Теоретические сведения

Объемным гидроприводом называется привод, в состав которого входит гидравлический механизм, в котором рабочая среда (жидкость) находится под давлением, с одним или более объемными гидродвигателями. Простейший объемный гидропривод, как правило, включает в себя насос, гидродвигатель (гидроцилиндр или гидромотор), гидроаппаратуру (гидроклапаны, гидродроссели» гидрораспределители), соединенные гидролиниями, и вспомогательные устройства — фильтры, гидробаки, теплообменники и др. По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы поступательного, вращательного и поворотного движения (рис. 5.1).

При работе различных машин возникает необходимость изменять скорость движения их рабочих органов, что делает целесообразным применение гидропривода с управлением, которое может осуществляться тремя способами: дроссельным, машинным, а также их комбинацией. При дроссельном управлении часть жидкости, подаваемой насосом, отводится в сливную линию и не совершает полезной работы. В гидроприводе с машинным управлением изменение скорости выходного звена осуществляется изменением рабочего объема насоса или гидромотора.

При последовательном включении дросселя (рис. 5.2, а) предусматривается переливной клапан, который поддерживает в нагнетательном трубопроводе постоянное давление путем непрерывного слива рабочей жидкости. В этом случае расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр, равен расходу жидкости через дроссель:

где — коэффициент расхода; — площадь проходного отверстия дросселя; и — давление соответственно перед дросселей и за ним.

Рис. 5.1.

Если пренебречь потерями давления в гидролинии и в гидрораспределителе, то давление можно определить по формуле

где R — усилие на штоке гидроцилиндра; — площадь поршня. Следовательно, средняя скорость перемещения поршня гидроцилиндра

Отсюда видно, что скорость поршня зависит от площади проходного сечения дросселя и усилия на штоке.

Рис. 5.2.

Возможна также последовательная установка дросселя на выходе после гидродвигателя (рис. 5,2, б). Как и в предыдущей схеме, давление в нагнетательной гидролинии поддерживается постоянным с помощью переливного клапана. Скорость поршня в этом случае

Комбинацией двух рассмотренных выше схем является гидропривод с дросселями на входе и выходе (рис. 5.2, в), причем функции обоих дросселей выполняет в большинстве случаев дросселирующий золотник.

На (рис. 5.3) показано параллельное включение дросселя. Он устанавливается в гидролинии, соединяющей нагнетательный трубопровод со сливным. Поскольку в этом случае давление на входе в дроссель зависит от нагрузки R гидроцилиндра, то необходимость в переливном клапане отпадает. Вместо него устанавливается предохранительный клапан. Если пренебречь трением, то давление

Рис. 5.3.

В этом случае подача насоса разветвляется на два потока: — поступает в гидродвигатель, — через дроссель по сливной гидролинии в бак. Поэтому

а скорость перемещения поршня

Из этой формулы видно, что скорость поршня зависит от степени открытия дросселя и усилия на штоке R.

Машинное управление гидроприводом характерно тем, что изменение скорости выходного звена достигается изменением рабочего объема насоса, либо гидродвигателя, либо одновременно изменением рабочего объема того и другого. Простейшие схемы гидроприводов с машинным управлением показаны на (рис. 5.4.). Для всех схем при отсутствии утечек справедливы соотношения:

где — подача насоса; — расход через гидромотор; и — рабочие объемы насоса и гидромотора; и — частоты вращения насоса и гидромотора.

рис. 5.4.

Давление в такой системе изменяется в зависимости от нагрузки гидромотора:

Где и — перепад давления и крутящий момент на валу гидромотора; — потери давления на трение в трубопроводах. Таким образом, для системы гидропривода с регулируемым насосом, когда , , , можно записать:

т. е. идеальный момент на валу гидромотора постоянен, а мощность прямо пропорциональна расходу и перепаду давления на гидромоторв (рис. 5.4, а).

Для схемы гидропривода с регулируемым гидромотором (рис. 5.4, б), когда , , справедливы зависимости;

Идеальный момент на валу гадромотора изменяется в этом случав обратно пропорционально частоте вращения вала, мощность гидромотора при этом постоянна.

Объемный гидропривод, включающий насос и гидромотор переменного рабочего объема представляет собой сочетание двух предыдущих схем. Он является наиболее сложным и позволяет реализовать наибольший диапазон регулирования частоты вращения гидромотора.

Регулирование такой системы осуществляется последовательно. Когда необходимо увеличить частоту вращения вала гидромотора от 0 до поступают следующим образом:

- в насосе устанавливают нулевой рабочий объем, а в гидромоторе — наибольший;

- запускают приводной двигатель насоса и выводят на заданный скоростной режим;

- рабочий объем насоса постепенно доводят до максимальной величины, в результате чего частота вращения вала гидромотора достигает значения соответствующего номинальной мощности;

- для дальнейшего увеличения скорости вала гидромотора его рабочий объем постепенно доводят до минимально возможного значения, останавливая этот процесс при появлении первых признаков неустойчивой работы. В этом и состоит наиболее общая методика машинного управления объемным гидроприводом.

Гидродроссель — это гвдроаппарат управления расходом, предназначенный для создания сопротивления потоку рабочей жидкости. Он представляет собой местное сопротивление с наперед заданными характеристиками, что обеспечивает поддержание желаемого перепада давления при определенном расходе рабочей жидкости.

Различают линейные дроссели (вязкостного сопротивления) и линейные. В первых потери давления определяются, в основном, трением жидкости в канале, имеющем достаточно большую длину (рис. 5.5, а). При этом устанавливается ламинарный режим течения и перепад давления прямо пропорционален скорости течения в первой степени. Расход через дроссель в этом случае определяют по формуле

Где и — длина и диаметр канала дросселя; v — кинематическая вязкость; — плотность жидкости; — перепад давления на дросселе; и — давление до и после дросселя.

рис. 5.5.

В нелинейных дросселях потери давления обусловлены отрывом потока от стенок и вихреобразованием. Наиболее распространенными из них являются квадратичные дроссели, потери давления в которых прямо пропорциональны квадрату расхода:

где — коэффициент расхода, равный для щелевых дросселей 0,64... 0,70, для игольчатых 0,75...0,80; — площадь проходного сечения дросселя. Простейший квадратичный дроссель (рис. 5.5, б) представляет собой весьма малое отверстие с острой кромкой, длина которого составляет 0,2...0,5 мм.

Гидроклапан — это гидроаппарат, в котором размеры рабочего проходного сечения изменяются от воздействия потока рабочей жидкости. Гидроклапаны бывают регулирующие и направляющие. Гидроклапан давления—это регулирующий гидроаппарат, предназначенный для управления давлением рабочей жидкости.

Напорный гидроклапан — это гидроклапан давления, предназначенный для ограничения давления в подводимом к нему потоке жидкости. Запорно-регулирующий элемент напорных гидроклапанов бывает шариковый, конический, золотниковый.

Расход жидкости, проходящий через щель напорного гидроклапана,

где = 0,62...0,70 — коэффициент расхода; — площадь щели клапана; — перепад давления в клапане; и — давление на входе и на выходе из клапана. Для кромочных клапанов (рис. 5.6, а)

где d — диаметр входного канала; z— высота подъема запорно-регулирующего элемента; — половина угла конуса, причем

где скорость v во входном канале, которая обычно не превышает 15м/с, и лишь при давлениях свыше 20 МПа ее допускаемое значение 30 м/с.

рис. 5.6.

Равновесий запорно-регулирующего элемента клапана в момент начала открытия характеризуется равенством

где F_o — усилие пружины в момент открытия клапана, с — жесткость пружины, z_o — предварительная деформация пружины.

При установившемся движении жидкости через щель открытого клапана (рис. 5.6, б) равновесие его запорно-регулирующего элемента выражается уравнением

где — уменьшение силы из-за движения потока в зоне щели, приближенно определяемое по формуле

— скорость жидкости в щели; — расход; — увеличение силы в результате натекания потока со стороны седла

v — скорость жидкости во входном канале клапана.

Гидрораспределитель — это направляющий гидроаппарат, предназначенный для управления пуском, остановкой и направлением потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях в зависимости от внешнего управляющего воздействия. Наибольшее распространение в технике получили золотниковые распределители.

В золотниковый, например четырехлинейный, распределитель жидкость поступает от насоса через окно 1, а из распределителя она направляется через окно 2 к гидродвигателю (рис. 5.7), Слив жидкости из гидродвигателя также осуществляется через золотник — через окна 3 и 4.

При установившемся режиме расход жидкости через золотник

где = 0,60...0,75 - коэффициент расхода; — площадь перекрываемого проходного сечения золотника (D — диаметр золотника, х — ширина рабочей щели перекрываемого канала, — перепад давления в золотнике, — давление на входе, — давление на выходе из золотника).

рис. 5.7.

Осевая сила, необходимая для перестановки золотника (в отсутствие пружинного возврата), определяется выражением

где — сила инерции; — осевая гидродинамическая сила; —-сила трения, равная сумме сил трения покоя и движения со смазкой . причем по экспериментальным данным сила трения покоя составляет примерно (0,23...0,34) F_a, а сила трения в движении со смазкой

где v — кинематическая вязкость; р — плотность жидкости; v₃ — скорость движения золотника; — площадь щели, перекрываемой золотником; — радиальный зазор между плунжером и корпусом распределителя.

При пропуске жидкости через золотниковый распределитель возникают осевые гидродинамические силы. Одна из них появляется вследствие снижения давления в области кромок выходной щели 5 (рис. 5,7), а другая — в результате натекания потока на торец сливной кромки 6. Поскольку эти силы действуют в одну сторону, противоположную перестановочной силе , их определяют суммарно. Например, для четырехлинейного распределителя

где Q — расход жидкости; — ее плотность; — перепад давления в золотнике; — угол наклона потока относительно оси золотника при вытекании из выточки.

Сила инерции зависит от ускорения и приведенной массы т золотника и связанных с ним деталей

2. Ход работы.

1. Реверсирование гидроцилиндра объемного гидропривода поступательного движения (рис. 5.1, б) производится с помощью золотника (рис. 5.7). Определить усилие на штоке гидроцилиндра, если его диаметр , диаметр цилиндра , расход рабочей жидкости , давление перед золотником , диаметр золотника , его смещение , коэффициент расхода , плотность рабочей жидкости . Потерями давления в гидролиниях пренебречь.

Варианты заданий:

№ Варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
,мм	25	20	21	22	23	24	26	27	28	29
, мм	50	45	46	47	48	49	51	52	53	54
,л/с	0,6	0,5	0,55	0,65	0,6	0,5	0,55	0,65	0,65	0,55
,МПа	15	10	10,5	11,5	12	12,5	15,5	16	16,5	17
,мм	15	14	15	16	13	15	14	15	16	13
,мм	1	1,5	2	2,5	2	1	1,5	2	2,5	2
	0,65	0,60	0,61	0,62	0,63	0,65	0,60	0,61	0,62	0,63
,	890	870	880	890	900	890	870	880	890	900

Пример:

Находим перепад давлений в золотнике:

Па

Давление на выходе из золотника:

МПа

Усилие на штоке при нагнетании жидкости в поршневую полость гидроцилиндра:

При нагнетании жидкости в штоковую полость:

2. Определить перестановочную силу, приложенную к золотнику четырехлинейного распределителя (рис. 5,7) в момент открытия щели на величину , когда скорость равномерного движения золотника составляла , а перепад давления . Диаметр золотника , радиальный зазор между гильзой и золотником , коэффициент расхода . Рабочая жидкость — масло ИС-50 с температурой . Принять = 69°.

Варианты заданий:

№ Варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
,мм	2	1	1,5	2,5	2	1	1,5	2,5	2,5	1,5
,мм/с	5	4	4,5	5	5,5	6	4,5	5	5,5	6
,МПа	1	1,1	1,2	1,3	1	1	1,1	1,2	1,3	1
, мм	20	15	16	17	18	19	21	22	23	24
,мм	0,05	0,04	0,06	0,05	0,04	0,06	0,05	0,04	0,06	0,05
	0,6	0,64	0,65	0,66	0,67	0,68	0,69	0,70	0,6	0,64
	50	40	45	50	50	40	45	50	45	50

Пример:

Вычисляем величину проходного сечения щели золотника:

Расход жидкости через золотник определим:

Расчет силы трения в движении золотника:

Осевую гидродинамическую силу найдем из выражения:

Перестановочное усилиенаходим:

3. Жидкость через дроссель подается в поршневую полость гидроцилиндра диаметром . Определить давление жидкости перед дросселем, при котором поршень будет перемещаться со скоростью , если усилие на штоке , проходное сечение дросселя , а коэффициент расхода (рис. 5.1, б). Объемный КПД гидроцилиндра . Трением в гидроцилиндре и давлением в штоковой полости пренебречь.

Варианты заданий:

№ Варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
,	900	850	860	870	880	910	920	930	940	950
,мм	100	90	92	94	96	98	102	104	106	108
,см/с	5	4	4,5	5,5	6	5	4	4,5	5,5	6
,кН	4	3	3,5	4,5	5	4	3	3,5	4,5	5
,	8	7	7,5	8	8,5	8	7	7,5	8	8,5
,	0,66	0,67	0,68	0,69	0,70	0,66	0,67	0,68	0,69	0,70
,	0,98	0,858	0,90	0,92	0,94	0,96	0,98	0,92	0,94	0,9