Гидромашин различных типов и их параметрам

 

При разработке полнопоточной ГОТ в первую оче­редь сталкиваются с вопросом, какой тип ГМ, высокомоментных или низкомоментных, следует применить на транспортном средстве и в каком конструк­тивном исполнении. По этому поводу следует отметить следующее.

В современных ГОТ транспортных установок в качестве основных ГМ используются исключительно аксиально-поршневые насосы с наклонным диском и наклонным блоком, с торцевым распре­делением, регулируемые, реверсивные и обратимые. Применение их вызвано тем обстоятельством, что практически только насосы, выполненные по указанным кон­структивно-силовым схемам, могут обеспечить устойчивую и длительную подачу РЖ с высоким давлением при достаточной эффективности.

Общий КПД указанных ГМ при полной мощности достигает 0,85...0,93 (объемный КПД при номинальной вязкости РЖ - 0,95...0,985; механический КПД - 0,93...0,97) в значительном диапазоне изменения своих энергетических параметров. Рабочие объемы - в пределах от 12 до 250 см³/оборот; максимальная частота вращения = 3000...6000 мин ; ресурс (при соблюдении норм фильтрации РЖ) - до 6000...8000 рабочих часов (при номинальных параметрах) с наработкой на отказ 1500...2000 часов. Удельная габаритная мощность достигает 22...37 кВт/дм , удельная мощность - до 2,5 кВт/см³. Удельная масса у нерегулируемых ГМ - до 0,11...0,15 кг/кВт, у регулируемых - до 0,12...0,2 кг/кВт. Время изменения рабочего объема от нуля до максимума (и обратно) - не более 0,1...0,12 с. Скоростной диапазон регулирования гидромоторов достигает 200. В настоящее время только такие параметры основных ГМ (насосов и гидромоторов) позволяют создать ГОТ с вполне приемлемыми выходными показателями, в ряде случаев (в комплексе) конкурентоспособными по общей массе (удельная масса в целом может не превысить 2,7...3,4 кг/кВт) и габаритам с механическими ступенчатыми трансмиссиями. По общему КПД такие ГОТ сопоставимы с разветвленными механическими трансмис­сиями многоприводных машин, превосходя их по удобству и эффективности управления. Указанные ГМ способны нормально работать при кинема­тической вязкости РЖ от 6 до 1500 сСт, что позволяет использовать в ГОТ всесезонные минеральные гидравлические масла с ресурсом (до замены) 2000 рабочих часов (МГЕ-10А, МГЕ-25Т, АМГ-10, ВМГЗ и др.) при температурах окружающей среды ± 50°С.

АПН (аксиально-поршневые насосы) с наклонным блоком цилиндров и шатунной связью поршней с фланцем ведущего вала (рис. 4.2) ранее широко применялись в транспортных гидроприводах и сейчас в некоторых гидросистемах сохраняют свои позиции. Их основные преимущества перед насосами с наклонным диском состоят в следующем:

1. Более высокая допустимая частота вращения приводного вала ввиду зна­чительно меньших радиальных (и осевых) размеров блока цилиндров (с распреде­лителем) и, соответственно, меньшей линейной скорости относительного скольже­ния их опорных поверхностей. Меньшими становятся и гидромеханические потери в распределителе, за счет сокращения периметра утечек в нем.

2. В целом более высокий объемный КПД (до 0,985 при номинальном дав­лении), в основном, за счет лучшей герметичности ГМ (меньшие утечки по периметрам поршней, по сферическим соединениям шатунов, по зеркалу рас­пределителя).

3. Более высокий механический КПД (до 0,97) за счет более широкого ис­пользования подшипников качения и более благоприятного характера воздействия усилий от поршней на фланец ведущего вала.

4. Значительный диапазон силового регулирования за счет большего мак­симального угла наклона блока цилиндров - обычно 25...35° (до 40°) против 15... 18°, максимум 23° - у ГМ с наклонным диском.

5. Меньшие требования к чистоте РЖ и более широкий диа­пазон ее кинематической вязкости (рекомендуемая степень фильтрации 25...40 мкм против 10... 15 мкм для ГМ с наклонным диском).

6. Большая чувствительность изменения подачи по отношению к измене­нию положения регулирующего органа (в основном, ввиду большего объемного КПД).

Рис. 4.2. Аксиально-поршневой насос

с наклонным блоком цилиндров

К настоящему времени сформировался вполне определенный конструктив­ный образ АПГМ (аксиально-поршневой гидромашины) с наклонным блоком цилиндров, способной наиболее эффективно работать в транспортной гидросистеме. В первую очередь, это широкое применение сферических распределителей, устойчивых к вибрациям, толчкам и ударам, как правило, свойственным транспортным машинам. При этом наклонное положение подводящих каналов в торце блока цилиндров уменьшает их радиус расположения и тем самым снижает скорость скольжения в распределителе.

Указанные ГМ не имеют специального карданного привода бло­ка цилиндров и выполняются бескарданными (ведение за счет шатунов). Это суще­ственно уменьшает диаметр расположения осей цилиндров, позволяет сократить их количество до 7, довести толщину перемычки между цилиндрами до 3...5 мм. Бло­ки цилиндров изготовляются, как правило, биметаллическими, с обратной парой трения (стальной поршень в бронзовой гильзе, бронзовый торец блока цилиндров при стальном распределителе). Применяются поворотные люльки уменьшенных размеров с торцевыми гидравлическими уплотнениями.

Практически вышли из употребления ГМ с двойным несиловым карданом (см. рис. 2.1 №23) (для ведения блока цилиндров) как более громоздкие, с меньшей допус­тимой частотой вращения. Редко используются плоские распределители, более чувствительные к резким изменениям режимов работы (возможно «опрокидыва­ние» блока цилиндров). Почти не применяются прямые пары трения (бронзовые поршни и неподвижные распределители).

Недостатками АПГМ с наклонным блоком можно считать их увеличенные габаритные размеры, особенно у реверсивных на­сосов, большую массу, сложность осуществления подвода РЖ к ка­чающейся люльке и уплотнения ее, невозможность осуществить отбор мощности от противоположного торца ведущего вала (отсутствие проходного вала), меньшую долговечность при работе на высоких давлениях (из-за использования подшипни­ков качения), несколько большую стоимость. Эти недостатки в последнее время существенно ограничили применение в ГОТ АПН с на­клонным блоком, хотя в ряде конкретных гидросистем они не настолько сущест­венны и в некоторых случаях комплексом конструктивно-доводочных мероприятий могут быть сведены к минимуму, что и делается некоторыми фирмами-производителями гидромашин («Гидроматик», «Вольво», «Линде»). Так, в послед­ние годы за рубежом получили распространение аксиально-поршневые бескардан­ные ГМ с большим углом наклона блока (до 40°), беспоршневого типа (используется сферический поршень с упругими уплотнительными кольцами, вы­полненный совместно с коническим шатуном, передающим вращение блоку ци­линдров), с существенно меньшими размерами по длине блока цилиндров, с ком­пактным подшипниковым узлом (конические роликоподшипники с большим углом конуса - 40°) (рис. 4.3). Все это заметно уменьшило габариты, массу и стоимость новых ГМ с одновременным повышением их энергетического уровня и удельной мощности.

Рис. 4.3. Аксиально-поршневой гидромотор с большим

углом наклона блока и линзовым распределителем

Для использования указанных ГМ в составе ГОТ мобильных транспортных средств требуется их существенное модифицирование в направлении снижения массы, уменьшения габаритов, форсирования по частоте вращения, обо­рудование гидроусилителями и элементами гидроавтоматики. АПН с наклонным блоком сохраняют перспективы своего дальней­шего развития в указанных направлениях, в том числе по уменьшению габаритов и массы.

Аксиально-плунжерные насосы с наклонным диском и гидростатическими башмаками плунжеров (рис. 4.4) в последние годы интенсивно технически совер­шенствовались и в настоящее время достигли относительно высокого уровня сво­его развития.

 

Рис. 4.4. Аксиально-плунжерный насос с наклонным диском и гидростатическими башмаками

Их отличает жесткая, продуманная конструкция, относительно малые габаритные размеры и рациональные внешние формы, умеренная масса, удобства привода и установки (в том числе и «напроход» - тандемом), способность длитель­но работать при высоком давлении; значительный ресурс, ограничиваемый (при соответствующей очистке рабочей жидкости) только подшипниками качения, про­стота и высокая технологичность изготовления, умеренная стоимость. По ряду важных энергетических параметров аксиально-плунжерные насосы с наклонным диском несколько уступают аксиально-поршневым с наклонным блоком.

Тем не менее, в ГОТ они в настоящее время занимают доминирующее по­ложение, причем не последнюю роль при этом играет экономический фактор. В некоторых гидросистемах, например, авиационных, аксиально-плунжерные гид­ромашины с наклонным диском практически вытеснили все другие типы насосов (за исключением систем с рабочими давлениями до 20 МПа, в которых применяют­ся шестеренчатые насосы).

Аксиально-плунжерные насосы с наклонным диском выпускаются в на­стоящее время, в основном, в двух конструктивных модификациях:

- с цельным самоустанавливающимся («плавающим») блоком цилиндров, опирающимся (в точке равнодействия радиальных сил от плунжеров) на подсференную поверхность приводного вала и связанным с ним шлицевым шарниром (или с опорой на узкие, особым способом фланкированные шлицы);

- с «жестким» блоком цилиндров, выполненным заодно с ведущим валом (или плотно посаженным на него), с плавающим самоустанавливающимся торце­вым распределителем.

У каждой из этих модификаций имеются свои преимущества и недостатки. Вариант ГМ с самоустанавливающимся цельным блоком цилиндров тех­нологически проще и компактнее, имеет более герметичное торцевое распределе­ние. Однако необходимость в весьма мощной пружине для первоначального на­дежного прижима блока цилиндров к плоскому распределителю несколько снижает ее механический КПД (машина «тугая»), что особенно сказывается при работе в режиме гидромотора. Правда, появление аналогичных насосов со сферическим распределителем, обладающим лучшими опорными и центрирующими свойствами (например, насосы «Bosch Rexroth» типа A4VG) позволило уменьшить усилие предварительного прижима и тем самым несколько поднять механический КПД. К отличительным особенностям конструкции насоса типа A4VG следует отнести на­клонное (по образующей конуса) расположение осей цилиндров, что уменьшило размеры распределителя и относительные скорости скольжения в нем, и примене­ние бронзированного блока цилиндров (с приварными гильзами и бронзовым тор­цом), что повысило долговечность работы при повышенных давлениях.

Аксиально-плунжерные ГМ с «жестким» блоком цилиндров и самоустанавливающимся распределителем теоретически позволяют уменьшить диаметр разноски цилиндров и размеры самого блока, повысить жесткость опорно­го вала и долговечность его подшипников (это является лимитирующим для ГМ с отдельным самоустанавливающимся блоком цилиндров и заставляет уве­личивать диаметр приводного вала и соответственно, диаметр блока), увеличить стойкость к внешним воздействиям и гидравлическим ударам, которые в этом слу­чае не вызывают раскрытия распределения. Они больше подходят для использова­ния в ГОТ транспортных машин, однако используются реже ввиду своей большей стоимости. В настоящее время наиболее популярными насосами в ГОТ являются ГМ типа A4VG, получившие при модернизации гарантированный при­жим гидростатических башмаков к наклонному диску с помощью упорного под­шипника, что уменьшило механические потери.

Следует отметить, что указанные насосы в гораздо большей степени при­способлены для установки в качестве основных ГМ в ГОТ транспортных машин, хотя также требуют определенных доработок. К ним относятся введение нульустановителей положения наклонного диска, встроенных гидроусилителей (большинство насосов их имеет), встроенных клапанов вспомогательных систем и систем гидроавтоматики, насосов подпитки, торцевых уплотнений выходных валов (как более надежных), дополнительных отверстий в корпусах для принудительной прокачки РЖ, облегченных и оребренных корпусов из алюминиевых сплавов, укороченных приводных валов со шлицевыми концами, датчиков положе­ния регулирующих органов.

Рациональным и перспективным является создание узкоспециальных транспортных модификаций ОГМ с максимальным учетом и ис­пользованием специфики ГОТ мобильных транспортных средств.

Одним из таких направлений может быть создание аксиально-поршневой шатунной ГМ с наклонным диском и силовым ШРУС (шарниром равных угловых скоростей) синхронным шариковым карданным шарниром (например, типа «Бирфильд»), сочетающей в себе умеренные габариты и массу, характерные для аксиально-плунжерных ГМ с наклонным диском, и высокую эффективность работы, свойственную ГМ с наклонным бло­ком. Несколько возрастающая при этом стоимость и трудоемкость изготовления в ряде случаев вполне могут быть оправданы общим повышением технического уровня и энергетических параметров ГОТ, а использование современной техноло­гии делает решение этой задачи реальной.

С ростом максимального давления рабочей жидкости свыше 42 МПа начи­нают представлять большой интерес ГМ (насосы, гидромоторы) с более сложным и дорогим, но и более эффективном именно при высоких давлениях зо­лотниковым распределением. По сравнению с ГМ, имеющими торце­вое распределение, они более герметичны, менее чувствительны к загрязнению ра­бочей жидкости, хорошо работают в условиях высокого противодавления, не име­ют склонности к износу и задиру распределения даже при работе на повышенных параметрах (давления и частоты вращения).

В качестве гидромоторов в трансмиссиях используются принципиально и конструктивно те же аксиально-поршневые ГМ, что и насосы, учитывая их полную силовую обратимость (кроме насосов с клапанным распределением, в ГОТ практически не применяемых). Однако требования к ним для работы в мотор­ных режимах существенно отличаются от требований насосных режимов. Гидро­моторы должны обладать достаточно высоким механическим КПД - это поднимает очень важный для них показатель - крутящий момент страгивания (он обычно со­ставляет 80...92% от максимального).

В табл. 4.1 и 4.2 в качестве справки приведены параметры аксиально-поршневых гидромоторов, производимых ОАО «Пневмостроймашина» (г. Екатеринбург) и импортных - фирмы «Bosch Rexroth AG» (Германия).

После предварительного выбора конкретного вида и типоразмера гидромото­ра необходимо убедиться, что его максимальная частота вращения при движе­нии автомобиля с максимальной скоростью не превышает значения, установленного производителем для работы гидромотора с минимальным рабочим объемом. Отклонение допускается не более чем на 5% в большую сторону.

Для ОГМ превышение частоты вращения выше допусти­мой влечет за собой резкое уменьшение механического КПД, перегрев и задиры поверхностей трения пары блок цилиндров - распределитель, повышенный износ подшипников и др.

Таблица 4.1

Регулируемые гидромоторы ОАО «Пневмостроймашина»

 

Параметр	Обозначение
303.3.56	303.3.112	303.3.160
	15,8	30,87
Максимальная частота вращения при qм max, мин	3750.
Максимальная частота вращения при qм min, мин
Максимальное рабочее давление Pw max, МПа
Масса, кг

В этом смысле превышение максимального давления, особенно, если оно кратковременное (не более 5 мин), менее болезненно. Большинство современных ОГМ выдерживает достаточно длительные перегрузки по давле­нию, которые ограничиваются не столько возможными деформациями и механиче­скими поломками, сколько перегревом пар трения (повышенное дросселирование утечек и перетечек) и значительным снижением объемного КПД. В ГОТ допускает­ся кратковременное превышение регламентированного максимального давления, но не более чем на 10%.

Давление на входе в гидромотор при максимальной скорости автомобиля и равном распределении крутящих моментов по колесам лежит в пре­делах 8... 10,5 МПа.

Таблица 4.2

Регулируемые гидромоторы A6VM...EP «Bosch Rexroth AG»

 

Параметр/ типоразмер
	54,8
	11,3	16,5	22,1	28,9		41,2	51,5	73,2
Максимальное рабочее давление Pw max, МПа
Максимальная частота вращения при qм max, мин
Максимальная частота вращения при qм min, мин
Масса, кг

 

При выборе гидромоторов следует стремиться к получению максимального значения силового диапазона. Скоростной диапазон регулирования гидромоторов определяет скоро­стной диапазон всей ГОТ и обычно составляет 95... 140 (до 200).