Введение. Настоящее учебное пособие предназначено для студентов специальности 120100 «технология машиностроения» и ориентировано на оказание им методической и

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов специальности 120100 «Технология машиностроения» и ориентировано на оказание им методической и практической помощи в изучении курса «Гидропневмопривод специальных технических систем».

Современные гидравлические и пневматические системы крайне разнообразны по принципу действия, назначению, конструкции устройств, составляющих систему, и по целому ряду других признаков. По своему назначению их можно разделить на системы, которые используют при управлении различными механизмами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс в этих объектах. Примерами систем первого класса могут служить системы, с помощью которых осуществляется управление технологическим оборудованием, приспособлениями и другими устройствами. Ко второму классу относятся системы смазки, охлаждения и обеспечения рабочего процесса при выполнении специальных технологических операций, например, при электрохимической обработке поверхностей деталей сложного профиля. Успешное изучение упомянутых гидравлических устройств невозможно без ознакомления с типовыми конструкциями элементов гидропневмоприводов, наиболее широко распространенных в промышленности схем гидропневмоприводов и методов их регулирования и управления.

В настоящем учебном пособии приведены необходимые теоретические сведения, рассмотрены особенности гидропневмопривода, используемого в технологии машиностроения, принципиальные конструктивные схемы элементов гидропневмосистем и их функциональные характеристики, приведены типовые схемы регулирования и управления, дается необходимый список специальной и справочной литературы.

Учебное пособие полностью обеспечивает теоретический курс по данной дисциплине в соответствии с требованиями ГОС и рабочей программы.

1. ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОПНЕВМОСИСТЕМ В ПРАКТИКЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКЦИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Системой называют совокупность каких-либо объектов, связанных определенными формами взаимодействия или взаимозависимости. Если объектами служат технические устройства, взаимодействие которых осуществляется с помощью жидкости или воздуха, то такие системы называют соответственно гидравлическими и пневматическими или сокращенно гидро- и пневмосистемами. Используемые в них жидкость и газ называются в дальнейшем рабочей средой, при этом к жидкостям отнесены те вещества, которые в гидромеханике в отличие от газов именуются капельными жидкостями.

Гидро- и пневмосистемы с давних пор используются в технике. С развитием фабричного производства возникла необходимость в передаче энергии на расстояние и в управлении машинами. Сначала для этого использовались механические устройства. В связи с усложнением производственных процессов для передачи энергии стали применяться воздух и жидкости под давлением.

В общем виде любой гидропривод можно представить в виде схемы, показанной на рис. 1.1. Эта схема упрощенно показывает основные элементы, входящие в состав гидропривода, их взаимосвязь, назначение и выходные рабочие параметры. Так, по схеме можно проследить преобразование энергии приводного электродвигателя в выполненную работу при движении рабочего органа станка. Основой гидропривода является гидропередача, в состав которой входят: 1 - входная гидравлическая машина - насос; 2 - выходная гидравлическая машина - гидродвигатель; 3 - гидролиния.

Рис. 1.1. Структурная схема гидропривода

В качестве гидродвигателей применяют различные гидромашины в зависимости от вида движения, которое необходимо получить: для прямолинейного возвратно-поступательного - гидроцилиндры; вращательного - гидромоторы и возвратно-поворотного - поворотные гидродвигатели. По типу применяемого гидродвигателя гидропривод также называют гидроприводом поступательного, вращательного или поворотного движения.

Между приводным двигателем и насосом может быть размещена входная механическая передача (редуктор) для изменения частоты вращения , полученной от выходного вала электродвигателя. Но чаще насос и приводной двигатель соединяют с помощью муфты. Выходную механическую передачу часто применяют для изменения вида движения или направления движения, осуществляемого гидродвигателем.

В общем случае входной вал насоса вращается с частотой , а создаваемый им поток рабочей жидкости характеризуется величиной расхода Q и давлением р. На выходном звене гидродвигателя нас интересуют прежде всего два параметра получаемого движения: скоростной и силовой. Для возвратно- поступательного движения: линейная скорость v₂ и усилие F₂, а для вращательного: частота вращения n₂ и крутящий момент М₂. При этом первый параметр определяет подачу насоса на основании уравнения неразрывности, а второй зависит от давления р.

Гидропривод осуществляет передачу энергии с двойной ее трансформацией: вначале механическая энергия, полученная от электродвигателя, превращается в насосе в энергию потока рабочей жидкости; потом в гидродвигателе происходит обратная трансформация: энергия рабочей жидкости преобразуется в механическую энергию на выходном звене гидродвигателя.

Такая трансформация ведет к неизбежным потерям части энергии. Эффективность работы привода с точки зрения полезного использования энергии можно оценить количественно по величине коэффициента полезного действия (КПД). Современные технические решения позволяют создавать гидроприводы, не уступающие по КПД электроприводам в области средних и больших мощностей, несмотря на потери энергии в процессе трансформации.

Применяемые в технике гидравлические двигатели делят на объемные и динамические.

В объемных гидродвигателях перемещение или угол поворота выходного звена двигателя прямо пропорциональны объему рабочей жидкости, прошедшей через его рабочие камеры. Приводы, в которых используют объемные гидродвигатели, также называют объемными гидроприводами.

В динамических гидродвигателях механическое движение выходного звена создается за счет использования в основном кинетической энергии потока рабочей жидкости. Примером такого двигателя может служить турбина, на лопасти которой направляется струя жидкости под давлением. Динамические гидродвигатели применяют в приводах большой мощности, таких как трансмиссии автомобилей, тепловозов и др. В станках в основном применяют объемные гидроприводы, а динамические находят применение редко.

При реализации процессов технологии машиностроения основными объектами применения гидро- и пневмоприводов являются:

1) металлообрабатывающие станки, на которых производится обработка разнообразных деталей для всех отраслей машиностроения;

2) технологические приспособления и оснастка;

3) технологические процессы изготовления деталей;

4) средства комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.

1.1. Гидропневмоприводы металлообрабатывающих станков.

При обработке заготовок на современных металлообрабатывающих станках их рабочие органы и механизмы обеспечивают согласованные между собой перемещения заготовки и режущего инструмента, надежное крепление заготовки, автоматическую смену инструментов, снятие обработанной детали, установку заготовки и другие вспомогательные движения, т.е. в станке требуется приводить в движение большое число узлов и механизмов /1/. Устройства, выполняющие эти перемещения называют приводами. Под приводом подразумевают двигатель и те устройства, которые управляют его работой, изменяют скорость прямолинейного движения или частоту вращения рабочего органа, усилие или крутящий момент и т.д.

В современных металлообрабатывающих станках используют различные типы приводов /2, 3/ (электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные), применение которых зависит от многих факторов: назначения и технических требований к изготовляемым деталям, разновидности обрабатываемого материала, структуры принятого технологического процесса обработки, вида и типа производства, фактического уровня его развития и т.п.

В пневматических приводах используют двигатели, в которых механическое движение получается за счет использования энергии сжатого воздуха. Наиболее распространенный пневмодвигатель поступательного движения - пневмоцилиндр, отличающийся простотой конструкции, невысокой стоимостью и достаточной надежностью. Ограничением для применения пневмоприводов является использование в качестве рабочей среды сжатого воздуха. Из-за значительной сжимаемости воздуха затруднено регулирование и поддержание заданной скорости движения, получение равномерного движения рабочего органа при малых скоростях перемещения. Наибольшее распространение получили пневмоприводы, работающие при давлении около 0,4 - 0,6 МПа. Поэтому увеличение получаемых усилий возможно только за счет увеличения размеров пневмоцилиндров, что затрудняет их использование в конструкции станка. Указанные особенности пневмопривода определили область его наиболее рационального применения в станках - выполнение вспомогательных перемещений, а в промышленных роботах - рабочих перемещений узлов. В некоторых случаях используют и системы управления станками, построенные на пневматических логических элементах.

В гидравлических приводах для получения механического движения используют давление жидкости. Высокая подвижность и малая сжимаемость жидкостей позволяют с помощью простого по конструкции двигателя поступательного движения - гидроцилиндра - выполнить практически все требования, предъявляемые к движению рабочих органов в станках: по скорости, равномерности движения, усилиям, частоте переключений и др. Рабочие давления жидкости в гидроприводах станков значительно выше, чем давление сжатого воздуха в пневмоприводах, поэтому габаритные размеры гидравлических исполнительных механизмов соответственно меньше, чем пневматических, и они легче встраиваются в станок. Гидравлические двигатели вращательного движения также имеют меньшие размеры и массу на единицу мощности по сравнению с электродвигателями. Гидравлический привод удобно сочетается с другими типами приводов, электронными системами управления станками, а также имеет и другие преимущества, благодаря которым гидропривод является эффективным средством автоматизации станков и устройств, способствующих их более эффективному использованию (промышленных роботов, автоматизированных магазинов инструментов и складов продукции, устройств контроля размеров заготовок, деталей и др.).

По своему назначению гидравлический привод в станках делится на гидропривод главного движения, гидропривод подач и гидропривод вспомогательных перемещений /4/.

Приводы главного движения перемещают поступательно или вращают рабочие органы и узлы станков, которые несут на себе режущий инструмент или заготовку, причем это движение участвует в получении заданной формы детали и определяет при обработке скорость резания.

Приводы подач также перемещают рабочие органы или узлы станков, несущие инструмент или заготовку. Их движение также влияет на форму обрабатываемой поверхности детали, но скорость этих движений определяет только скорость подачи инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Приводы вспомогательных перемещений широко используют в станках для привода рабочих органов и узлов станка, движение которых не участвует при формообразовании детали. К гидроприводам вспомогательных перемещений обычно относят приводы зажимных устройств и устройств автоматической смены инструмента, транспортных и фиксирующих устройств, устройств перемещения измерительных приборов и др.

В станках гидродвигатели обычно размещают на рабочих органах или в непосредственной близости от них, а насосы - на гидробаках, при этом от одного насоса может питаться несколько гидродвигателей. В частном случае насос и гидромотор могут быть объединены в виде гидропередачи.

Все гидрооборудование можно разделить на три группы: гидромашины, гидроаппаратуру управления и вспомогательные гидравлические устройства. К первой относят гидродвигатели и насосы. Во вторую группу входят различные клапаны, распределители, дроссели, реле давления, регуляторы и др. Надежная работа гидропривода и станка обеспечивается при условии, что в гидросистеме поддерживается требуемое качество рабочей жидкости. Для этого служат устройства кондиционирования жидкости: фильтрующие устройства (фильтры), очищающие рабочую жидкость от механических загрязнений; устройства регулирования и поддержания температуры жидкости (теплообменники, нагревательные элементы, терморегуляторы) и др. Все они относятся к группе вспомогательных устройств (третья группа). В эту же группу входят и устройства для хранения и передвижения рабочей жидкости: гидробаки, трубопроводы, уплотнения и соединительные элементы. Для удобства компоновки и обслуживания гидропривода гидробак, насосный агрегат и устройства кондиционирования рабочей жидкости обычно объединяют конструктивно в виде гидравлической установки, которую располагают рядом со станком. На гидравлической установке по возможности размещают также манометр и гидроаппаратуру управления: предохранительные, обратные клапаны и др.

1.2. Гидроприводы станочных приспособлений и технологической оснастки.

Станочными приспособлениями называют дополнительные устройства к металлорежущим станкам, позволяющие наиболее экономично в заданных производственных условиях обеспечить заложенные в конструкции детали требования к точности размеров, формы и взаимного положения обрабатываемых поверхностей /5, 6/.

К станочным приспособлениям относятся: устройства для установки и закрепления обрабатываемых деталей на станках (приспособления), устройства для установки и крепления режущего инструмента на станках (вспомогательный инструмент) и др.

В настоящее время механизируют, а во многих случаях и автоматизируют, установку и закрепление обрабатываемых деталей, поворот приспособлений в процессе обработки, снятие обработанных деталей со станков, транспортировку их для последующей обработки и др. Для этих целей в отечественном крупносерийном и массовом производствах широко используется сжатый воздух, жидкости под давлением, электроэнергия и др. /7/. Наиболее широко используется сжатый воздух (пневматика), так как пневматические устройства, например пневматические приводы приспособлений, отличаются быстротой действия, относительной простотой конструкции, легкостью и простотой управления, надежностью и стабильностью в работе.

По быстроте действия пневмоприводы значительно превосходят не только ручные, но и многие механизированные приводы. Если, например, скорость течения масла, находящегося под давлением в трубопроводе гидравлического устройства, составляет 2,5 - 4,5 м/сек, а максимально возможная - 9 м/сек, то воздух, находясь под давлением 4 - 5 кг/см², распространяется по трубопроводам со скоростью до 180 м/сек и более. Поэтому в течение 1 ч возможно осуществить до 2500 срабатываний пневмопривода.

К преимуществам пневмопривода следует отнести то, что его работоспособность не зависит от колебаний температуры окружающей среды. Большое преимущество состоит также в том, что пневмоприводы обеспечивают непрерывное действие зажимной силы, вследствие чего эта сила может быть значительно меньше, чем при ручном приводе. Это обстоятельство весьма существенно при обработке тонкостенных деталей, склонных к деформациям при зажиме. Кроме того, сжатый воздух используют для удаления стружки и мелких деталей, для охлаждения инструмента во время обработки. Сжатый воздух применяют в непрерывно действующих притирочных устройствах. Турбинный пневмопривод используется в быстроходных сверлильных головках с числом оборотов до 100000 в минуту, которыми пользуются для сверления отверстий диаметром менее 0,25 мм. Чтобы использовать сжатый воздух в приспособлениях, требуется соответствующая силовая, воздухопроводящая, регулирующая и контролирующая аппаратура. Для предохранения рабочих органов этой аппаратуры от окисления, загрязнения и в связи с этим от преждевременного выхода из строя воздух должен быть освобожден от влаги, масла, кислот и всяких механических включений. Очистка воздуха обычно производится дважды. Предварительно в отдельных холодильных установках воздух под действием циркулирующей по трубам воды охлаждается до комнатной температуры и выделяет излишнюю влагу. Вторичная очистка воздуха происходит в расположенных на рабочих местах специальных фильтрующих устройствах, в которые он поступает от общезаводской или общецеховой компрессорной установки под давлением 4 - 5 кГс/см². Первоначальное давление воздуха, создаваемое компрессором, находится в пределах 7 - 8 кГс/см².

По конструкции силовой части пневмоприводы можно разделить на группу поршневых приводов и группу диафрагменных приводов. В этих приводах давление сжатого воздуха преобразуется в силу, действующую вдоль оси штока, связывающего привод с зажимным механизмом приспособления для обрабатываемой детали. Необходимая сила зажима детали в приводах первой группы создается с помощью одно- или двусторонне действующих поршневых цилиндров (пневмоцилиндров), в приводах второй группы также с помощью одно- или двусторонне действующих диафрагменных камер (пневмокамер), которые могут быть стационарными и вращающимися.

Односторонне действующие пневмоцилиндры применяются при относительно малой величине требующегося рабочего хода штока, двусторонне действующие - при большом ходе или при необходимости закреплять обрабатываемые детали при прямом и при обратном ходе поршня, например, при поочередном закреплении деталей в двух приспособлениях, расположенных с двух сторон от пневмоцилиндра. В практике встречаются пневмоцилиндры с движением двух поршней в разные стороны или с противоположным движением цилиндра и находящегося в нем поршня. Пневмокамеры применимы только при малых ходах штоков.

Гидравлические приводы по принципу работы аналогичны пневматическим поршневым приводам. В них также необходимая сила, с помощью которой осуществляется тот или другой элемент операции (зажим обрабатываемой детали, поворот приспособления и т.п.), создается с помощью цилиндров одно- или двустороннего действия. Однако оборудование и аппаратура гидроприводов существенно отличаются от оборудования и аппаратуры пневмо-приводов. Применять различные приспособления с гидроприводами можно либо на гидрофицированных станках, оснащённых собственной насосной станцией для питания рабочих цилиндров, либо при наличии отдельных гидроустановок, действующих от самостоятельного электро- или пневмодвигателя, либо при наличии мощных гидростанций, обслуживающих группу станков.

Основное достоинство гидроприводов состоит в возможности создания больших давлений в гидроцилиндрах (до 100 кГс/см² и более) при относительно небольших габаритных размерах цилиндров. Гидроприводы по сравнению с пневмоприводами более устойчивы при изменениях нагрузки на деталь в процессе обработки. Поэтому они широко применяются, например, в автоматических устройствах для копировальной обработки деталей. Высокое давление в гидроцилиндрах позволяет обойтись без специальных усилителей зажимов, часто необходимых при использовании пневмоприводов для закрепления деталей, при обработке которых возникают большие силы резания.

Гидроприводы имеют сложную конструкцию и затраты на их изготовление больше по сравнению с пневмоприводами. Кроме того, у гидроприводов происходит утечка масла через уплотнения в местах сопряжения подвижных деталей. Для сбора этого масла необходимо применять специальные устройства, а также расходовать при этом дополнительную энергию на циркуляцию в системе масла, перекачиваемого для восполнения утечки. На работоспособность гидропривода оказывает влияние качество масла, например, его вязкость. Обычно используется веретенное масло 2 или 3 и турбинное Л.

Вакуумными называют приводы, с помощью которых под обрабатываемой деталью или над ней создаётся разреженная полость, в результате чего деталь надёжно прижимается к буртику этой полости всей своей опорной поверхностью силой атмосферного давления. Деформация детали, возможная при использовании зажимов, создающих сосредоточенные силы, в этом случае исключается, хотя при больших размерах опорной поверхности сила зажима выражается сотнями и тысячами Ньютонов. Конструкция вакуумных приспособлений проста, так как в них не требуется создавать специальных механических устройств для закрепления обрабатываемых деталей. Применение вакуумных приспособлений особенно удобно для обработки плоских тонкостенных деталей из диамагнитных материалов, так как такие детали невозможно укреплять в магнитных и электромагнитных приспособлениях, очень удобных для крепления тонкостенных деталей из магнитопроводных материалов.

Вакуумные приводы иногда представляют цилиндрические емкости с двумя полостями, перегороженные жесткой перегородкой. Поршни этих полостей помещены на одном штоке, поэтому когда одна полость между перегородкой и поршнем заполняется сжатым воздухом, во второй полости создается разрежение. При подключении к этой полости приспособления, установленного на том или другом станке, в нее попадает воздух, находящийся под обрабатываемой деталью, установленной в зажимном приспособлении, и деталь оказывается закрепленной.

1.3. Гидропневмоприводы, обеспечивающие рабочий процесс при изготовлении и обработке деталей.

В настоящее время в технологии машиностроения достаточно широко применяют различные способы изготовления деталей, рабочие процессы в которых неразрывно связаны с движением жидких сред. При формообразовании заготовок к таким процессам относятся процессы центробежного литья, литья под давлением, процессы гидродинамической очистки отливок от остатков формовочной смеси, шлаков и т.п., процессы гидродинамической штамповки листовых заготовок, разнообразные сборочные процессы и т.д. В области размерной обработки к таким процессам относят электрохимическую и разнообразные комбинированные методы обработки /8-11/.

Сущность электрохимической размерной обработки заключается в растворении материала детали в электролитах под действием электрического поля. Также применяется и обратный процесс - гальванопластика, позволяющий покрывать поверхность детали слоем хрома, никеля, цинка, меди и др. за счет осаждения их ионов из растворов электролита. Под действием тока в электролите материал анода (в большинстве случаев это заготовка) растворяется и в виде продуктов обработки выносится из межэлектродного пространства (МЭП) потоком электролита. Кроме того в результате электрохимических реакций образуются и газообразные продукты, которые также удаляются с потоком электролита в атмосферу. Необходимым условием осуществления процесса ЭХО является удаление продуктов обработки из областей, расположенных в местах их активного выделения (прианодная и прикатодная области). В большинстве случаев это достигается принудительной прокачкой электролита /12/.

Если процесс ЭХО протекает в течение нескольких секунд, например, при маркировании деталей по схеме с неподвижными электродами, то электролит не успевает загрязниться продуктами обработки. В таких условиях электролит не прокачивают. При времени процесса до 8-10 секунд для перемещения электролита могут быть использованы ультразвуковые или низкочастотные вибрации электродов или влажные ленты, перемещаемые через электродный зазор. Если обрабатывают детали, предназначенные для перемещения газов или жидкостей (крыльчатки компрессоров, насосов, шнеков т др.), то электролит можно перемещать за счет вращения самой заготовки. Жидкость протекает по зазору между электродами со скоростью, регулируемой частотой вращения заготовки. В остальных случаях используют насосы. Наиболее широко применяют центробежные насосы, выполняемые из нержавеющей стали. Они не боятся загрязнения перекачиваемой жидкости и надежны в работе.

При ЭХО в электролите происходит накопление продуктов обработки и при малых межэлектродных зазорах между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью может происходить пробой и короткое замыкание. Поэтому электролиты в процессе эксплуатации подвергают очистке. Наиболее часто применяемыми способами очистки электролита является отстой, центрифугирование, очистка вакуумными и пресс-фильтрами, электрофлотацией или осаждением продуктов обработки с помощью коагуляторов. Электрохимические станки могут комплектоваться также тарельчатыми сепараторами, пластинчатыми отстойниками и другими устройствами для очистки электролитов. Регулирование температуры и состава электролитов осуществляют в специальных ваннах автоматическими системами. Для подогрева и охлаждения электролитов с целью стабилизации температурного режима обработки в ваннах устанавливают теплообменники.

Взаимное комбинирование традиционных и нетрадиционных технологических процессов механической обработки изделий привело к созданию, так называемых, комбинированных методов обработки. Комбинированные методы обработки образуются сочетанием различных технологических приемов, в каждом из которых пытаются использовать и усилить положительные признаки, необходимые для технологического процесса изготовления детали. Если одной из составляющих комбинированных способов является электрохимическая обработки детали в среде электролита, то для его принудительной подачи используют гидроприводы, аналогичные гидроприводам, применяемым в процессах ЭХО.

1.4. Применение гидропневмоприводов для средств комплексной механизации и автоматизации технологических процессов.

Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов при изготовлении деталей имеет целью повышение качества, производительности, коэффициента загрузки оборудования, улучшения условий труда, экономических показателей производства /13/.

Для сокращения вспомогательного времени при механической обработке деталей на металлорежущих станках автоматизации подвергают такие операции, как установка, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, смена и замена инструментов, контроль деталей на станке, транспортирование и подача в рабочую зону обрабатываемых заготовок, очистка металлорежущего инструмента от стружки и ее удаления от станка и т.д. Для этих целей широкое применение в технических системах находят гидравлические и пневматические приводы /1/.

Гидропривод обладает малой инерционностью подвижных частей, что обеспечивает его высокое быстродействие и позволяет быстро реверсировать и тормозить исполнительное устройство. Гидропривод имеет в 3-10 раз меньшую массу и габаритные размеры, чем электропривод. Он обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения, долговечен, конструкция устройств, предотвращающих его поломку при перегрузке, проста и надежна. Гидропривод позволяет легко обеспечивать автоматизацию циклов движений. КПД гидродвигателей находится в пределах 85-95 %, что выше, чем у электрических машин.

В станках с ЧПУ гидроприводы применяют чаще всего в движениях подач и как следящие приводы /14/. В цепях главного движения они применяются главным образом в станках с возвратно-поступательным движением. В станках с ЧПУ обычно применяются две схемы питания гидродвигателей: объемное (от гидронасоса с регулируемой производительностью) и дроссельное (посредством золотника). Диапазон регулирования величин подач в станках с ЧПУ должен перекрывать как рабочие подачи, так и быстрые перемещения. Он достигает 10000 мм/мин и выше. Необходимо обеспечивать высокую точность и плавность перемещений при малых рабочих подачах (1-4 мм/мин). В зависимости от системы управления приводы подач бывают дискретными (шаговыми) и следящими. Шаговый привод подачи применяется в разомкнутых (без обратной связи) системах управления. В шаговых приводах применяются шаговые электродвигатели (ШД), которые бывают маломощными (управляющими) и силовыми. В приводах с маломощными ШД в качестве усилителей крутящего момента обычно применяют гидравлические усилители. При этом крутящий момент гидромотора может превышать крутящий момент шагового двигателя до 300 раз.

Для удаления стружки от станков обычно применяют комбинации различных типов устройств. Так, например, стружка из каждого станка смывается сильной струей СОЖ и поступает в общий желоб, по которому движется в сборник. В сборнике СОЖ отделяется от стружки и подается насосом обратно к станкам. Для уборки стружки также применяются пневматические устройства, которые бывают с нагнетательной, всасывающей и всасывающе- нагнетательной системами.

2. СТРУКТУРА И СОСТАВ ТИПОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОПНЕВМОСИСТЕМ

Современные гидро- и пневмосистемы крайне разнообразны и могут различаться по принципу действия, назначению, конструкции устройств, составляющих систему, и по другим признакам. Однако в соответствии с выполняемыми функциями элементов в гидро- или пневмосистеме всегда можно выделить: источник питания, цепи управления и исполнительные устройства.

От источника питания производится снабжение остальных частей системы рабочей средой под давлением. Часто источниками питания являются отдельные насосные и компрессорные станции. Известны также системы, которые снабжаются рабочей средой, отбираемой от управляемой машины или аппарата. Источники питания должны иметь контрольно-регулирующую аппаратуру. Кроме того обычно к ним относят такие вспомогательные устройства, как газогидравлические аккумуляторы, гасители пульсаций давления, фильтры, холодильники и т.д.

Цепи управления представляют собой совокупность устройств, предназначенных для преобразования и передачи целенаправленных сигналов от операторов, или контролирующих какой-либо процесс автоматических устройств к исполнительным органам. В цепях управления. как правило, передаваемые сигналы усиливаются по мощности за счет использования энергии, подводимой с рабочей средой от источника питания.

Цепь управления и исполнительное устройство образуют гидравлический привод (гидропривод). если рабочей средой служит жидкость, и газовый привод, если рабочей средой является газ. Когда рабочей средой служит воздух, приводы сокращенно именуются пневмоприводами. Поскольку принципиальных отличий при исследовании протекающих процессов в пневмо- и газовых приводах нет, то не возникает необходимости отдельно рассматривать воздух и какой-либо другой газ, поэтому такие приводы обычно также относят к пневматическим.

Гидропневмоприводы формируют из типовых конструкций гидравлических машин, направляющей, регулирующей гидравлической аппаратуры и вспомогательных устройств с гидролиниями. Несмотря на большое разнообразие конструктивного исполнения этих элементов их принципиальные схемы и рабочие характеристики в целом остаются неизменными.

Гидравлическими машинами, называются машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидравлический двигатель). Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин. Их применяют для различных целей, начиная от водоснабжения населения и предприятии и кончая подачей топлива в двигателях ракет. Гидродвигатели имеют большое значение в энергетике. В настоящее время в Советском Союзе около 20 % всей электроэнергии вырабатывается на гидроэлектростанциях. Для использования гидравлической энергии рек и преобразования ее в механическую энергию вращающегося вала генератора на гидроэлектростанциях применяют гидротурбины, являющиеся одной из разновидностей гидродвигателей. Мощность современных гидротурбин доходит до 650 тыс. кВт. Турбины используют и при бурении скважин.

Насосы и гидродвигатели применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости. Гидропередача состоит из насоса и гидродвигателя. Насос, работающий от двигателя, сообщает жидкости энергию. Пройдя через насос, жидкость поступает в гидродвигатель, где передает механическую энергию исполнительному рабочему органу. Назначение гидропередач такое же, как и механических передач (муфты, коробки скоростей, редукторы и т. д.), однако по сравнению с последними они имеют следующие преимущества.

1. Большая плавность работы. Люфты, неизбежные в элементах механической передачи, а также неточность ее изготовления приводят к вибрациям. Включение и выключение механической передачи или изменение ее передаточного числа сопровождается толчками.

2. Возможность получения бесступенчатого изменения передаточного числа. В механических передачах изменение передаточного числа обычно производится ступенями. Механические передачи, допускающие бесступенчатое изменение передаточного числа (па-пример, фрикционные), недостаточно надежны и могут применяться только при малой мощности.

3. Возможность получения меньшей зависимости момента на ведущем валу от нагрузки, приложенной к исполнительному органу. Это упрощает обслуживание машин и предохраняет двигатель и трансмиссию от перегрузки.

4. Возможность передачи больших мощностей.

5. Малые габаритные размеры и масса.

6. Высокая надежность.

Эти преимущества привели к большому распространению гидропередач, несмотря на их несколько меньший, чем у механических передач КПД.

В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели.

2.1. Лопастные гидромашины.

Рабочим органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо, снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (лопастный насос) или от жидкости рабочему колесу (лопастной двигатель) передается путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью.

К лопастным насосам относятся центробежные и осевые. На рис. 2.1 изображена простейшая схема центробежного насоса.

1 - подвод; 2 - рабочее колесо; 3 - отвод; 4 - диффузор; 5 - язык

Рис. 2.1. Схема центробежного насоса консольного типа

Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов - подвода 1, рабочего колеса 2 и отвода 8. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из подводящего трубопровода. Назначением рабочего колеса является передача жидкости энергии от двигателя. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из ведущего а и ведомого (обода) б дисков, между которыми находятся лопатки в, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии. По отводу жидкость отводится от рабочего колеса к напорному патрубку или, в многоступенчатых насосах, к следующему колесу.

К наиболее распространенным лопастным гидродвигателям относятся радиально-осевые и осевые гидротурбины. Радиально- осевая гидротурбина принципиально не отличается по конструкции от центробежного насоса. Направление движения жидкости в ней и направление вращения колеса противоположны движению в центробежном насосе. Радиально-осевая турбина и центробежный насос являются обратимыми машинами и могут работать как в турбинном, так и в насосном режимах.

Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, многоступенчатые - несколько последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. На рис. 2.1 изображен одноступенчатый насос консольного типа. Рабочее колесо у этих насосов закреплено на конце (консоли) вала. Вал не проходит через область всасывания, что позволяет применить простейшую форму подвода в виде прямоосного конфузора.

2.2. Объемные гидромашины.

Объемной называется гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении ее из рабочей камеры. Под рабочей камерой объемной гидромашины понимается ограниченное пространство внутри машины, периодически изменяющее свой объем и попеременно сообщающееся с местами входа и выхода жидкости.

Объемная гидромашина может иметь одну или несколько рабочих камер. В соответствии с тем, создают гидромашины поток жидкости или используют его, их разделяют на объемные насосы и гидродвигатели.

В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями. Под вытеснителем понимается рабочий орган насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т.д.

По принципу действия, точнее по характеру процесса вытеснения жидкости, объемные насосы разделяют на поршневые (плунжерные) и роторные.

В поршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате лишь возвратно-поступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм).

В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно- поступательного движения вытеснителей (шестерен, винтов, пластин, поршней).

По характеру движения входного звена объемные насосы разделяют на вращательные (с вращательным движением входного звена) и прямодействующие (с возвратно-поступательным движением входного звена).

Объемный гидропривод это совокупность объемных гидромашин, гидроаппаратуры и других устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобразования движения посредством жидкости. Термин объемный гидропривод включает в себя понятие объемной гидропередачи, как части объемного гидропривода, состоящей из насоса, гидродвигателя (одного или нескольких) и связывающих их трубопроводов - гидролиний. Таким образом, гидропередача - это силовая часть гидропривода, через которую протекает основной поток энергии.

2. 3. Общие свойства объемных гидромашин.

К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие.

1. Цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и неравномерность подачи. Подача объемного насоса осуществляется не равномерным потоком, а порциями, каждая из которых соответствует подаче одной рабочей камеры.

2. Герметичность насоса, т.е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают, а являются проточными).

3. Самовсасывание, т.е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубопроводе до уровня расположения насоса. Высота всасывания жидкости при этом не может быть больше предельно допустимой. Лопастные насосы без специальных приспособлений не являются самовсасывающими.

4. Жесткость характеристики, т.е. крутизна ее в системе координат Н (или р) по Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления. Идеальная подача совсем не зависит от давления насоса (характеристики лопастных насосов обычно пологие).

5. Независимость давления, создаваемого объемным насосом, от скорости движения рабочего органа насоса и скорости жидкости. В принципе при работе на несжимаемой жидкости объемный насос, обладающий идеальным уплотнением, способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для получения высоких давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения колеса и большие скорости жидкости.

Объемные гидродвигатели в основном имеют те же свойства, что и объемные насосы, но с некоторыми отличиями, обусловленными иной функцией двигателей. Объемные гидродвигатели также характеризуются цикличностью рабочего процесса и герметичностью. Жесткость характеристик объемных гидродвигателей заключается в малой зависимости скорости выходного звена от нагрузки на этом звене (усилия на штоке гидроцилиндра и момента на валу гидромотора).

2.4. Величины, характеризующие рабочий процесс в объемных насосах.

Основной величиной, определяющей размер объемного насоса (объемного гидродвигателя) является его рабочий объем.

Рабочий объем насоса и частота его рабочих циклов определяют идеальную подачу. Идеальной подачей объемного насоса называют подачу в единицу времени несжимаемой жидкости при отсутствии утечек через зазоры. Осредненная по времени идеальная подача определяется по формуле

, (2.1)

где V₀ - рабочий объем насоса, т.е. идеальная подача насоса за один цикл (один оборот вала насоса);

n - частота рабочих циклов насоса (для вращательных насосов частота вращения вала);

V_k - идеальная подача из каждой рабочей камеры за один цикл;

z - число рабочих камер в насосе;

k - кратность действия нacoca, т.е. число подач из каждой камеры за один рабочий цикл (один оборот вала).

Таким образом рабочий объем насоса

. (2.2)

Чаще всего k = 1, но в некоторых конструкциях k = 2 и более.

Действительная подача насоса меньше идеальной вследствие утечек через зазоры из рабочих камер и полости нагнетания, а при больших давлениях насоса еще и за счет сжимаемости жидкости.

Отношение действительной подачи Q к идеальной называется коэффициентом подачи:

, (2.3)

где q_y - расход утечек;

q_сж - расход сжатия.

Когда сжатие жидкости пренебрежимо мало, коэффициент подачи равен объемному КПД насоса ():

. (2.4)

Полное приращение энергии жидкости в объемном насосе обычно относят к единице объема и, следовательно, выражают в единицах давления. Так как объемные насосы предназначены в основном для создания значительных приращений давления, то приращением кинетической энергии в насосе обычно пренебрегают. Поэтому давление насоса представляет собой разность между давлением р₁ на выходе из насоса и давлением р₂ на входе в него

, (2.5)

а напор насоса

.

Полезная мощность насоса

. (2.6)

Мощность, потребляемая вращательным насосом (затрачиваемая приводящим двигателем)

, (2.7)

где М_Н - момент на валу насоса;

- угловая скорость его вала.

КПД насоса есть отношение полезной мощности к мощности, потребляемой насосом

. (2.8)

Подобно тому, как это принято для лопастных насосов, для объемных насосов различают гидравлический , объемный и механический КПД, учитывающие три вида потерь энергии: гидравлические - потери напора (давления), объемные - потери на перетекание жидкости через зазоры, и механические - потери па трение в механизме насоса

; (2.9)

; (2.10)

, (2.11)

где - индикаторное давление, создаваемое в рабочей камере насоса и соответствующее теоретическому напору в лопастном насосе;

- потери мощности на трение в механизме насоса;

- индикаторная мощность, сообщаемая жидкости в рабочей камере и соответствующая гидравлической мощности в лопастных насосах.

Умножим и разделим на уравнение (2.8) и произведем перегруппировку множителей.

Получим

, (2.12)

т.е. КПД насоса (общий) равен произведению трех частных КПД - гидравлического, объемного и механического.

2.5. Общие свойства роторных насосов, их классификация.

К насосам, применяемым в гидроприводах и других гидросистемах, предъявляют высокие требования, основными из которых являются: малая удельная масса и объем, приходящиеся на единицу мощности, высокий КПД, возможность регулирования и реверса подачи, а также высокая быстроходность и большая надежность. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют роторные насосы.

Как указывалось выше, к роторным относятся объемные насосы с вращательным или вращательно-поступательным движением рабочих органов-вытеснителей. Жидкость в этих насосах вытесняется в результате вращательного (в шестеренных и винтовых насосах) или вращательного и одновременно возвратно-поступательного движения вытеснителей относительно ротора (в роторно-поршневых и пластинчатых насосах). Особенностью рабочего процесса таких насосов является и то, что при вращении ротора рабочие камеры переносятся из полости всасывания в полость нагнетания и обратно. Перенос рабочих камер с жидкостью делает излишними всасывающие и нагнетательные клапаны.

Отсутствие всасывающих и нагнетательных клапанов в роторных насосах является основной конструктивной особенностью, которая отличает их от поршневых насосов.

Роторный насос обычно состоит из трех основных частей: статора (неподвижного корпуса), ротора, жестко связанного с валом насоса и вытеснителя (одного или нескольких). В некоторых роторных насосах ротор одновременно является и вытеснителем. В этих случаях в насосе должны быть еще подвижные элементы, называемые замыкателями, которые обеспечивают необходимую герметизацию рабочих камер. Например, в трехвинтовых насосах ведущий винт является одновременно ротором и вытеснителем, а два ведомых винта не нагружены моментами и выполняют функцию замыкателей.

Рабочий процесс роторного насоса складывается из трех этапов: заполнение рабочих камер жидкостью; замыкание (изоляции) рабочих камер и их перенос; вытеснение жидкости из рабочих камер.

Основными свойствами роторных насосов, вытекающими из специфики их рабочего процесса и отличающими их от поршневых насосов являются следующие.

1. Обратимость, т.е. способность роторных насосов работать в качестве гидродвигателей (гидромоторов). Это означает, что жидкость, подводимая к насосу под давлением, заставляет вращаться ротор и вал. Поршневые насосы этой способностью не обладают.

2. Большая быстроходность. Максимально допустимые значения частоты вращения для роторных насосов п = ( 2 - 5) 10³ об/мин, причем нижний предел соответствует большим насосам, а верхний - малым. Для поршневых насосов эти значения в несколько раз меньше.

3. Способность работать только на чистых (отфильтрованных и не содержащих абразивных и металлических частиц), неагрессивных и смазывающих жидкостях. Эти требования к жидкости обусловлены малыми зазорами в роторном насосе и трением между обработанными по высшим классам точности и чистоты поверхностями статора, ротора и вытеснителей.

Если первые два свойства роторных насосов являются их преимуществами, то третье свойство ограничивает применение этих насосов. Работа насосов на воде исключается, так как вода вызывает коррозию и ведет к быстрому изнашиванию рабочих органов.

На рис. 2.2 представлена классификация роторных насосов, соответствующая ГОСТ 17398-72.

Рис. 2.2. Классификация роторных насосов

По характеру движения вытеснителей роторные насосы разделяют на роторно-вращательные и роторно-поступательные; в первых рабочие органы совершают лишь вращательное движение, а во вторых - одновременно с вращательным еще и возвратно- поступательное движение относительно ротора.

Роторно-вращательные насосы разделяют на зубчатые и винтовые. В зубчатых насосах ротор и вытеснитель имеют форму зубчатых колес, а жидкость перемещается в плоскости их вращения. В винтовых насосах ротор имеет форму винта, который одновременно выполняет функцию вытеснителя, а жидкость в насосе перемещается вдоль осей вращения винтов. Основной разновидностью зубчатых насосов являются шестеренные.

К роторно-поступательным относятся шиберные (в основном пластинчатые) и роторно-поршневые насосы. Различие между ними заключается не только в форме вытеснителей (пластин и поршней) и характере движения жидкости в насосе, но и в способе ограничения (образования) рабочих камер. Если в пластинчатом насосе рабочие камеры ограничиваются двумя соседними вытеснителями (пластинами) и поверхностями ротора и статора, то в роторно-поршневых насосах они образованы внутри ротора и замыкаются вытеснителями.

Роторно-поршневые насосы по расположению рабочих камер делятся на радиально- и аксиально-поршневые.

2.6. Характеристики роторных насосов.

Характеристикой объёмных насосов, в том числе роторных, называют (в отличие от характеристики насосов лопастных) зависимость подачи насоса от его давления при постоянной частоте вращения вала. Так как идеальная подача объёмного насоса определяется его рабочим объёмом и частотой вращения, теоретическая характеристика насоса в указанной системе координат изображается горизонтальной прямой (рис. 2.3, а).

Действительная подача насоса отличается от идеальной на величину утечек через неплотности рабочих камер – зазоры – из полости нагнетания в полость всасывания (внутренние утечки) и наружу (внешние утечки).Таким образом, Q = Q_и – q_у. Так как уплотняющие зазоры в насосах малы и протяженны, а вязкость жидкости обычно значительна, режим течения жидкости в этих зазорах, как правило, ламинарный, поэтому при не очень высоких давлениях для

Рис. 2.3. Характеристики роторного насоса

утечек справедлив закон сопротивления Пуазейля (для зазора). Следовательно, расход утечек

q_y = Ap_н/m, (2.13)

где A – величина, зависящая от конструкции насоса и зазоров; ее можно считать постоянной для данного насоса; m - динамическая вязкость жидкости.

Давление насоса p_н для жидкости, перетекающей через зазоры, является потерей давления на трение по длине.

Отсюда следует, что действительная характеристика роторного насоса в той же системе координат изображается наклонной прямой. При этом, чем более совершенен насос, тем ближе эта прямая к идеальной характеристике (тем больше «жесткость» характеристики). Именно в таком виде характеристики роторных насосов используются потребителями гидромашин и приводятся в каталогах. Однако при выполнении графоаналитических расчетов гидравлических систем с использованием характеристик насосов удобнее последние изображать так же, как и характеристики лопастных насосов, в виде зависимости H_н (или p_н) от Q (рис. 2.3, б).

Регулирование подачи роторных насосов (при неизменной частоте вращения вала насоса) осуществляется двумя способами.

1. Установка переливного клапана (рис. 2.4, а) параллельно насосу, так что часть подачи может через клапан 2 возвращаться во всасывающий трубопровод.

Клапан закрыт, пока давление насоса

p_н < p_в = F_пр.о /S_кл, (2.14)

где F_пр.о – сила пружины при закрытом клапане;

S_кл – площадь отверстия, перекрываемого клапаном.

б)