Лекция 7. У правляющая и вспомогательная гидроаппаратура

Общие сведения

Устройства управления гидроприводов согласно ГОСТ 17752-81 называют общим термином — гидроаппараты. В таблице 5 представлены условны­ми обозначениями согласно ГОСТ 2.780-68, ГОСТ 2.781-68, ГОСТ 2.782-68, ГОСТ 2.784-70 гидроаппараты, наиболее употребимые в технической практи­ке. Во всех случаях общим принципом управления является создание гид­равлических сопротивлений последовательно или параллельно нагрузке. Гидроаппараты дискретного действия управляют по принципу открыто-закрыто и для каждой из управляемых линий создают сопротивления R₀, ∞, где R₀ — сопротивления полного проходного сечения. Гидроаппараты непре­рывного действия создают сопротивления, функционально связанные с вели­чиной управляющего воздействия в диапазоне R₀...∞. Принято подразделять аппараты на клапанные и неклапанного действия. Клапанными называют гидроаппараты, где запорный элемент перемещается под воздействием пропускаемого потока. В неклапанных — это перемещение производится внеш­ним управляющим воздействием: вручную, электромагнитами, воздействием скоростного или пьезометрического напора жидкости от управляющих ли­ний.

Гидроаппараты управления могут быть автоматическими и неавтоматическими. Неавтоматические могут управляться вручную или быть нерегу­лируемыми; при этом они могут быть элементами схем разомкнутых и замк­нутых САУ.

Классифицирование гидроаппаратов по функциональному признаку затруднительно ввиду возможности использования большинства из них для решения различных задач, в зависимости от схемы применения. В таблице 5 в последней колонке отмечены условными буквенными обозначениями пара­метры ведомого звена гидропередачи, которыми они могут управлять: Н — направление, X — величина перемещения, V — скорость, F — силовая ха­рактеристика (сила, момент). В технической практике гидроаппараты условно делят на направляющие - распределители и регулирующие - регуляторы.

В таблице 2.2 дискретные распределители, называемые позиционными или направляющими, представлены позициями 1, 2, 3, 4. Сюда же можно отнести вентиль, позиция 5. Конструктивно они могут быть выполнены крановыми, золот­ никовыми и клапанными. Непрерывные распределители, называемые дросселирующими, имеют общее обозначение, представленное позицией 9. Разновид­ностями их могут быть дросселирующие золотники, распределители сопло-заслонка и струйные распределители. Более подробно с конструктивными исполнениями распределителей можно познакомиться в справочной и учеб­ной литературе.

Распределители

Распределители основным назначением имеют управление направлением движения потока жидкости. Дискретные распределители, называемые позиционными или направляющими, представлены позициями 1 - 7. Сюда же можно отнести вентиль, позиция 8.

 

Таблица 5 - Управляющие и вспомогательные элементы гидропривода

Поз.	Обозначение		Наименование	Регулирумые хар-ки
1	2		3	4
1			Гидрораспределитель с ручным управлением	Направление, перемещение
2			Гидрораспределитель с электрическим управлением	Направление, перемещение
3			Гидрораспределитель с гидравлическим управлением	Направление, перемещение
4			Гидрораспределитель с задержкой времени	Направление, перемещение
5			Гидрораспределитель 3/2 с ручным управлением	Направление, перемещение
6			Гидрораспределитель 4/3 с электрическим управлением	Направление, перемещение
8			Вентиль (запорный клапан)	Включение, выключение
9			Дроссель регулируемый	Скорос.,сило-вая хар-ки
10			Дроссель нерегулируемый: квадратичный, линейный	Скорос.,сило-вая хар-ки
11			Дроссель с обратным клапаном	Скорос.,сило-вая хар-ки
12			Двухлинейный клапан расхода по DIN ISO 1219	Скорос.,сило-вая хар-ки
13			Трехлинейный клапан расхода по DIN ISO 1219	Скорос.,сило-вая хар-ки
14			Дросселирующий распределитель с управлением от механической связи	Скорость, направление, перемещение
Продолжение таблицы 5
1	2		3	4
15			Пропорциональный гидрораспределитель	Скорость, направление, перемещение
16			Клапан обратный	Направление
17			Клапан с логической функцией «ИЛИ»	Направление
18			Клапан с логической функцией «И»	Направление
19	ГОСТ 2.782-96    DIN ISO 1219		Гидрозамок односторонний	Направление
20	ГОСТ 2.704-76 DIN ISO 1219		Гидрозамок двухсторонний	Направление
21			Сумматор потоков	Скорость, направление,
22			Делители потока: дроссельный	Скорость, направление,
23			объемный, нерегулируемый	Скорость, направление,
Продолжение таблицы 5
1	2		3	4
26			Клапан предохранительный с пружинной настройкой	Скорос.,сило-вая хар-ки
27			Клапан предохранительный с пилотным управлением	Скорос.,сило-вая хар-ки
28			Переливной клапан	Скорос.,сило-вая хар-ки
29			Редукционный клапан двухлинейный	Скорос.,сило-вая хар-ки
30			Клапан редукционный трехлинейный	Скорос.,сило-вая хар-ки
31			Клапан соотношения давлений	Скорос.,сило-вая хар-ки
32			Клапан разности давлений	Скорос.,сило-вая хар-ки
33			Клапан давления с обратным клапаном	Послед-сть включения по давлению
34			Регулятор расхода	Скорость
35			Регулятор расхода с обратным клапаном	Скорость
36, 37, 38			Гидроаккумуляторы:  грузовой, пружинный, пневмогидравлический	Расход, давление
Окончание таблицы 5
1		2	3	4
40			Гидробак
41			Фильтр
42			Охладитель (кулер)
43			Нагреватель
44			Основные гидролинии (всасывающая, напорная, сливная)
45			Управляющая гидролиния
46			Дренажная гидролиния
47			Cоединение и пересечение гидролиний
48			Гидравлический рукав.
49			Механическая связь
50			Манометр	Давление

Условные обозначения несут схемную информацию: количество квадратов, соответствующее количеству рабочих позиций, количество входов и выходов, соответствующее количеству управляемых линий. Для текстовой краткости используется числовое обозначение через дробь [2]: количество управляемых линий / количество рабочих позиций.  Например в таблице 5 позиции 1-3, 6 – четырехлинейные, трехпозиционные распределители, кратко 4/3; позиция 4 – 4/2; позиция 5 – 3/2; позиция 7 – 2/2. Условные обозначения присоединяемых линий на рисунке 17 даны в международном  стандарте DIN ISO 1219. Общепринятые обозначения в отечественной и зарубежной практике, соответственно: Н и Р - напорная, С и Т – сливная; Др и L – дренажная, линии. Выходные, подсоединительные.линии могут обозначатся, как цифрами, так и буквами.

 

 

Рисунок 27 – Схемы позиционных распределителей

 

Конструктивно распределители могут быть выполнены крановыми, золот­ никовыми и клапанными [2,21].

Клапанные распределители ограничены схемой 2/2, реже 3/2, и отличаются от распределителей неклапанного действия тем, что  их запорные элементы перемещаются под воздействием пропускаемого потока (рисунок 28). К неклапанным относятся  крановые и золот­никовые.

Крановые распределители характеризуются поворотным движением ручки 1 для переключением позиций. Распределительный элемент может иметь плоскую, сферическую, цилиндрическую или коническую форму. На рисунке 19 кран с цилиндрической распределительной пробкой 5 в гильзе 4 с крышками 3 и 6. Фиксация позиций рукояти 1 осуществляется подпружиненным стопором 2. 

 

 

а)

 

                               

 

                    

 

б)                                                                         в)

       1            2           3         

 

                      

 1 – корпус распределителя; 2 – клапан; 3 – возвратная пружина

 

Рисунок 26– Клапанные распределители 2/2:

а) – клапанно-золотниковый; б) - распределитель в функции обратного клапана; в) - условное обозначение

 

а)

б)                                                                         

а – клапанно-золотниковый, б – распределитель в функции обратного клапана; 1 – корпус распределителя, 2 – клапан, 3 – возвратная пружина

Рисунок 28 - Клапанные распределители

 

 

Пробковые краны в гидроприводах применяются ограниченно, и только в подготовительной фазе, ввиду невозможности поворота ручки 1 под действием несбалансированной радиальной силы давления на распределительную пробку 3. Для высоких давлений и маловязкой эмульсии используются краны типа «ЭРА» со сбалансированным плоским распределительным элементом.

 

       

 

1 - поворотная ручка; 2 – стопор с пружиной; 3 и 6 – крышки; 4 гильза; 5 - распределительная пробка.

Рисунок 29 – Крановый распределитель 4/3

 

Золот­ никовые распределители характеризуются цилиндрическим исполнением запорного элемента и поступательными переключающими движениями.

 

Рисунок 30 –Золотниковый распределитель 2/2 в позициях «открыто» и «закрыто»

 

Эти переключения могут производиться вручную, механическими, электромагнитными, гидравлическими и другими  воздействиями, чем обусловлено их широкое применение в ручных и автоматизированных гидросистемах

На рисунке 20 золотниковый распределитель 2/2 и его схема. Здесь переключение производится вручную однонаправленным поступательным движением с возвратом за счет пружины. 

На рисунке 21 золотниковый распределитель 4/2 электрогидравлического типа [18], плунжер которого 2 переключается электрическими сигналами через  катушку 6 и возвращается  пружиной 7.

 

1 – корпус распределителя; 2 – золотник; 3 – ручное аварийное управление; 4 – пласти-ковая предохранительная крышка; 5 – якорь; 6 – катушка: 7 – возвратная пружина

 

Рисунок 31 – Золотниковый распределитель 4/2 электрогидравлического типа

6.3 Регуляторы

 

Регуляторы основным назначением имеют настройку, регулирование, оперативное управление и согласование параметров движений ведомых звеньев гидродвигателей.    Могут быть ручными или автоматическими.

 

1 – корпус; 2 – игла; 3 - поворотная ручка.

 

Рисунок 35 – Регулируемый дроссель игольчатого типа

 

    Регуляторы, сопротивление которых не изменяется или изменяется вручную, называют дросселями (позиции 9-13,таблица 5, пример на рисунке 25). В зависимости от вида проходного отверстия дроссели делятся на игольчатые, щелевые, канавочные, пластинчатые и др.

    Большинство автоматических регуляторов называют клапанами с добавлением указания на функциональное назначение. Элемен­тарными являются обратные клапаны (рисунок 18,б позиция 16 в таблице 6). Функционально это гидравлические полупроводники, однако блок обратного клапана с дросселем (пример на рисунке 26) обеспечивает проход потока в обоих направлениях.

 

Рисунок 36 – Регулируемый дроссель с обратным клапаном

           

   

 

1 - корпус; 2 - поршень; 3 – упор; 4 -клапан; 5 – пружина клапана.

 

Рисунок 37 – Односторонний гидрозамок

 

    Блокирование элементарных клапанов между собой гидравлическими, электрическими и механическими связями обеспечивает создание сложных схем клапанных распределителей, а также логических элементов ИЛИ и И и других (позиции 17, 18 в таблице 5), а также управляемых обратных клапанов — гидрозамков (позиции 19, 20, рисунки 27 и 28).

    Управляемые обратные клапаны обеспечивают фиксацию промежуточного положения ведомого звена и освобождение его при необходимости. В одностороннем гидрозамке принудительное открытие осуществляется от дополнительной линии управления через поршень 2 и упор 3. На рисунке 27 условное обозначение дано по DIN ISO 1219, где в соответствии с западной традицией управляющая линия изображена пунктиром.

В двухстороннем гидрозамке (рисунок 28) для двух выходных линий, например, для поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра, присутствуют два клапана 2. При этом для принудительного открытия каждого из них дополнительной линии управления не требуется, а функция выполняется расположенным между ними поршнем с упорами 3.

 

1 - корпус; 2 - клапан; поршень; 3 – поршневой переключатель.

 

Рисунок 38 – Двухсторонний гидрозамок

 

Большинство автоматических клапанов различного функционального назначения (рисунок 29) имеют  двухкаскадное построение, где первый каскад – клапан 3, выполняет роль чувствительного элемента и вычислительного устройства с обратной связью по давлению, а второй - клапан 1, исполнительного устройства. Чисто гидравлические аппараты  снабжены пружинным задающим устройст­вом 4. Так устроены нормально закрытые клапаны дискретного действия, различного функционального назначения (позиции 25 – 27, 31-33 в таблице 5). Клапан, ограничивающий максимальное давление, называется   предохрани­тельным (позиции 25 - 27 в таблице 5).

   

1 - клапанное исполнительное устройство; 2 - пружина; 3 - клапанный  чувствительный элемент; 4 - пружинное задающее устройст­во.

 

Рисунок 39 – Конструктивная схема предохранительного клапана

 

 

 

1 – настроечный дроссель; 2 – корпус;   3 – канал обратной связи; 4 – пружина;   

5 – редукционный клапан.  

 

Рисунок 42 – Регулятор расхода

 

Стабилизация скорости ведомого звена гидропередачи и согласование по скорости движений ведомых звеньев не­скольких гидродвигателей обеспечивается стабилизацией расхода питающего потока. Эта функция обеспечивается регулятором расхода (позиции 23 – 24, 34-35 в таблице 5). Конструктивно аппарат (рисунок 32)  представляет собой сочетание редукционного клапана 5 и дросселя 1, настройкой которого обеспечивается положение плунжера за счет разности давлений в левой и правой его полостях. Условное обозначение регулятора на рисунке 32 по DIN ISO 1219, а позиции 23 – 24, 34-35 в таблице 5. по ГОСТ 2.784-70.

Согласование по скорости движений ведомых звеньев не­скольких гидродвигателей выполняют также сумматоры и делители потока (позиции 21, 22, 23, 24 в таблице 5), из которых объемные (позиции 23, 24 в таблице 5) отличаются практиче­ски полной независимостью пропорции деления от изменения нагрузок на ведомых звеньях.

 

Вспомогательные устройства

Назначение вспомогательных устройств обобщенно можно охарактеризовать как повышение качества, долговечности и надежности работы гидропривода [5]. Условные обозначения наиболее часто употребляемых вспомогательных устройств также представлены в таблице А2.

Гидробаки (резрвуары) (позиция 40 в таблице А2 (Приложение А), рисунок 1.37) являются обязательными элементами гидропередач с разомкнутой схемой циркуляции рабочей жидкости. Их функции: хранение, отстой и охлаждение жидкости, а также в ряде случаев использование как конструктивной базы элементов насосной станции.

Рисунок 43 - Конструктивная схема гидробака

 

Объем гидробака должен удовлетворять двум факторам: обеспечивать заполнение жидкостью всех камер, полостей и магистралей в период запуска; обеспечивать конвекционное охлаждение для малонагруженных режимов работы. На схеме показан пример гидробака с его основными функциональными элементами. Это заливное отверстие с фильтром, сапун для выравнивания давления над поверхностью жидкости, система отстоя жидкости при ее движении от сливной трубки до всасывающей через отстойные секции между перегородками (гравитационные фильтры), а также индикатор уровня, в данном варианте в виде смотрового окна. Элементом конвекционного охлаждения является поверхность бака.

Охладители воздушного или жидкостного типов применяются в конструктивном объединении с гидробаками в гидроприводах большой мощности или с напряженными режимами работы, где конвекционный теплообмен гидробака недостаточен (позиция 42 в таблице А1). Традиционными их элементами являются: для воздушных вентилятор и ребра теплоотдачи; для жидкостных дополнительно бачок с охлаждающей жидкостью, насос («помпа») и водяные рубашки.Охладители практически всегда необходимы для гидропередач с замкнутыми потоками.

Нагреватели ( позиция 43 в таблице А1) необходимы при эксплуатации гидроприводов в северных, зимних, высотных условиях, особенно в фазе запуска до набора рабочей температуры жидкости и соответственного снижения ее вязкости.

Гидроаккумуляторы (позиции 36-39 в таблице А1) представляют собой сочетание трех основных элементов [9]: гидравлической камеры аккумулирующего элемента и разделяющего их вытеснителя. Характеристики аккумулятора определяются качеством выполнения следующих функций:

а) стабилизация давления в магистрали, чем достигается уменьшение внутренней динамики и повышение коэффициента использования установленной мощности;

б) защита гидросистемы от кратковременных перегрузок и гидроударов;

в) использование в аккумуляторных приводах, а также в механизмах ударного и вибрационного действия в качестве вторичного или дополнительного источника энергии.

                                                                а)      б)       в)      г)

 

Рисунок 44 - Классификация гидроаккумуляторов

по типу аккумулирующего элемента

 

По типу аккумулирующего элемента (рисунок 1.38) аккумуляторы подразделяются на пружинные (г), грузовые (в), пневмогидравлические (б) и гидравлические (а) с вырожденным аккумулирующим элементом и выполнением аккумулирующей функции самой жидкостью за счет ее сжимаемости. В гидроприводах преимущественно применяются пневмогидравлические, благодаря компактности и низкой инерционности их аккумулирующего элемента – сжатого газа.

 

Рисунок 45 - Классификация гидроаккумуляторов

по типу вытеснителя

 

По типу вытеснителя, то есть разделителя жидкой и газовой сред, эти аккумуляторы подразделяются на поршневые (рисунок 1.39, нижний ряд) и мембранные (верхний ряд). Первые более долговечные, но менее герметичные и более инерционные; вторые уступают в долговечности вследствие разрушения мембраны от повторно-переменных деформаций. Однако низкая инерционность обусловливает их преимущественное применение в промышленных гидроприводах.

Фильтры (позиция 41 в таблице А1) существенно влияют на надежность работы гидропривода и в настоящее время являются обязательными элементами всасывающих и сливных линий, а также все чаще используются на входе в напорную линию. По используемому физико-техническому эффекту фильтры подразделяются на процеживающие и силовые – магнитные, центробежные, гравитационные (отстойники).

Полностью исключить присутствие загрязняющих частиц в рабочей жидкости практически невозможно, однако необходимо ограничить их число и размеры с помощью различных методов очистки и фильтрации. Практика показывает, что до 80% отказов в работе гидросистем возникает вследствие несоответствия рабочей жидкости условиям нормальной эксплуатации. Высокое качество рабочей жидкости является необходимым условием надежного функционирования гидросистемы любой машины [8].

Охладители (позиция 42) применяются в конструктивном объединении с гидробаками в гидроприводах большой мощности или с напряженными режимами работы, где конвекционный теплообмен гидробака недостаточен. Практически они всегда необходимы для гидропередач с замкнутыми пото­ками (рисунок 1.8,г). Нагреватели (позиция 43) необходимы при эксплуатации гидроприводов в северных, зимних, высотных условиях, особенно в фазе запуска до набора рабочей тем­пературы жидкости и соответственно снижения ее вязкости.

Гидролинии (позиции 44, 45, 46, 48)  в гидроприводах, в зависимости от назначения и места использования, могут быть выполнены жесткими трубопроводами, гибкими, высоконапорными шлангами или каналами в корпусах гидромашин и гидро­аппаратуры.

Для измерения давления в гидравлической системе применяются манометры (позиция 50), датчики давления (позиция 52), для измерения расхода рабочей жидкости расходомеры (позиции 53, 54).

Реле давления (позиция 51)  применяется для последовательного включения или выключения отдельных исполнительных органов машины, для осуществления дистанционного управления. Реле давления может обеспечить контроль за давлением в гидросистеме с подачей электросигнала, свидетельствующего, например, о перегрузке системы [12].

 

Лекция 8. Гидравлические схемы. Регулирование характеристик гидроприводов