Краткий обзор основных типов гидросистем, применяемых в современных мобильных машинах

 

1.1. Виды гидросистем

 

Все возрастающие требования к регулирующим характеристикам, экономичной работе и надежности мобильных машин устанавливают но­вые требования к гидравлическим системам и их основным компонен­там. С одной стороны, они должны удовлетворять экстремальным ра­бочим условиям: гидравлическим ударам, перегрузкам, высоким и низким температурам. С другой стороны, требуется большая точ­ность, приспособляемость и аккуратность три выполнении рабочих процессов.

Гидросистемы, применяемые в современных машинах, их конструкция определяется функциональными особенностями машины, ее рабочими характеристиками и общей стоимостью. В настоящее время находят широкое применение следующие основные виды гидросистем:

- системы с постоянным давлением СПД;

- системы с постоянным расходом СПР;

- системы, чувствительные к нагрузке СЧН.

Отличие одной от другой системы в конструкции и взаимодействии компонентов, через их характеристики управления и возмож­ность выполнять несколько функций одновременно.

Эти системы также отличаются друг от друга экономичностью в работе, зависящей от выполняемых технологических циклов. Для всех трех систем энергозатраты зависят от рабочего процесса, степени использования мощности насоса и взаимодействия между однов­ременно выполняемыми функциями, однако для всех систем характерны неизбежные потери гидравлической энергии, которые наблюдаются при опускании груза.

Виды гидросистем

 

Система постоянного  Система постоянного   Системы, чувствительные
расхода СПР   давления СПД    к нагрузке СЧН

переменное давление Р постоянный расход Q.

постоянное давление Р переменный расход Q.

 

 

Переменное давление Р

 

переменный расход Q

1.2 Гидросистемы постоянного расхода (СПР)

 

К ним относят гидросистемы, в которых расход рабочей жидкос­ти при определенной скорости двигателя является постоянным до тех пор, пока давление адаптировано к данным требованиям. В этих системах (рис. 1) могут быть два различных типа гидрораспределителя:

- с открытым центром в исходной позиции;

- с закрытым центром в исходной позиции.

Они обеспечивают совершенно разные характеристики управления. Системы с открытым центром чаще используются в мобильных ма­шинах. Они достаточно просты и малочувствительны к загрязнениям. Гидравлическая жидкость, которая не поступает к гидродвигателю, подается насосом через открытый центр распределителя в гидробак.

При одновременном подъеме нескольких грузов давление, развиваемое насосом, определяется наибольшей нагрузкой. Поэтому однов­ременно выполняемые функции реализуются примерно при одном и том же требовании к давлению или должны быть распределены между нес­колькими гидравлическими контурами в порядке минимизации их вза­имного влияния. Последнее обеспечивает экономичный режим при ра­боте данной гидросистемы. Система считается экономичной, если мощность насоса используется максимально. В связи с этим очень важно правильно выбрать насос.

Системы с закрытым центром отличаются тем, что рабочая жидкость возвращается в бак через переливной клапан с регулятором. Это означает, что разность давлений между насосом и наибольшей нагрузкой может быть всегда установлена постоянной. Подача жидкости к наиболее нагруженному гидродвигателю не зависит от величины нагрузки.

 

Рабочие характеристики

 

При ручном управлении гидросистем с открытым центром нет линейной между скоростью перемещения нагрузки и положением рукояти управления. На это влияют подача насоса, размеры нагруз­ки, направление ее движения, а также направление движения других исполнительных механизмов при одновременно выполняемых операциях.

Адаптируя золотники к выполняемым функциям и увеличивая среднее давление, можно значительно улучшить характеристики одновременно выполняемых операций. Однако чем больше величина среднего давления, тем ближе данная гидросистема к системе постоянно­го давления.

В гидросистеме постоянного расхода с гидравлическим пропорциональным управлением распределители к тому же компенсированы по давлению, в результате чего регулируемый поток остается посто­янным при определенном положении рукоятки управления и практически не зависит от изменения давления. Это обеспечивает больший ди­апазон регулирования и незначительное взаимное влияние между од­новременно выполняемыми операциями.

Характеристики систем постоянного расхода с закрытым центром в большей степени независимы от подачи насоса. Максимальный расход может регулироваться при выполнении отдельных функций, кото­рые могут быть компенсированы по давлению. И на их исполнение не влияют одновременно выполняемые рабочие операции.

Системы с закрытым центром имеют неплохие характеристики, как и системы, чувствительные к нагрузке, однако с худшими экономическими показателями.

Гидросистемы постоянного расхода с открытым центром используются в мобильных машинах, где требуются несложные гидроагрегаты и умеренные требования к согласованности одновременно выполняемых функций. Обычно эта система недорогая. Система с закрытым центром имеет преимущества при более жестких требованиях, предъявляемых к рабочим характеристикам.

Для широко распространенных гидросистем постоянного расхода характерно использование в качестве источников питания простых и сравнительно недорогих насосов постоянного рабочего, объема. Такие системы экономически выгодны для потребителей, не требующих одновременной работы во взаимозависимых скоростных режимах. Для обеспечения независимой работы нескольких исполнительных механизмов и регулирования их скорости потребители подключаются к раз­личным насосам или же применяются делители потока.

В этом случае проявляются недостатки гидросистем постоянного расхода, связанные с потерями мощности из-за различной загрузки потребителей, определяемой выражением:

где ∆N - потери мощности, кВт;

P_{n max} - давление, определяемое наиболее загруженным

потребителем, МПа;

P_1n - давление, определяемое загрузкой 1-го потребителя, МПа

Q_1n - расход жидкости через 1-потребитель, м³/с.

Очевидно также, что при использовании дроссельных регулято­ров в сочетании с делителями потока (для плавного регулирования скорости) в данных системах имеют место дополнительные потери мощности.

 

1.3. Гидросистемы постоянного давления (СПД)

 

СПД - это гидросистема (рис.2), в которой давление поддерживается постоянным, а подача жидкости может изменяться как угодно. Она проста по конструкции и не имеет сложных узлов. В наиболее простом виде СПД реализуется при использовании насоса постоянного рабочего объема и переливного клапана. Потери мощности в этом случае относительно велики и могут быть рассчитаны:

где Р_к - давление настройки переливного клапана, МПа;

Q_H - подача насоса, м³/с.

 

Потери мощности в данном случае зависят как от недогрузки потребителей по давлению, так и от недоиспользования расхода рабочей жидкости. Указанные причины ограничивают применение систем такого типа только для привода маломощных потребителей (механизм управления коробкой передач, управление тормозами и т.д.).

В современных гидросистемах может использоваться насос с переменной подачей (регулируемый), что позволяет устанавливать постоянное давление. Величина давления определяется суммарной подачей жидкости для одновременно выполняемых функций. Система малочувствительна к потерям давления, так как оно всегда соотносится с ограничением мощности машины.

 

Разгруженные гидросистемы постоянного давления

 

В простых СПД максимальное давление устанавливается постоянным. Это означает, что во время движения небольшие утечки жидкос­ти через золотники могут вызвать самопроизвольное движение выход­ного звена гидродвигателя. Регулируя насос посредством сигнала от распределителя, возможно получить давление разгрузки в состоянии покоя. Насос создает максимальное давление настолько быстро, насколько быстро срабатывает золотник. Эта гидросистема устраняет проблему с самопроизвольным движением выходного звена гидродвигателя. Данная система может работать с разным уровнем давления.

Более низкое давление устанавливается при выполнении таких опера­ций, где умеренные требования, и более высокое - для тяжелонагруженных режимов работы.

 

Рабочие характеристики

 

При использовании удачно выбранных распределителей система постоянного давления имеет неплохие рабочие характеристики и нет взаимовлияния одновременно выполняемых операций. Эта система обычно имеет хорошие антикавитационные характеристики. Это зна­чит, что опускание груза может перейти в движение подъема без какой-либо задержки по времени.

Максимальная скорость выполнения каждой операции определяет­ся конструкцией золотника и величиной давления, определяемой нагрузкой. Обычно распределители (Monsun-Tison) гидравлическим и электрогидравлическим пропорциональным дистанционным управлением имеют компенсацию по давлению.

Если расход жидкости в системе превышает возможность насоса, то постоянный уровень давления установить нельзя.

 

1.4. Гидросистемы, чувствительные к нагрузке (СЧН)

(Load sensing system, LS)

 

В данных гидросистемах и давление, и расход рабочей жидкости регулируются так, как это требуют условия эксплуатации. Гидрораспределитель изменяет подачу насоса согласно поступающему сиг­налу от нагрузки, так что разность давлений между насосом и гидролинией, по которой поступает сигнал нагрузки, остается постоянным. Таким образом, давление, развиваемое насосом, определяется наибольшей нагрузкой. Эта система относится к СЧН (рис. 2).

Гидросистема постоянного расхода с закрытым центром иногда может быть отнесена к СЧН. Однако понятие "чувствительность к нагрузке" (LS) обычно применяется для гидросистем с регулируемым насосом и специальными распределителями, чувствительными к нагрузке.

Данная система более прогрессивна, чем вышерассмотренные, и поэтому предъявляются более высокие требования к технологии изготовления. Сочетание хороших рабочих характеристик и высокой эффективности определяется специальной конструкцией золотников, которые должны сами адаптироваться к соответствующим выполняемым функциям. В СЧН, так же как и СПД, одновременно выполняемые функции будут реализовываться при одном и том же давлении. Для полу­чения более экономичной работы гидросистему, чувствительную к нагрузке, желательно разделить на несколько подсистем. Конструк­ция машины, в которой используется СЧН, должна быть достаточно жесткой, так как постоянно изменяющееся давление может вызвать в ней колебательные процессы.

СЧН могут иметь разные конструктивные особенности. В некото­рых из них сигнал от нагрузки поступает через клапан "ИЛИ" (shuttle valve), в других - через обратные клапаны. Например, в стандартных гидрораспределителях фирмы " Monsun-Tison " имеется специальная система сигнала нагрузки, что позволяет рабочей жид­кости циркулировать в гидролинии сигнала нагрузки (load signal line) без ее отбора из гидродвигателя. Это конструктивное решение позволяет насосу реагировать достаточно быстро при изменении дав­ления, особенно это важно в том случае, когда рабочая жидкость еще холодная.

Используемые регуляторы насоса могут также отличаться друг от друга. Некоторые из них не расходуют рабочую жидкость из кон­тура сигнала нагрузки. Другие имеют специальный дроссель, через который рабочая жидкость поступает в гидробак. В этом случае име­ет место небольшой расход жидкости. Имеются также и другие вари­анты питания гидролинии сигнала нагрузки рабочей жидкости. При оптимальном проектировании СЧН имеет прекрасные рабочие характе­ристики.

 

Чувствительность к нагрузке и компенсация давления

 

Постоянная разность давления, поддерживаемая насосом, означает, что подача рабочей жидкости к наиболее нагруженному гидродвигателю в СЧН всегда происходит с компенсацией давления. Чувс­твительность к нагрузке сама по себе еще не предполагает, что

другие функции также компенсированы по давлению. Возможны два способа компенсации давления:

1. За счет действия сил давления рабочей жидкости и исполь­зования золотника распределителя с гидравлическим пропорциональным управлением. Этот способ обеспечивает простоту и надежность компенсации давления без применения дополнительных устройств как при подъеме, так и при опускании груза.

2. Каждая золотниковая секция имеет компенсатор, который устанавливает постоянный перепад давления на входном сопротивлении (дросселе). Это обеспечивает лучшую компенсацию давления при движении подъема груза и возможность компенсации давления даже при использовании ручного управления распределителем, что, однако.предполагает применение более сложного распределителя.

 

Рабочие характеристики

 

СЧН имеют прекрасные рабочие характеристики, особенно с распределителями, которые компенсированы по давлению. Их эффективность и экономичность в работе значительно лучше, чем у других гидросистем. В гидросистемах СЧН процесс опускания груза может происходить с большим расходом жидкости без увеличения уровня ус­тановленного давления. Это предъявляет высокие требования к антикавитационным характеристикам распределителя. Обычно современные распределители, выпускаемые фирмами Monsun-Tisonm Vickers, Mannesmann Rexroth, имеют встроенные антикавитационные и подпорные клапаны, которые удовлетворяют этим требованиям достаточно хорошо.

 

Применение СЧН

 

Гидросистемы, чувствительные к нагрузке, предпочтительно применять в машинах, где одна фаза рабочего цикла требует большо­го расхода жидкости и умеренного давления, а другая требует высокого давления и небольшой подачи рабочей жидкости. Мощность гидросистемы, зависимая от давления и подачи жидкости, может быть достаточно умеренной, что позволяет использовать источник энергии малой мощности.

Данная гидросистема с компенсацией давления подходит для таких условий эксплуатации, где необходимо выполнять одновременно несколько операций без взаимного влияния.

Гидросистемы, чувствительные к нагрузке, находят широкое применение в горных машинах, харвестерах, дорожных машинах, погрузчиках, экскаваторах, кранах и лесных машинах.

 

 

Очевидная перспективность широкого применения гидросистем типа СЧН (систем, чувствительных к нагрузке) на отечественных мо­бильных машинах дает основание более подробно рассмотреть некото­рые варианты систем подобного типа.

На рис.3 приведена принципиальная схема гидросистемы, чувствительной к нагрузке, выполненная на основе нерегулируемого на­соса. В нейтральном положении гидрораспределителей гидролиния управления отсоединяется от насоса и клапан 2 находится в левой позиции, поддерживая благодаря дросселю минимальный уровень давления, необходимый для управления.

При переводе одного из гидрораспределителей (например, 10) в рабочую позицию к его выходу через обратный клапан подключается торцовая измерительная камера сервоклапана. Если расход жидкости через распределитель меньше заданного, перепад давления на нем недостаточен для удержания сервоклапана в открытом состоянии, Он начинает закрываться, ограничивая расход жидкости через переливной клапан и увеличивая давление в напорной гидролиний насоса до уровня, обеспечивающего движение с необходимой скоростью гидродвигателя, управляемого от гидрораспределителя 10. При этом уста­навливается постоянное (равновесное) состояние между частями по­тока, проходящего через гидрораспределитель и переливной клапан.

При подключении через гидрораспределитель 12 гидродвигателя 11 с большей, чем у гидродвигателя 9 нагрузкой, ранее установивше­еся в гидросистеме давление недостаточно для движения жидкости через гидрораспределитель 12, и на нем поэтому не создается пере­пад давления. Вследствие этого, через обратный клапан торцы измерительной камеры сервоклапана окажутся под давлением, равным дав­лению на выходе насоса. Сервоклапан начнет закрываться, повышая давление в гидросистеме до уровня, необходимого для нормальной работы гидродвигателя 11. В результате на выходе насоса устанавливается давление, соответствующее наиболее нагруженному потреби­телю. Рассмотренная гидросистема является функционально оправдан­ной и достаточно экономичной в случае привода одновременно рабо­тающих неэнергоемких потребителей.