Гидравлические исполнительные механизмы

Гидравлические исполнительные механизмы (ГИМ) являются неотъемлемой и основной конструктивной частью гидравлическо- го привода (гидропривода), включающего помимо ГИМ гидробак, гидронасос, гидрораспределитель и другие устройства. Привод- ным двигателем гидронасоса могут быть электродвигатель, дизель и другие двигатели, поэтому иногда гидропривод называют соот- ветственно электронасосным, дизельнасосным и т.д.

Основное назначение гидропривода – преобразование гидрав- лической энергии в соответствии с требованиями нагрузки (вели- чины статической нагрузки, преобразование вида движения вы- ходного звена ГИМ и др.), а также регулирование, защита от пере- грузок и т.п.

Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объемные. В гидродинамических приводах используется в ос- новном кинетическая энергия потока жидкости. В объемных гид- роприводах используется потенциальная энергия давления рабо- чей жидкости.

Широкое распространение в настоящее время получил объ- емный гидропривод. Под объемным гидроприводом понимается совокупность объемных гидромашин, гидроаппаратуры и других устройств, предназначенных для передачи механической энергии и преобразования движения посредством рабочей жидкости.

Объемной называется гидромашина, рабочий процесс кото- рой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидко- стью и вытеснении ее из рабочей камеры. К объемным машинам относят, например, поршневые насосы, аксиально-поршневые, ра- диально-поршневые, шестеренные гидромашины и др.

Одна из особенностей, отличающая объемный гидропривод от гидродинамического, – высокие значения давления в гидросис- темах. Так, номинальные значения давления в гидросистемах экс- каваторов могут достигать 32 МПа, а в некоторых случаях рабочее давление может быть более 300 МПа. Объемный гидропривод применяется преимущественно в горных и строительно-дорожных машинах.

В зависимости от конструкции и типа входящих в состав гид- ропередачи элементов объемные гидроприводы можно классифи- цировать по следующим признакам.

По характеру движения выходного звена ГИМ:

– гидропривод вращательного движения, когда в качестве гидродвигателя применяется гидромотор, у которого ведомое зве- но (вал или корпус ГИМ) совершает неограниченное вращательное движение;

– гидропривод поступательного движения, у которого в каче- стве ГИМ применяется гидроцилиндр – двигатель с возвратно- поступательным движением ведомого звена (штока поршня, плунжера или корпуса);

– гидропривод поворотного движения, когда в качестве ГИМ применен поворотный гидроцилиндр, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает возвратно-поворотное движение на угол, меньший 360°.

По возможности регулирования:

– нерегулируемый гидропривод, у которого нельзя изменять скорость движения выходного звена ГИМ в процессе эксплуатации;

– регулируемый гидропривод, в котором в процессе его экс- плуатации скорость выходного звена ГИМ можно изменять по требуемому закону.

В свою очередь, регулирование может быть дроссельным, объемным, объемно-дроссельным или изменением скорости двига- теля, приводящего в работу насос.

Кроме того, регулирование может быть ручным или автома- тическим.

В зависимости от задач регулирования гидропривод мо- жет быть:

– стабилизационным;

– программным;

– следящим.

По схеме циркуляции рабочей жидкости:

– гидропривод с замкнутой схемой циркуляции, в котором ра- бочая жидкость от гидродвигателя возвращается во всасывающую гидролинию насоса.

Гидропривод с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости компактен, имеет небольшую массу и допускает большую частоту вращения ротора насоса без опасности возникновения кавитации, поскольку в такой системе во всасывающей линии давление всегда превышает атмосферное. К недостаткам следует отнести плохие условия для охлаждения рабочей жидкости, а также необходи- мость спускать из гидросистемы рабочую жидкость при замене или ремонте гидроаппаратуры;

– гидропривод с разомкнутой системой циркуляции, в кото- ром рабочая жидкость постоянно сообщается с гидробаком или атмосферой. Достоинства такой схемы – хорошие условия для ох- лаждения и очистки рабочей жидкости. Однако такие гидроприво- ды громоздки и имеют большую массу, а частота вращения ротора насоса ограничивается допускаемыми (по условиям бескавитаци-

онной работы насоса) скоростями движения рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе.

По источнику подачи рабочей жидкости:

– насосный гидропривод. В таком гидроприводе, получившем наибольшее распространение в технике, механическая энергия двигателя преобразуется насосом в гидравлическую энергию; но- ситель энергии – рабочая жидкость под давлением – нагнетается через напорную магистраль к ГИМ, где энергия потока жидкости преобразуется в механическую. Рабочая жидкость, отдав свою энергию ГИМ, 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, гидроемкости и гидролинии;

– магистральный гидропривод; в таком гидроприводе рабо- чая жидкость нагнетается насосными станциями в напорную ма- гистраль, к которой подключаются потребители гидравлической энергии;

– аккумуляторный гидропривод; в таком гидроприводе жид- кость подается в гидролинию от заранее заряженного гидроакку- мулятора. Этот тип гидропривода используется в основном в ма- шинах и механизмах с кратковременными режимами работы, на- пример в гибридных карьерных автомобилях.

По типу приводящего двигателя гидронасоса:

– с электроприводом;

– с приводом от ДВС;

– приводом от турбин и т.д.

Преимущества гидропривода и ГИМ следующие:

– возможность универсального преобразования механической характеристики ГИМ в соответствии с требованиями нагрузки;

– относительная простота управления и автоматизации;

– простота предохранения ГИМ и рабочих органов машин от перегрузок; надежность эксплуатации;

– широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена;

– большая передаваемая мощность на единицу массы привода;

– надежная смазка трущихся поверхностей при применении минеральных масел в качестве рабочих жидкостей.

Недостатки гидропривода и ГИМ следующие:

– достаточно громоздки и требуют создания и распределения сжатой рабочей жидкости, т.е. наличия гидростанции;

– утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, осо- бенно при высоких значениях давления;

– нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует при- менения специальных охладительных устройств и средств тепло- вой защиты;

– более низкий КПД (по приведенным выше причинам), чем у сопоставимых механических передач;

– необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чис- тоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в нее воздуха;

– пожароопасность в случае применения горючей рабочей жидкости.

При правильном выборе гидросхем и конструировании гид- роузлов некоторые из перечисленных недостатков гидропривода можно устранить или значительно уменьшить их влияние на рабо- ту машин.

В целом в силу перечисленных недостатков в системах авто- матизации технологических процессов и производственных уста- новок ГИМ задействованы крайне мало (менее 1 % от общей мас- сы ИМ).

На рис. 1.17 изображена типовая схема гидросистемы с регу- лируемым насосом 3, приводимым во вращение электродвигате- лем М. Насос 3 снабжен фильтром 4, установленным на всасы- вающем трубопроводе, и предохранительным клапаном 6.

Трехпозиционный четырехходовой гидрораспределитель 2 с ручным управлением осуществляет реверс поршня силового ци- линдра 1 ГИМ с поступательным движением регулирующего ор-

гана. В среднем положении гидрораспределителя 2 все его каналы соединяются с баком 5, что соответствует холостому ходу (раз- грузке) насоса и «плавающему» состоянию поршня цилиндра.

Как динамический объект управ- ления сам ГИМ представляет собой интегрирующее звено, у которого входным воздействием является раз- ница значений давления жидкости в полостях рабочего цилиндра, а вы- ходной координатой – перемещение штока поршня и, соответственно, ра- бочего (регулирующего) органа.

В автоматизированных СУИМ на основе гидравлики применяют элек- трогидравлические (ЭГИМ) и элек-

Рис. 1.17. Типовая схема гидросистемы

с регулируемым насосом и ГИМ поступательного движения

тропневмогидравлические исполни- тельные механизмы (ЭПГИМ). Для этой цели служат, в частности, различ- ного рода электрогидравлические уси- лители (сервовентили). На рис. 1.18 представлен внешний вид сервовенти-

ля для управления гидравлическими исполнительными механиз- мами выправо-подбивочно-рихтовочных машин типа ВПР.

Усилитель по своему функциональному назначению и техни- ческим характеристикам может применяться для замены импорт- ных аналогов – сервовентилей фирм MOOG, Dowty, ORSTA и дру- гих – в автоматических системах управления технологическими процессами на железной дороге.

Технические характеристики

Пределы изменения входного сигнала постоянного тока:

– для последовательного соединения катушек ±7,5 мА;

– для параллельного соединения катушек ±15 мА.

Рабочая среда – минеральные масла со следующими парамет- рами:

– вязкость в рабочем диапазоне температур масла от 7 до

70 мм²/с;

– рабочий диапазон температур масла от +20 до +70 °С;

– тонкость фильтрации не хуже

16 мкн.

Давление питания:

– минимальное: 1,6 МПа (16 кгс/см²);

– максимальное: 21 МПа (210 кгс/см²). Расход масла:

– при перепаде значений давления на усилителе 7 МПа (70 кгс/см²) и макси- мальном входном сигнале (38±4) л/мин.

Зона нечувствительности усилителя не более 1 %.

 

Рис. 1.18. Внешний вид электрогидравлического усилителя УЭГ.С-П

 

Рис. 1.19. Усилители мощности для пропорциональных электрогидравлических клапанов

Нелинейность расходной характе- ристики не более 10 %.

Гистерезис усилителя не более 3 %.

Частота, соответствующая сдвигу фаз 90°, не менее 100 Гц.

Габаритные размеры 110×115×85 мм. Масса не более 1,7 кг.

Для управления ЭГИМ разработаны усилители мощности, обеспечивающие пропорциональный закон движения элек- трогидравлических клапанов (рис. 1.19). Используются для подачи командных электрических сигналов усилителю мощности, который преобразовывает и усиливает электрические сигналы перед отправкой на электромагниты, управ- ляющие пропорциональными клапанами. Таким образом, ЭГИМ и ЭПГИМ

как объекты управления, управляемые токовым сигналом (как правило, 4–20 мА), могут рассматриваться как пропорциональные динамические звенья.