:
- Не требует разгрузочных клапанов, так как насос просто выключается сам по себе при достижении давления в режиме ожидания. Это предотвращает накопление тепла в, по сравнению в системах где часто достигается давления сброса.
- Имеет линии, клапаны и цилиндры, которые могут быть адаптированы к требованиям потока каждой функции.
- Запас потока масла для полной работы и скорости гидравлической системы, доступен при низких оборотах двигателя в минуту (об/мин). Больше функций могут быть задействованы одновременно.
Большая эффективность работы в некоторых случаях. Например, гидравлические функции, такие как тормоза, которые требуют силы, но очень малого движения поршня. Удерживая клапан открытым, в режиме ожидания давление постоянно воздействует на тормозной поршень без потери эффективности, так как насос возвращается в режим ожидания.
Как работает гидравлическая система. В системе присутствуют 4 базовых элемента и множество других элементов, предназначенных для определенных целей. Вот описание этих 4 базовых элементов.
- Резервуар для жидкости. Это бак или другой сосуд, в котором содержится жидкость, питающая систему.
- Жидкостный контур. Это трубы, по которым жидкость проходит из одного элемента системы в другой.
- Гидравлический насос. Это устройство прокачивает жидкость через контур, создавая энергию для производства работы.
- Гидравлический мотор или цилиндр. Этот элемент производит "движение", получая энергию от насоса.
- Вспомогательный элементы, управляющие или регулирующие жидкостью, такие, как клапаны, удаляющие излишнюю жидкость, регуляторы, аккумуляторы, переключатели давления, измерители давления.
Определите тип источника энергии, нужный для вашей системы. Это может быть электромотор, двигатель внутреннего сгорания, энергия пара, ветра или воды. Самым главным условием является доступность и способность создавать достаточный крутящий момент.
Изучите простые, повседневные гидравлические системы, чтобы лучше понять принцип. Гидроподъемник позволяет обычному человеку поднять более 20 тонн. Гидроусилитель руля в автомобиле снижает количество необходимой силы для поворота руля, а гидравлический дровокол позволяет расколоть самое твердое дерево.
Создайте план своей гидравлической системы, используя необходимые параметры. Определите, какой источник энергии вы собираетесь использовать для создания давления, а также тип контрольных клапанов, тип насоса и труб. Вам необходимо выбрать способ доставки энергии, чтобы выполнить задачу, ради которой вы создаете гидравлическую систему, например, чтобы поднять тяжелый груз или расколоть дерево.
Определите количество работы, которое должна выполнять система, чтобы правильно попдобрать размеры компонентов. Системе с большой вместительностью понадобится насос большого объема. Объем вычисляется в литрах в минуту, а давление - в килограммах на квадратный сантиметро. Все это также относится к гидравлическому мотору или цилиндру, который будет приводить устройство в движение. Например, цилиндр, используемый в погрузчиках. Он требует "X" литров масла под давлением "Y", чтобы поднять"___" килограммов на"___" метров.
Выберите подходящий резервуар для жидкости. Подойдет стальной или пластиковый бак с герметичными зажимами для шлангов. Помните, что бак не находится под давлением во время работы системы, однако вам понадобится клапан на случай, если излишняя жидкость пойдет обратно в бак.
Выберите подходящий материал для создания контура. Укрепленные резиновые шланги с О-образными уплотнителями будут самым простым решением, но высокопрочные стальные трубы намного прочнее и требуют меньше ремонта.
Выберите подходящую клапанную систему. Простой жидкостный клапан, подходящий для давления в вашей системе, вполне сойдет в качестве контрольного клапана, но для более сложных действий понадобится золотник, позволяющий контролировать нестационарный поток, а также менять направление потока в системе.
Выберите тип и вместимость насоса. Существует два вида гидравлических насосов. Первый - "Генератор" - проталкивающий жидкость через две и более сцепленные шестерни в герметичном кожухе. Второй - "роликовый" - использующий несколько цилиндрических роликов вокруг камеры в герметичном кожухе. Каждый имеет свои преимущества и недостатки, поэтому выбирайте наиболее подходящий.
Подключите к насосу подходящий мотор. Насосы могут работать от прямого привода, через понижающую передачу, цепь, ремни и звездочку. Выбор зависит от предназначения устройства.