Загальні визначення й основні параметри

Під об'ємним гідроприводом розуміється в загальному випадку гідросистема, призначена для приведення в рух механізмів і машин, до складу якої входить об'ємний гідродвигун.

Поширене також визначення, відповідно до якого під об'ємним гідроприводом розуміється гідросистема (система гідромашин і гідроагрегатів), що служить для передачі за допомогою рідини енергіїнавідстань і перетворення її на механічну енергію на виході системи (на енергію руху гідродвигуна), і одночасно виконує функції регулювання й реверсування швидкості вихідної ланки.

Об'ємний гідропривод, що складається з пристроїв, конструктивно оформлених у одному загальному блоці, називається об'ємною гідропередачею (гідротрансмісією). Поняття "гідропривод" звичайно ототожнюється з поняттям "гідросистема", під яким розуміється сукупність пристроїв, що передають енергію шляхом використання рідини під тиском.

Гідросистема може мати як один, так і кілька гідродвигунів і насосів.

Будь-який гідропривод складається з джерела витрати рідини, яким у більшості випадків служить насос, гідродвигуна зворотнопоступального чи обертального руху, агрегатів керування, рідинних магістралей (гідроліній чи гідромереж) та інших гідроапаратів (рис.3.1).

Гідроапаратурою називають пристрої, призначені для змінювання параметрів потоку робочої рідини або підтримки їх на визначеному постійному рівні. Під параметрами потоку в цьому випадку розуміють тиск, витрату й напрямок руху.

 

Під гідролінією розуміється сукупність з'єднаних один з одним пристроїв, що мають безпосередній контакт з робочою рідиною, призначених для виконання визначеної функції в об'ємному гідроприводі.

Крім цього, під гідролінією чи гідромережею розуміють гідромагістраль. призначену для проходження робочої рідини в процесі роботи об'ємного гідропривода.

Розрізняють: напірну гідролінію - частину основної гідро лінії (гідромережі), по якій робоча рідина рухається від насоса до розподільника чи безпосередньо до гідродвигуна;

виконавчу гідролінію - частину основної гідролінії,по якій робоча рідина рухається від розподільника до гідродвигуна і назад;

зливальну гідролінію - частину основної гідролінії, по якій робоча рідина рухається в бак від розподільника чи безпосередньо від гідродвигуна.

Насосом називається гідромашина, що перетворює механічну енергію, прикладену до його вала, на енергію рідини, а гідродвигуном - гідромашина, що перетворює енергію рідини на механічну енергію на його валу.

Об'ємний гідродвигун з поворотним рухом веденої ланки накут < 360° називають гідроповоротником чи моментннм гідроциліндром, або ще гідроквадрантом. Об'ємний гідропривод з гідроповоротником називається гідроприводом поворотного руху.

Об'ємний гідродвигун з обертальним рухом веденої (вихідної) ланки називається гідромотором, а гідродвигун з прямолінійним зворотно-поступальним рухом гідроціліндром.

За призначенням гідроприводи тракторів і сільськогосподарських машин можна розділити на три групи: гідроприводи робочих органів, гідроприводи дистанційного управління і гідроприводиходової системи - гідротрансмісії.

У свою чергу гідроприводи робочих органів поділяються на гідроприводи активних робочих органів і гідроприводи керування положенням робочих органів.

Гідроприводи активних робочих органів забезпечують передачу енергії безпосередньо до робочих органів машин для виконання безупинного чи циклічно повторюваного процесу. У залежності від особливостей технологічного процесу гідроприводи забезпечують постійну чи перемінну швидкість руху робочого органа, можуть бути реверсивними чи нереверсивними за напрямком руху.

Гідроприводи управління положенням робочого органа установлюють чи фіксують ці органи в заданому положенні відносно сільськогосподарської машини (додаткові опори грейферних навантажувачів, штанги обприскувачів і т. ін.).

У ряді випадків гідропривод забезпечує установку робочих органів у "плаваюче" положення, при якому робочий орган переміщується під впливом діючих на нього сил. Таке керування звичайно використовується для копіювання рельєфу грунту ріжучими або збираючими робочими органами.

Серед гідроприводів дистанційного управління найбільше розповсюджений гідропривод рульового керування, який призначений для зменшення зусиль, необхідних для керування самохідною машиною, і забезпечує передачу енергії від вала двигуна внутрішнього згоряння до механізму повороту. При цьому від механізатора потрібне тільки зусилля для переміщення гідравлічних розподільчих пристроїв.

Поворот керованих коліс при непрацюючому двигуні здійснюєтьсяза рахунок сил, що прикладаються до кермового колеса.

Гідротрансмісії виконують кілька функцій: передачу енергії, необхідної для руху самохідної машини при незмінній частоті обертання вала двигуна внутрішнього згоряння; динамічне гальмування самохідної машини, що досягається зменшенням подачі насоса.

Безступінчаста зміна швидкості руху самохідної машини дозволяє цілком використовувати потужність двигуна і виконувати технологічний процес у оптимальних режимах.

Переваги й недоліки гідропривода. Завдяки тому, що гідропривод дозволяє поліпшити експлуатаційні і техніко-економічні характеристики машин і механізмів, він знайшов поширення на тракторах і машинах сільськогосподарського призначення. Застосування гідропривода на тракторах і сільськогосподарських машинах обумовлене рядом його переваг у порівнянні з механічними приводами:

- незалежність взаємного розташування вузлів гідропривода; малі габарити і велику потужність, яка передається одиницею маси;

- можливість одержування великих передаточних відношень без застосування механічних редукторів;                          

- простота розгалуження потужності без кінематичних складних і малонадійних приводів зі значною кількістю ланцюгів, ременів, карданних валів та інших елементів механічних передач;

- широка уніфікація в межах машинобудівних галузей;

- надійне запобігання перевантаженню робочих органів;

- можливість безступінчастого регулювання швидкісних режимів і легкість керування;

- зниження витрат часу на регулювання і технічне обслуговування машин;

- можливість автоматизації процесу управління;

- поліпшення умов роботи механізаторів.                        

При цьому гідроприводи порівняно прості у виготовленні, експлуатації і відрізняються надійністю. При дотриманні правил експлуатації ресурс багатьох типів насосів і гідромоторів досягає 6000 мотогодин і вище.

У той же час гідроприводи не позбавлені недоліків, до основних з яких варто віднести:

- вплив температури зовнішнього середовища на параметри гідропередачі;

- високі втрати потужності на подолання тертя робочої рідини в гідролініях, утрати з внутрішніми й зовнішніми витоками робочої рідини;

- можливі порушення роботи гідропривода внаслідок наявності повітря в системі.

Принцип дії об'ємного гідропривода

З відомих у гідравліці трьох видів механічної енергії рідини, що в питомому вигляді можна представити рівнянням

е= ,    (3.1)

де Е - повна енергія рідини щільністю ρ; М - маса рідини, що тече зі швидкістю V; z - питома енергія положення; g - прискорення вільного падіння; р/ρ - питома енергія тиску; V²/2 - питома кінетична енергія рідини.

В об'ємних гідроприводах використовується енергія тиску, що за допомогою об'ємних гідродвигунів перетворюється на механічну роботу.

Для допоміжних, головним чином командних, ланцюгів використовується також кінетична енергія рідини.

Крім цього, кінетична енергія рідини використовується і в гідродинамічних передачах. Енергією положення в об'ємних гідроприводах звичайно зневажають, оскільки різниця висот Z між окремими елементами гідросистеми мала й енергія положення набагато менша в порівнянні з діючою в ній енергією тиску рідини. Ця енергія положення враховується лише при розрахунках і дослідженнях усмоктувальних характеристик насосів.

Принцип дії об'ємних гідроприводів заснований на високому об'ємному модулі пружності (незначної стискальності) рідини й на законі Б. Паскаля.

З наведеної схеми, яка ілюструє цей закон (рис. 3.2, а), випливає, що якщо в герметичне заповненій рідиною посудині прикладемо силу Р до поршня площею f то ця сила врівноважиться (тертям поршня зневажаємо) тиском рідини р на цей поршень, що буде діяти в будь-якій точці рідини, включаючи і поверхню посудини (гідростатичним тиском зневажаємо).

 

 

Положення збережеться, якщо як посудини візьмемо два з'єднаних трубопроводами герметичне закритих поршнями a₁ i a₂ (рис. 3.2, б) циліндри 1 і 2, перший з яких є ведучим (насосом), а другий - веденим (гідродвигуном). При переміщенні за допомогою рукоятки 3 поршня a ₁ циліндра 1 у праву сторону рідина витісняється в циліндр 2, переміщаючи його поршень a ₂ вгору, причому тиск р₁= Р₁/ f ₁ у циліндрі 1 силою Р₁, прикладеною до поршня a ₁ діє також і на поршень a ₂ циліндра 2 (утратами тиску в трубопроводі зневажаємо, тобто вважаємо, що р₁= р₂,).

Допускаючи, що циліндри 1 і 2 герметичні, а рідина нестислива, переміщення поршнів a ₁ і a ₂  опишемо рівнянням рівності об'ємів, що витісняються ними, - рівнянням нерозривності потоку: h ₁ f ₁ = h ₂ f ₂, де h ₁, h ₂, f ₁, f ₂ – відповідно переміщення і площі поршнів a ₁ і a ₂.

На підставі цієї рівності можна записати: h ₂ / h ₁ = f ₁ / f ₂ = ; h ₂ = h ₁ (f ₁ / f ₂)= h ₁ (), де d ₁ і d ₂ діаметри поршнів a ₁ і a ₂.

Зневажаючи гідравлічним опором (припускаємо, що тиск р₁= р₂= p) і тертям поршнів a ₁ і a ₂ при їхньому русі, можна написати вираз для сил Р₁ і Р₂, діючих на поршні a ₁ і a ₂:  Р₁ = р f ₁ і Р₂ = р f ₂.

Відповідно до цього, Р_2/ Р₁= р f ₂ /р f ₁ = ; Р₂=Р₁(f ₂ / f ₁).

З цієї рівності випливає, що сила Р₂ більше сили Р₁ у f ₂ / f ₁ рази. Рівновагу сил, що діють у розглянутій схемі, можна порівняти з рівновагою коромисла, навантаженого вагами G ₁ і G ₂, прикладеними на його кінцях (рис. 3.2, в).

Неважко доказати, що довжини пліч L ₁ і L ₂ коромисла і величини вантажів вагою G ₁ і G ₂ зв'язані співвідношенням G ₁ / G ₂ = L ₂ / L ₁.

Відповідно до порівнюваної гідросхеми (рис. 3.2, г), що складається зі зв'язаних трубопроводами двох циліндрів площею F ₁ і F ₂, поршні яких навантажені вантажами вагою G ₁ і G ₂, G ₁ / G ₂ = F ₁ / F ₂.

Добуток сили Р₁, що діє на поршень a ₁ (рис. 3.2, б),на швидкість його руху V ₁ = h ₁ / t, де t - час переміщення поршня на відстань h, дає вираз потужності N = Р₁ V ₁.

Підставивши в попередній вираз Р₁ = f ₁ p, одержимо: N = р f ₁ V ₁.

З урахуванням того, що добуток f ₁ V ₁, виражає об'єм, описуваний поршнем у одиницю часу, чи розрахункову подачу Q рідини, одержимо:

N=pQ.                 (3.2)

У тому випадку, якщо тиск виражений у кГ/см² і подача в см³/с, потужність буде виражена в кГ см/с.

Для одержання потужності в к. с. користуються виразом N = pQ /7500 к.с. = 735,499вт, де Q - витрата рідини в см³/с; р – тиск рідини в кГ/см²= 0,1 МПа.

Розрахункові формули потужності наведені в такій формі,що їх можна використовувати в умовах застосування конкретних одиниць міжнародної системи (СІ) і системи МКС, системи МКГСС і СГС. Конструктивна схема реального гідропривода відрізняється від спрощеної (рис. 3.2, б) тим, що включає насос безперервної дії, а також ряд інших апаратів, які управляють потоком рідини і запобігають перевантаженню системи. У будь-якому гідроприводі розрізняють три групи елементів: насоси (джерело гідравлічної енергії), гідродвигуни (приймачі гідравлічної енергії чи виконавчі механізми), розподільчу й регулюючу гідроапаратуру.

На рис. 3.3, а представлена схема найпростішого об'ємного гідропривода для прямолінійного зворотно-поступального руху. Привод складається зі з'єднаних трубопроводами насоса з резервуаром (баком) 5 і гідродвигуна (силового циліндра) 2, запобіжного клапана 4, обмежуючого підвищення тиску рідини вище встановленого значення, і розподільчого пристрою (крана) 3, за допомогою якого змінюється напрямок потоку рідини від насоса до робочих порожнин гідродвигуна, тобто здійснюється зміна напрямку його руху. У положенні розподільника (крана) 3 (рис. 3.3, а), рідина від насоса 1 надходить у ліву порожнину циліндра 2, переміщаючи його поршень у праву сторону.

Рідина, що витісняється при цьому поршнем з правої (неробочої) порожнини циліндра 2, відводиться по зливальних трубопровідних каналах розподільника 3 в резервуар 5. При повороті розподільника 3 на кут 90° рідина від насоса надходить у праву порожнину циліндра 2 і відводиться в бак 5 з лівої його порожнини; поршень у цьому випадку рухається в ліву сторону. При підвищенні тиску більше встановленого значення відкриється запобіжний клапан 4, і рідина під тиском буде переливатися через нього в бак. На рис. 3.3, б і в представлені принципові схеми гідропередач з гідродвигуном (гідромотором) 2 обертального руху.

Реверс гідродвигуна в схемі (рис. 3.3, б) здійснюється за допомогою розподільника 3, а в схемі (рис. 3.3, в) - шляхом зміни насосом напрямку потоку рідини. Система в останньому випадку повинна бути забезпечена зворотними (запірними) клапанами 7, що від'єднують при зміні напрямку потоку рідини напірну магістраль від бака 5 і одночасно забезпечують підживлення усмоктувальної порожнини насоса у випадку, якщо в останній утвориться в результаті витоків рідини чи з інших причин вакуум. Схема також забезпечена запобіжним клапаном 4 і баком 5 запасу робочої рідини.

 

Очевидно, що при прийнятій вище умові повної герметичності гідроагрегатів і практичної нестискальності рідини вихідна ланка двигуна переміщається (чи обертається) з визначеною швидкістю, що забезпечує прохід через його робочі камери рідини, поданої насосом, тобто повинна бути дотримана умова Q _н = Q _д, де Q _н і Q _д – теоретичні подачі (об'єми, описувані робочими елементами в одиницю часу) насоса і двигуна. У результаті при прийнятій вище умові одержимо жорсткий кінематичний зв'язок між насосом і гідродвигуном.

Розглянуті схеми (рис. 3.3) належать до числа найпростіших, в яких керування потоком рідини зводиться лише до зміни її напрямку плину без якого-небудь впливу на закон руху поршня гідродвигуна. У випадку, коли цей вплив пов'язується з циклом роботи машини чи з керуванням по програмі, гідропривод стає частиною системи автоматичного чи напівавтоматичного регулювання, елементи гідропривода називаються елементами гідроавтоматики, а гідросистема - автоматичною чи напівавтоматичною.

Тиск рідини в гідроприводі. З виразу (3.2) випливає, що при підвищенні тиску рідини потужність гідропривода за всіх інших рівних умов пропорційно підвищується, а отже, знижуються його питома маса і габаритні розміри. Через це в практиці відбувається безупинне підвищення тиску. У цей час у гідросистемах, як правило, тиски рівні 20-25 і рідше - 35-70 МПа.

Об'ємний насос може розвивати будь-які тиски, при яких робочі рідини ще зберігають свої властивості. Утрата цих властивостей, що обмежує тиск, обумовлена тим, що практично більшість рідин, у тому числі й рідини нафтового походження, при тисках 2000 - 3000 МПа тверднуть.

Вода при 20 °С перетворюється на тверде тілопри тиску 8400 МПа.

У гідросистемах машин поширені насоси потужністю до 75 кВт (100 к. с.), однак у деяких випадках, і зокрема у важкому машинобудуванні, застосовуються насоси з приводною потужністю вище 3000 кВт (при тисках 22 МПа).

Економічність застосування передач характеризується насамперед коефіцієнтом корисної дії. З цієї точки зору всім видам передач, у тому числі і гідравлічним, властиві загальні закономірності. Розглянемо їх.

Закон збереження енергії в застосуванні до передач,що перетворюють параметри механічної енергії, може бути записаний у вигляді N ₁ = N ₂ + N ₃, де N ₁ - потужність на вхідній, ведучій ланці; N ₂ -потужність на вихідній, веденій ланці; N ₃ - потужність, загублена в передачі (перетворюється на тепло і розсівається в навколишньому середовищі).

При передачі обертання N ₁ =Мкр₁ω₁, і N ₂ =Мкр₂₁ω₂, тоді

Мкр₁ω₁=Мкр₂ω₂ + N ₃,                        (3.3)

де  Мкр₁  і ω₁ -  крутильний момент і кутова швидкість на валу насоса; Мкр₂ і ω₂ - крутильний момент і кутова швидкість на валу мотора.

Розділивши праву і ліву частини рівняння на Мкр₁ω₁, одержимо:

1- Мкр₂ω₂/ Мкр₁ω₁+ N ₃ / Мкр₁ω₁; або Мкр₂ω₂/ Мкр₁ω₁=1- N ₃ / Мкр₁ω₁.

Коефіцієнт корисної дії, як відомо, є відношенням корисно використаної потужності N ₂  (потужність на веденому валу) до витраченої, тобто

η=                     (3.4)

Це рівняння для визначення ККД отримане з найбільш загальних розумінь і справедливе для всіх видів передач. У ньому враховані всі втрати енергії, і тому воно не вимагає ніяких додаткових уточнень.

У передачах прийнято називати відношення k = Мкр ₂ / Мкр₁ коефіцієнтом трансформації, або силовим передаточним відношенням, а величину i =ω ₂ / ω ₁ - передаточним відношенням. Виходячи з цього,

η = ki.                     (3.5)

Таким чином, для визначення повного ККД отримане дуже просте й загальне для всіх видів передач рівняння. Воно дозволяє оцінити передачу з погляду ефективності використання енергії, не вдаючись до розгляду внутрішніх процесів, що відбуваються в передачі, базуючись тільки на легковимірюваних величинах.

Значення k і i для передач поступального руху визначають за формулами

k=P₂/P₁, i=V₂/V₁,   (3.6.)

де Р і V- сила і швидкість ведучої і веденої ланок.