Рабочие жидкости объемных гидроприводов

Рабочая жидкость, использующаяся в гидроприводе, прежде всего является энергоносителем, или рабочим телом, т.е. обеспечивает передачу механической энергии от насоса к гидродвигателю.

Кроме того, рабочая жидкость выполняет и другие важные функции: обеспечивает смазывание трущихся поверхностей деталей, отводит теплоту от элементов гидравлических устройств, уносит продукты износа и другие частицы загрязнения, защищает детали гидравлических устройств от коррозии.

Перечисленные функции рабочей жидкости играют важную роль в обеспечении работоспособности гидропривода, его надежности и увеличения срока службы гидравлических устройств, поэтому при эксплуатации гидропривода необходимо обеспечить постоянство ее рабочих свойств. На эти свойства влияют диапазон рабочих температур, наличие примесей, скорость движения, давление и т.д. Например, температура рабочей жидкости в гидроприводах может колебаться от – 60 до +90°С, скорость жидкости при дросселировании достигает 50 м/с, а давление – 32 МПа и более.

Рабочие жидкости, применяемые в гидроприводах, подразделяют на четыре типа: нефтяные, синтетические, водополимерные и эмульсионные.

Нефтяные жидкости получают из нефти обычными методами переработки. Они имеют сравнительно низкую верхнюю границу температурного диапазона. Наиболее часто в гидроприводах применяют следующие нефтяные рабочие жидкости (ГОСТ 26191 – 84): масло гидравлическое единое МГЕ – 10А; авиационное гидравлическое масло АМГ- 10; всесезонное гидравлическое масло ВМГЗ и др.

Синтетические жидкости – это жидкости, основу которых составляют продукты, полученные в результате химических реакций (диэфиры, силоксаны, фосфаты и др.). Как правило, они негорючие, стойки к окислению, имеют низкую температуру застывания, обладают стабильностью вязкостных характеристик в течение длительного срока работы и в широком диапазоне температур. Однако каждая из синтетических жидкостей имеет тот или иной недостаток (несовместимость с резиновыми уплотнителями, высокая текучесть, плохая смазывающая способность, токсичность и т.д.).

Водополимерные растворы – рабочие жидкости, представляющие собой водный раствор различных полимеров (содержат до 35 % воды). Так, жидкость ПГВ (ГОСТ 25821 – 83) представляет собой водный раствор глицерина и полиэтиленгликоля с различными присадками. Жидкость ПГВ относится к негорючим жидкостям. Она нетоксична, инертна к большинству конструкционных материалов (в том числе, к резиновым уплотнителям).

Эмульсионные рабочие жидкости разделяют на водомасляные и масловодяные. Водомасляные эмульсии – это эмульсии типа «масло в воде», представляющие собой смеси воды и нефтяных жидкостей (не более 20 %). Их применяют в гидроприводах, работающих в пожароопасной обстановке и в условиях необходимости использования большого количества рабочей жидкости. Недостатки водомасляной эмульсии: плохая смазывающая способность, малый диапазон рабочих температур (от 5 до 55 °С). Масловодяные эмульсии – это эмульсии типа «вода в масле», представляющие собой смеси нефтяных жидкостей и воды (не более 40 %).

Рабочие жидкости, применяемые в гидроприводах, характеризуются многими эксплуатационными свойствами и показателями. Эти свойства рабочих жидкостей неравноценны, поэтому при вы – боре необходимо обращать внимание на наиболее важные из них. К ним в первую очередь относятся вязкость, температура вспышки, температура застывания и окисляемость.

Вязкость рабочей жидкости зависят от ее температуры (см. подразд. 1.3.2). При использовании рабочей жидкости с малой вязкостью увеличиваются внешние и внутренние утечка в гидромашинах и других гидравлических устройствах, ухудшается смазывающая способность. В то же время, чем больше вязкость у выбранной жидкости, тем больше потери давления в трубопроводах.

Температурой вспышки называется минимальная температура, при которой происходит кратковременное воспламенение паров жидкости от пламени в условиях испытания (в открытом тигле). Температура вспышки является показателем, характеризующим пожаро- и взрывоопасность смеси паров жидкости с воздухом. Маловязкие жидкости обычно имеют более низкую температуру вспышки. Максимальная температура нагрева рабочей жидкости при работе гидропривода должна быть на 10…15°С ниже температуры вспышки.

Температурой застывания называется температура, при которой рабочая жидкость теряет подвижность. Температуру застывания определяют по ГОСТ 20287 – 74. для нефтяной рабочей жидкости она должна быть на 10…17°С ниже наименьшей температуры гидропривода при его работе.

Окисляемость рабочей жидкости характеризуется кислотным числом, под которым понимается количество гидрата оксида калия (КОН) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации 1 г жидкости (например, кислотное число КОН жидкости АМГ-10 должно быть не более 0,05).

Гидролинии

Гидролиниями называются трубопроводы, необходимые для объединения отдельных элементов объемного гидропривода в единую гидросистему. В гидроприводе различают следующие типы гидролиний:

всасывающая – это гидролиния, по которой жидкость движется к насосу;

напорная – это гидролиния, по которой жидкость движется под давлением (от насоса или гидроаккумулятора);

сливная – это гидролиния, по которой рабочая жидкость сливается в бак;

управления – это гидролиния, по которой жидкость движется к устройствам управления и регулирования;

дренажная – это гидролиния, предназначенная для отвода утечек жидкости от гидравлических устройств в бак.

Гидролинии выполняют либо в виде трубопровода, соединяющего агрегаты и устройства гидропривода, либо в виде каналов, полученных сверлением, литьем или штамповкой в корпусе агрегата (устройства).

Под расчетом гидролиний на этапе проектирования гидропривода понимается: определение конструктивных размеров проходных сечений трубопроводов или каналов; расчет потерь давления в гидролинии; расчет труб или каналов на прочность.

Для труб и каналов круглого проходного сечения диаметр этого сечения определяется экономически приемлемыми и технологически допустимыми скоростями рабочей жидкости. На основании опыта проектирования гидросистем рекомендуется, чтобы средняя скорость движения рабочей жидкости в гидролинии не превышала следующих значений: для напорной гидролинии – 6 м/с; для всасывающей гидролинии – 1,5 м/с; для сливной гидролинии – 2 м/с; для гидролиний управления – 5 м/с.

Расчетное значение внутреннего диаметра трубы d_p (или канала) определяют исходя из принятого значения средней скорости жидкости:

Где Q – заданный расход рабочей жидкости через трубу или канал. Полученный в результате расчета диаметр d_p используют при окончательном выборе внутреннего диаметра трубы d из стандартного ряда в соответствии с гост 16516 – 80.

Потери давления в гидролиниях на трение по длине и в местных гидравлических сопротивлениях определяют по методам, рассмотренным в гл. 7 с использованием формул, приведенных в гл. 5 и 6.

Расчет труб на прочность сводится к определению толщины δ их стенок при известном максимальном давлении р и допустимом напряжении материала трубы σ _д. Для этого может быть использована формула

Для стальных труб (сталь 20, 35, 40) допустимое напряжение σ _д = 400…500 МПа, для труб из цветных металлов и сплавов

σ _д = 200…250 МПа. При искажении цилиндрической формы трубы (изгиб) ад должно быть снижено на 25 %. Запас прочности при расчете обычно выбирают равным трем.

Если расчетная толщина стенки получилась малой, то, учитывая возможность внешних механических повреждений, ее не следует выбирать менее 0,8…1 мм для цветных металлов и 0,5 мм для сталей.

Трубопроводы, из которых монтируют гидролинии в гидроприводах, по конструкции можно разделить на жесткие и гибкие.

К жестким относятся трубопроводы из стальных бесшовных холоднотянутых труб или труб из цветных металлов – меди или алюминия. Соединение жестких трубопроводов может производиться с помощью специальных деталей, называемых соединительной арматурой.

Пайка (сварка) труб (рис. 14.1, а) в машиностроении применяется редко, только для трубопроводов, не подлежащих демонтажу. При пайке (сварке) труб 1 пользуются переходными втулками 2.

Соединение с развальцовкой (рис. 14.1, б) применяется для труб диаметром до 30…35 мм, изготовленных из цветных металлов или ковкой стали. Трубы 1 соединяются проходником 4 с помощью ниппеля З и накидных гаек 5. Соединение с развальцовкой отличается простотой, но может применяться при давлении не более 30 МПа и имеет ограниченное число возможностей повторного монтажа в силу затвердения материала и порчи развальцованной части трубы.

Соединение по внутреннему конусу (рис. 14.1, в) используется для труб 1 гидросистём с рабочим давлением до 40 МПа при необходимости частого демонтажа гидролиний. Герметичность этого соединения обеспечивается контактом шарового ниппеля 7 с конической поверхностью штуцера б с помощью накидной гайки 5. Типы и размеры арматурьт для соединения по внутреннему конусу указаны в ГОСТ 16039 – 70…16078 – 70.

Соединение с врезающимся кольцом (рис. 14.1, г) используется для труб 1 гидросистем, работающих при высоких давлениях. Это соединение обеспечивает герметичность при давлении до 40 МПа за счет врезания кольца 8из твердой стали в более мягкий Материал трубы 1. При этом накидная гайка 5 навинчивается на штуцер 6.

Типы и размеры арматуры для соединений с врезающимся кольцом приведены в ГОСТ 15763 – 75, ГОСТ 23358 – 78 и др.

Фланцевое соединение трубопроводов (рис. 14.1, д) применяется для стальных труб диаметром свыше 40 мм, причем для низких давлений фланец 9 соединяется с трубой 1 с помощью резьбы, а для высоких – сваркой. Уплотнение фланцев обычно осуществляется с помощью мягких металлических прокладок 10 (медных или алюминиевых) или резиновых колец. Типы фланцев и арматуры для этого соединения указаны в ГОСТ 12815 – 80.

Гибкие трубопроводы применяют для соединения элементов гидропривода, расположенных на подвижных частях машин. При этом возможно перемещение элементов гидропривода относительно друг друга. В качестве гибкого трубопровода в основном используют резинотканевые шланги, называемые рукавами высокого давления (РВД). Рукав имеет внутренний резиновый слой, затем хлопчатобумажный, металлическую оплетку и внешний резиновый слой, предохраняющий рукав от повреждения.

Рукава (ГОСТ 6286 – 73) бывают: с одной оплеткой, рассчитанные на давление до 20 МПа (1 тип); с двойной оплеткой, рассчитанные на давление до 30 МПа (11 тип); с тройной оплеткой, рассчитанные на высокие давления (III тип). для небольших давлений используются также рукава без металлической оплетки.

Соединение гибких рукавов с другими элементами гидросистем производится с помощью присоединительной арматуры. Способы заделки гибких трубопроводов в арматуре, применяемые в машиностроении, показаны на рис. 14.2. На рис. 14.2, а представлен способ зажима шланга с помощью закатки в профильный наконечник

Данный способ применяется при давлении до 16 МПа, обеспечивает надежную герметизацию и допускает большие осевые нагрузки. На рис. 14.2, 6 показан способ заделки шланга при рабочих давлениях до 0,5 МПа. В ряде случаев для увеличения прочности соединения в осевом направлении шланг снаружи зажимают хомутом.

В некоторых гидроприводах применяются быстроразъемные соединения. Такое соединение приведено на рис. 14.2, в. Оно состоит из двух разъемов – штырькового 5 и гнездового 1. В них установлены шарики 2 и 6, а также пружины 7 и 9, упирающиеся в крестовины 8и 10. При соединении парных разъемов шарики соприкасаются и взаимно отжимаются от седел. В результате открываются проходные сечения. Герметичность соединения обеспечивается уплотнительным кольцом 4, а прижим и фиксация разъемов – накидной гайкой 3. При расстыковке шарики 2 и 6 под действием пружин прижимаются к седлам и препятствуют вытеканию рабочей жидкости.

К монтажу трубопроводов с внутренним диаметром d и внешним диаметром d _т предъявляются следующие требования:

не допускаются вмятины на трубах;

радиус изгиба жестких трубопроводов R ≥ (4…2) d _т;

радиус изгиба рукавов должен зависеть от их типа; рекомендуется R ≥ (12…18) d;

крепления труб должны располагаться на расстоянии l ≤ (40…60) d _т друг от друга.

Кроме рассмотренных соединений, в гидроприводах применяются также специальные конструктивные узлы для присоединения трубопроводов к вращающимся деталям.

Гидробаки

Гидробаки (баки) служат для хранения, очистки и охлаждения рабочей жидкости, циркулирующей в гидроприводе. Гидробаки, применяемые в гидроприводах, бывают двух типов: открытые (с атмосферным давлением над жидкостью) и закрытые (с давлением, отличным от атмосферного).

На рис. 14.3 представлена типовая схема открытого гидробака. Корпус 1 бака закрыт крышкой 2, исключающей попадание в гидробак посторонних примесей. Через крышку 2 в бак входят трубы 3 и 5 соответственно сливной и всасывающей гидролиний. для заполнения бака в крышке установлена заливная пробка 4 с дренажным отверстием, обеспечивающим выравнивание давлений внутри и снаружи бака, а также отвод в атмосферу выделяющихся из масла газов и воздуха. для предотвращения попадания в бак пыли дренажное отверстие снабжено воздушным фильтром. В корпусе бака установлены сливные пробки 6 и 7 расположение которых обеспечивает полное опорожнение бака. С этой же целью дно бака имеет уклоны 5…10°.

Для удлинения пути жидкости в баке между сливным и всасывающим патрубками расположена перегородка. Это улучшает удаление из жидкости воздуха и повышает эффективность ее охлаждения. С этой же целью труба 3 сливной гидролинии имеет срез под углом 45°, направленный в сторону стенки. В гидробаке всегда должен быть указатель уровня жидкости, например мерное окно. Основные размеры бака выбираются из следующих условий:

объем бака V = (2…3) Q (Q – подача насоса в минуту);

высота перегородки Н = 0,67 Н_o (Н_o – уровень жидкости в баке);

глубина погружения труб гидролиний h₁≥ (2…3) d (d — диаметр трубы);

срез всасывающей трубы должен находиться от дна на высоте h₂ ≥ 2d.

В большинстве случаев баки имеют сварную конструкцию и изготовляются из листовой стали. В некоторых гидроприводах баки служат станиной для установки насосов и других устройств. Насос следует устанавливать так, чтобы его высота над уровнем жидкости в баке не превышала 700 мм. Заливку жидкости в бак целесообразно производить через сетчатый фильтр. При проектировании бака следует руководствоваться гост 12448 – 80.

Закрытые гидробаки с избыточным давлением применяют в некоторых гидроприводах для обеспечения лучшего заполнения рабочих камер насосов и исключения возникновения кавитации на их входе. Герметичный бак, представляющий собой сварной цилиндр, заполняют воздухом или инертным газом под давлением до 0,2 МПа. В гидросистемах прессов такие баки служат для заполнения рабочих цилиндров жидкостью при холостом ходе машины. Избыточное давление в них достигает 0,8…1,0 МПа.

Гидроаккумуляторы

Гидроаккумулятор – это устройство, предназначенное для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением, для последующего возврата этой энергии в гидросистему.

основным назначением гидроаккумуляторов являются накопление энергии рабочей жидкости в периоды пауз или малого ее потребления и возврат этой накопленной энергии в периоды интенсивной работы. Применение гидроаккумуляторов позволяет использовать насосы с меньшими рабочими объемами. Кроме того, гидроаккумуляторы используются в качестве гасителей колебаний давления.

По способу накопления энергии различают пружинные, пневматические и грузовые гидроаккумуляторы. В машиностроении наибольшее применение получили пружинные и пневматические гидроаккумуляторы.

В пружинных гидроаккумуляторах (рис. 14.4, а) аккумулирование и возврат энергии происходят за счет упругой деформации пружины. Эти гидроаккумуляторы могут накапливать небольшие объемы жидкости при малом давлении, что обусловлено ограниченными возможностями пружин.

В пневматических гидроаккумуляторах (пневмогидроаккумуляторах, рис. 14.4, б) аккумулирование и возврат энергии происходят за счет сжатия и расширения газа. Эти гидроаккумуляторы обладают наибольшей энергоемкостью при малых габаритах и поэтому получили широкое распространение.

По конструкции гидроаккумуляторы делятся на поршневые (см. рис. 14.4, а) и мембранные (с разделителем в виде гибкой диафрагмы, см. рис. 14.4, 6). Поршневые аккумуляторы имеют

недостаток, обусловленный трением поршня о цилиндр. Кроме того, поршневые гидроаккумуляторы достаточно инерционны. Эти недостатки отсутствуют в мембранных аккумуляторах.