Системы управления (регулирования) объёмного гидропривода.

W

Рис.79. Схема гидропривода с управлением скоростью (с дросселем на входе в гидродвигатель).

В современных гидроприводах, особенно в следящих приводах, применяют систему регулирования скорости с дросселями на входе и выходе гидродвига­теля.

W = { μ S_др / S} ● { (2 / ρ)(P_H – F_H/S)}^1/2 (151)

4

2

5 3

Рис. 80. Гидропривод с регулируемым насосом.

На рис. 80 приведена принципиальная схема гидропривода поступа­тельного движения с замкнутой циркуляцией, в котором регулирование скоро­сти движения штока гидроцилиндра 1 осуществляется за счет изменения по­дачи насоса 4.

Изменение направления движения выходного звена гидропривода осуще­ствляется благодаря реверсированию потока рабочей жидкости, подаваемой насосом (реверс подачи насоса). При этом необходимо вначале уменьшить по­дачу насоса до нуля, а затем увеличить ее, но в противоположном направле­нии. Напорная и сливная гидролинии меняются местами. Для компенсации утечек жидкости в гидроприводе с замкнутой циркуляцией, а также для исключения возможности кавитации на входе в насос используется вспомога­тельный насос 3.

При таком способе регулирования скорости усилие, развиваемое выход­ным звеном гидропривода, не зависит от скорости движения. В этом случае диапазон регулирования определяется объемным КПД гидропривода, а также максимальной подачей насоса, определяемой его рабочим объемом.

Такая система объемного регулирования скорости получила наибо­льшее распространение в гидроприводах дорожно-строительных, сельскохо­зяйственных и подъемно-транспортных машин.

Промышленностью серийно выпускается несколько типов гидроприводов с регулированием скорости за счет изменения рабочего объема насоса.

Регулирование путем изменения рабочего объема гидро­двигателя применяется только в гидроприводах вращательного движения, где в качестве гидродвигателя используется регулируемый гидромотор. В этом случае регулирование происходит при постоянной мощности, так как уменьшение рабочего объема гидродвигателя увеличивает скорость выходного звена гидропривода и соответственно уменьшает крутящий момент, развиваемый на выходном звене.

Рис. 81. Гидропривод с регулируемым гидромотором

Такой способ по­зволяет получить большой диапазон регулирования, он обладает всеми досто­инствами и недостатками рассмотренных выше схем машинного управления.

Гидропривод с машинно-дроссельным управлением. Машинно-дроссель­ный способ управления заключается в том, что в систему дроссельного ре­гулирования с постоянным давлением устанавливается регулируемый насос и давление поддерживается постоянным не за счет слива части рабочей жидко­сти через переливной клапан, а за счет изменения подачи насоса. В такой си­стеме регулирования отсутствуют потери в переливном клапане.

На рис.82 представлена схема гидропривода поступательного движе­ния с машинно-дроссельным управлением скоростью. Постоянное давление р_Н поддерживается путем совместной работы регулятора 1 и аксиально-порш­невого регулируемого насоса 2. Изменение давленияр_H приводит к измене­нию положения поршня регулятора 1 и связанного с ним наклонного диска насоса 2. Изменение положения диска приводит к изменению подачи насоса Q. Поэтому в такой системе подача насоса всегда равна расходу через гидродви­гатель и дроссель при p_H = const.

W

1 F_Н

Р_Н

 

2

Рис. 82. Гидропривод с машинно-дроссельным управ­лением скоростью.

Сравнительную оценку различных систем регулирования скорости гидро­приводов целесообразно проводить по двум показателям: нагрузочной харак­теристике привода w= f(F_Н) и КПД системы регулирования.

Сравнение характеристик показывает, что гидропривод с ма­шинным управлением имеет самую стабильную характеристику скорости во всем диапазоне изменения нагрузок и самый высокий КПД системы регули­рования во всем диапазоне регулирования скорости.

Однако стоимость регулируемых гидромашин выше, чем нерегулируемых, и поэтому только в гидроприводах большой мощности ( Р>10 кВт), где выи­грыш в энергетике компенсирует увеличение стоимости, целесообразно исполь­зовать систему машинного управления. В приводах же небольшой мощно­сти рационально использовать системы дроссельного управления, обеспечив при этом стабильность скорости при изменении нагрузки.

Общие сведения о гидролиниях.

Гидравлической линией называют устройство, предназначенное для прохождения рабочей жидкости от одного элемента к другому в процессе работы гидропривода. По назначению гидролинии под­разделяют на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и линии управления. По всасывающим линиям рабочая жидкость движется к самовсасывающим насосам; по напорным линиям — под давлением от насоса, гидроаккумулятора или гидромагистрали; по сливным линиям — в гидробаки; по дренажным линиям отво­дятся утечки рабочей жидкости; по линиям управления жидкость движется к устройствам для управления ими. В качестве собира­тельного назначения для гидролиний можно применять термин гидросеть.

Конструктивно гидролинии представляют собой трубопро­воды, рукава, каналы и соединения.

Трубопроводы — сборочные единицы, состоящие из металли­ческих труб и присоединительной арматуры, например: труба с развальцованными концами, ниппелями и накидными гайками; труба с фланцами, приваренными к ее концам, и т. д.

В объемных гидроприводах с высоким давлением рабочей жидкости (40 МПа и выше) для трубопроводов в основном применяют стальные бесшовные трубы следующих разновидностей: трубы из углеродистой и легированной стали (сталь 20, 20X и т. д.) и трубы из коррозионно-стойкой стали (12Х18Н10Т и т. д.). Медные трубы применяются при давлениях до 10—16 МПа.

К трубопроводам гидроприводов предъявляют следующие основные технические требования:

· трубопроводы должны быть испытаны на прочность под давлением не меньше 1,5Р_ном и на герметичность под давлением не меньше Р_ном;

· на наружных и внутренних поверхностях трубопроводов не допускаются цара­пины, вмятины и забоины;

· перед монтажом трубопроводы должны быть очищены и промыты по технологии заводов-изготовителей;

· минимальные радиусы гибки труб R (до оси трубы) должны быть более 2,5D для труб с наружными диаметрами D < < 20 мм и более 3,5D для труб с наружными диаметрами D > > 20 мм.

Гибка труб с напол­нителем позволяет получить форму сечения трубы в месте гиба без значительных искажений, влияющих на прочность трубы. В качестве наполнителей можно применять воду с охлажде­нием до —70 °С, специальные эластичные гибкие металлические оправки, дробь и пр. Не допускается применять песок, так как его очень трудно удалить с внутренней поверхности трубы, даже если труба после гибки будет подвергнута травлению. Для облег­чения гибки медных труб их подвергают отжигу (нагрев до 750— 800°С с последующим быстрым охлаждением в воде). Готовые трубы подвергают испытаниям на статическое и динамическое нагружение. При статическом нагружении давлением рабочей жидкости труба не должна терять герметичность, не должна иметь остаточных деформаций. Несколько труб из изготовленной партии проверяют на разрушающее давление. Динамическое нагружение производят на трубах, работающих при пульсационных изменениях давления рабочей жидкости.

Рукава (металотканеворезиновые трубопроводы) применяют в гидроприводах для соединения гидро­устройств, элементы которых имеют значительные относительные перемещения. Рукава должны быть прочными, герметичными и долговечными. Радиус изгиба рукавов должен быть не менее (12—18) d_B (d_B — внутренний диаметр рукава). Перед монтажом рукава должны быть промыты по технологии завода — изгото­вителя.

При расчетах трубопроводов и рукавов определяют условные проходы и проверяют прочность.

Под условным проходом понимают внутрен­ний диаметр канала, трубы или рукава, округленный до ближай­шего значения из установленного ряда.

Условный проход D_у, определяют по формуле:

D_у = (4Q / π W)^1/2 (152)

где Q — расход рабочей жидкости, м³/с, W— скорость потока жидкости, м/с.

На основании практики установлены следу­ющие оптимальные значения скоростей потока рабочей жидкости: для напорных гидролиний 5—10 м/с; для сливных гидролиний 2—2,5 м/с; для всасывающих гидролиний 0,5—1,5 м/с.

Расчет труб на прочность сводится к определению толщины стенок. Толщину стенки δ, м, тонкостенных труб определяют по фор­муле: d = p_max (D + m) /2 σ_доп (153)

где р_max — максимальное давление жидкости, Па; D — наружный диаметр трубы м; m — допустимое отклонение диаметра, м; σ_доп — допустимое напряжение материала трубы, Па.

Значения m принимают по стандартам на сортаменты труб. Допускаемые напряжения δ_доп для материалов определяют по формуле: σ_доп = σ_в / п_в (154)

где σ_в — предел прочности материала трубы, Па; п_в — коэффи­циент запаса прочности по пределу прочности (п_в = 3 ... 6).

Предел прочности для медных труб σ_в = 210 МПа, для труб из стали 20Х σ_в= 436 МПа, из стали 12Х18Н10Т σ_в = 549 МПа.

Для гнутых труб σ_в следует уменьшать на 25% в связи с тем, что при гибке труб изменяется цилиндрическая форма сечения трубы. Допустимое искажение формы сечения трубы оговаривается в нормативно-технических документах.

Пример. Определить условный проход сливной линии при расходе жидкости Q = 6.3 дм³/сек,. Скорость W жидкости в сливной линии принимаем равной 2,0 м/с, тогда по формуле (173) определяем:

D_у = 1,13 ( Q/w )^1/2 = 1,13(6.3•10^-3 / 2 )^1/2 = 0,063 м = 63 мм.

Выбираем из ГОСТ 16516—70 условный проход 60 мм и определяем скорость жидкости в этом трубопроводе: W = 4Q /πd²_в = ( 6.3•10^-3 •4 ) / ( π•36•10^-4 ) = 2,23 м/сек

Пример. Определить толщину стенки трубы диаметром = 25 мм из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т. Максимальное давление рабочей жидкости 32 МПа.

Для стали 12Х18Н10Т σ_в = 549 МПа, Выбираем запас прочности n_в =3. Допускаемое напряжение: σ_доп = 549/3 = 183 МПа.

Отклонение по диаметру т=+0,45 мм (ГОСТ 9941—72). Толщина стенки: δ = р( +т) /2σ_доп =

= ( 32•10 ⁶ • 25,45•10^-3 ) /(2•183•10⁶ ) =2,2•10^-3м = 2,2мм. Выбираем толщину δ= 2,5 мм.

Рабочие жидкости гидроприводов.

Функции рабочей жидкости в объемных гидроприводах многосторонни.

Рабочая жидкость в гидроприводе является смазочной средой. Она осуществляет смазку трущихся поверхностей деталей гидро­машин и других гидравлических устройств, поэтому в объемных гидроприводах нет каких-либо специальных смазочных систем.

Рабочая жидкость в гидроприводе является теплоносителем: она переносит теплоту от нагретых частей к холодным.

Рабочая жидкость в гидроприводе является промывочной средой; при движении она уносят с собой продукты изнашивания и прочие загрязнения.

Рабочая жидкость в гидроприводе является одним из средств консервации: защищает поверхности полостей гидромашин и дру­гих гидравлических устройств от коррозии.

Перечисленные функции рабочей жидкости играют важную роль в обеспечений функционирования гидропривода, а также его надежности.

Условия эксплуатации рабочей жидкости, применяемой в гидроприводах, могут быть весьма сложными. На состояние рабочей жидкости прежде всего влияет широкий диапазон рабочих темпе­ратур, а также наличие больших скоростей потока и высоких давлений. Так, температура рабочей жидкости в некоторых гидроприводах может колебаться от - 60 до 90°С и более, а ско­рости потока жидкости при дросселировании достигают 50 м/с и более. Давление жидкости в современных гидроприводах дости­гает 32 МПа (320 кгс/см²) и выше. Необходимо также учитывать, что рабочая жидкость находится в постоянном контакте с дета­лями, изготовленными из различных конструктивных материалов.

Все многообразие применяемых в гидроприводах рабочих жидкостей можно разделить на две группы: на минеральной (неф­тяной) и синтетической основах. Рабочие жидкости на нефтяной основе имеют сравнительно низкую верхнюю границу температур­ного диапазона и содержат различные антиокислительные и анти­коррозионные присадки. Синтетические рабочие жидкости обла­дают высокотемпературными свойствами, негорючи. Один из основных недостатков синтетических жидкостей - высокая стои­мость, поэтому их применяют крайне редко, при необходимости обеспечить пожаробезопасную работу гидропривода при высо­ких температурах (до 350 °С).

В табл. 8 приведены характеристики основных рабочих жидкостей, применяемых в гидроприводах.

Существенное значение при выборе рабочей жидкости имеют вязкость, сжимаемость, температуры вспышки и застывания.

Вязкость рабочей жидкости зависит от температуры и давле­ния. Уменьшение вязкости рабочей жидкости увеличивает утечки в гидромашине, что ухудшает ее параметры. Для обеспечения работы гидропривода с большими скоростями при низких давле­ниях следует выбирать рабочую жидкость с меньшей вязкостью, так как вязкостные потери напора при больших скоростях потока значительны. При работе на больших давлениях — 32 МПа сле­дует выбирать рабочую жидкость с большой вязкостью. Обычно вязкость ограничивает диапазон рабочих температур гидро­привода.

Следствием сжимаемости рабочей жидкости является снижение быстродействия гидропривода. Сжимаемость жидкости следует учитывать при давлениях более 10 МПа, в диапазоне давлений от 0,1 до 10 МПа можно считать жидкость несжимаемой.

Температура вспышки - температура, при которой пары масла, нагреваемого в открытом или закрытом тигле, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. За температуру вспышки в открытом тигле при­нимают температуру появления первого синего пламени над частью или всей поверхностью испытуемой рабочей жидкости. Температура вспышки является показателем, позволяющим судить о пожарной безопасности.

Характеристики рабочих жидкостей. Таблица 8.

Маловязкие жидкости часто характеризуются более низкой температурой вспышки, определенной в закрытом тигле, вследствие содержания легколетучих продуктов распада, которые в открытом тигле рассеиваются раньше, чем их окажется достаточно для вспышки. Температура вспышки в условиях хранения в резервуарах обычно несколько ниже температуры (до 10˚С), определяемой стандартными методами, и зависит от объема резервуара и уровня жидкости. Таким образом, максимальная температура нагрева рабочей жидкости на нефтяной основе при работе системы должна быть на 10 – 15 ˚С ниже температуры вспышки в открытом тигле.

Температура застывания – температура, при которой масло загустевает настолько, что при наклоне пробирки на 45˚ его уровень в течение 1 минуты остается неизменным. Температура застывания масла должна быть на 10 - 17˚ ниже наименьшей температуры эксплуатации гидропривода.

Таким образом, к рабочей жидкости гидропривода предъявляют следующие требования:

· хорошие смазывающие свойства;

· минимальная зависимость вязкости от температуры в требуемом диапазоне температур;

· высокая температура вспышки (пожаробезопасность) и низкая температура замерзания;

· стабильность свойств при эксплуатации; высокая устойчивость к механическому разрушению сложных соединений жидкости (диструкции) при дросселировании, окислению при работе, поглощению влаги из воздуха;

· длительный срок службы;

· хорошая теплопроводность и малый коэффициент теплового расширения;

· высокие моющие свойства (вынос продуктов износа и других загрязнений);

· инертность по отношению к применяемым материалам и защите их от коррозии;

· отсутствие механических примесей, воды и загрязняющих частиц;

· низкая стоимость и недифицитность.

ГОСТ 17216 устанавливает 19 классов чистоты жидкости 00, 0, 1, 2, 3, … 17 (наиме-ньший класс чистоты соответствует наиболее чистой жидкости). Весь диапазон размеров загрязняющих частиц от 0,5 до 200 мкм разбит на восемь интервалов, указано максимальное число частиц загрязнений определенных размеров в объеме жидкости 100 см³. Масса загряз-нений, указанная для классов 6-12, не является обязательным контрольным параметром.

Частицами загрязнений считаются все посторонние частицы, включая смолообразование и органические частицы. Частицы загрязнений размером более 200 мкм (не считая волокон) в жидкости не допускаются. Волокнами считаются частицы толщиной не более 30 мкм при отношении длины к толщине не менее 10: 1.

Наиболее простой метод определения степени загрязненности жидкости – гравиметрический анализ, заключающийся в определении массы загрязняющих частиц в заданном объеме жидкости.

Класс чистоты рабочей жидкости определяют также по гранулометрическому составу загрязнений. Сущность этого метода заключается в следующем. Оператор с помощью пробоотборника производит отбор рабочей жидкости (100 см³) из гидросистемы во время работы гидропривода. В процессе отбора жидкость пропускают через фильтр, размещенный в пробоотборнике. Затем оператор вынимает фильтр из пробоотборника, высушивает его и производит измерения и подсчет загрязняющих частиц с помощью микроскопа с увеличением ×200.