Что такое гидравлический механизм
Гидропривод
Гидравлический привод [вверх]
Гидравлический привод — устройство, предназначенное для приведения в движение машин и механизмов с помощью гидравлической энергии.
Составной частью гидропривода является гидравлический механизм, который работает под давлением, и имеет один или несколько объемных гидродвигателей.
К устройствам гидропривода относятся
Функции гидропривода [вверх]
В состав гидропривода входит ряд основных устройств, которые выполняют следующие функции: насос, как поставщик гидравлической энергии; гидравлический двигатель, как потребитель гидравлической энергии, и преобразователь ее в механическую энергию; гидрораспределители, дроссели, которые регулируют поток рабочей жидкости, управляя движением выходного звена гидродвигателя; для перемещения рабочей жидкости внутри гидросистемы, а также подачи ее к соответствующим устройствам, используются гидролинии; отделение из гидравлической жидкости загрязнений, образующихся во время эксплуатации системы, осуществляется с помощью фильтра; для регулирования температуры жидкости применяются различные устройства, выполняющие как нагрев, так и ее охлаждение.
Основной задачей гидропривода, как и механической передачи, остается преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с нагрузкой (регулирование, защита от перегрузок и др.). Другая функция — это передача мощности от приводного двигателя к рабочим механизмам машины (например, в одноковшовом экскаваторе — передача мощности от двигателя внутреннего сгорания к ковшу или к гидродвигателям привода стрелы, и т. д.).
Что же собой представляет система гидроуправления?
Это система, обеспечивающая управление гидропередачей и состоящая из функциональных золотниково-клапанных устройств, колонок управления и насосно-аккумуляторной части.
Благодаря системе гидроуправления мы обеспечиваем:
Типы гидроприводов [вверх]
Гидравлические приводы типизируются как объемные и гидродинамические.
Объемные гидроприводы характеризуются большим давлением (до 300 МПа и выше) и небольшими скоростями движения жидкости. Они работают за счет потенциальной энергии давления жидкости. Также к гидромашинам объемного типа относятся насосы и гидравлические двигатели этих приводов, функционирование которых связано с поочередным наполнением рабочей полости гидравлической жидкостью и выталкиванием ее из полости. Представителями объемных гидромашин являются аксиально-поршневые и пластинчатые гидравлические насосы и двигатели. Как правило, гидродинамические приводы работают за счет кинетической энергии потока рабочей жидкости. Их главное отличие — высокая скорость перемещения жидкости и небольшое давление системе (обычно в интервале 1. 2 МПа). В связи с тем, что габаритные размеры и масса гидродинамических приводов намного больше, чем у объемных приводов, последние стали более распространены.
Классификация объемных гидроприводов
Существуют следующие разновидности объемных гидроприводов: с вращательным, поступательным и поворотным движением (в зависимости от вида перемещения выходного звена); регулируемый (дроссельный, объемный, объемно-дроссельный), нерегулируемый и саморегулируемый (по возможности регулирования скорости выходного звена); программный, следящий, стабилизированный (в соответствии с решаемыми задачами регулирования); с замкнутой и разомкнутой системой циркуляции (по виду циркуляции рабочей жидкости); насосный, аккумуляторный, магистральный (по способу подачи рабочей жидкости); с электроприводом, приводом от двигателя внутреннего сгорания, турбины (в соответствии с типом двигателя, используемого в приводе).
Область применения гидроприводов [вверх]
Гидроприводы объемного типа широкое применяются:
Преимущества гидроприводов [вверх]
В качестве приводов для станков нашли широкое применение регулируемые объемные гидроприводы, а также для литейного и прессового оборудования, прокатных станков, строительных, дорожных, подъемных, транспортных и сельскохозяйственных машин. Такой широкий спектр их применения объясняется явно выраженными преимуществами гидропривода по сравнению с электрическими или механическими.
Среди основных достоинств можно выделить следующие элементы:
1. У данного привода высокая удельная мощность. То есть, транслируемая мощность, которая приходится на одну единицу суммарного веса всех элементов. Этот показатель в 3-5 раза выше, чем у электрического аналога. При чем это преимущество повышается с ростом подаваемой мощности.
2. Очень просто, к тому же, в обширном диапазоне, обеспечивается вариант бесступенчатого выбора скорости, выходящего звена самого гидропривода.
3. Высокая скорость быстродействия гидропривода. В несколько раз быстрее будет выполняться активизация операции по спуску, реверсу или остановке. Все это благодаря тому, что у гидропривода малый момент инерции у исполнительного органа двигателя.
4. Величина коэффициента усиления гидроусилителя по мощности довольно значительная и достигает отметки в 10^5.
5. Простота реализации технологических действий при определенно-заданном режиме, а также вариант элементарного, но надежного предохранения приводящего мотора и остальных элементов гидропривода от вероятных перегрузок.
6. Весьма эффективно и просто преобразуется вращательные движения в возвратно – поступательные.
7. Компоновка агрегатов гидропривода полностью свободная и не имеет каких-либо ограничений.
8. Очень удобно то, что к гидроприводу можно подключать любое дополнительное гидравлическое оборудование. Например, дисковые пилы, захваты, отбойные молотки, разнообразные ковши.
9. Слабое воздействие гидропривода на руки рабочего, не способствует быстрой его утомляемости.
Недостатки гидроприводов [вверх]
Однако есть у гидропривода и свои недостатки. Отметим их:
1. Гидропривод имеет относительно низкий уровень КПД, а также при передаче энергии на дальние расстояния происходит значительная ее трата.
2.Рабочие характеристики гидропривода зависят от действующих эксплуатационных условий, таких как давление, температура.
3. Чувствительны к загрязненной рабочей жидкости. Необходимо проводить регулярное обслуживание данного агрегата. Если рабочая жидкость загрязненная и какими-либо абразивными элементами, то это может привести к быстрому износу определенных частей прецизионных пар в агрегатах гидравлического типа и возможному их выходу из строя.
4. По мере его выработки или части его элементов заложенного эксплуатационного периода работы, происходит понижение уровня КПД, а также снижение характеристик данного аппарата. Сначала изнашиваются прецизионные пары, что приводит к увеличению размеров зазоров, а также к возрастанию утечек рабочей жидкости. То есть – понижению уровня объемного КПД агрегата.
Таким образом, приводы гидравлического типа обладают, как явными преимуществами перед иными типами приводов, так и имеют свои недостатки.
Поэтому проектируя и изготавливая данные приводы необходимо четко изучить поставленные задачи определенного характера. К таким задачам конструктора при проектировании гидропривода добавляется оптимизация схемы работы, обеспечивающая выполнение данным агрегатом необходимый функциональных требований, и определенный выбор элементов привода. Основные неисправности гидросистем и способы их устранения
Принцип работы гидравлики
Гидравлическая система: расчет, схема, устройство. Типы гидравлических систем
Гидравлическая система представляет собой устройство, предназначенное для преобразования небольшого усилия в значительное с использованием для передачи энергии какой-либо жидкости.
Сфера использования
Принцип действия
Работает любая гидравлическая система по принципу обычного жидкостного рычага. Подаваемая внутрь такого узла рабочая среда (в большинстве случаев масло) создает одинаковое давление во всех его точках. Это означает то, что, приложив малое усилие на маленькой площади, можно выдержать значительную нагрузку на большой.
Далее рассмотрим принцип действия подобного устройства на примере такого узла, как гидравлическая тормозная система автомобиля. Конструкция последней довольно-таки проста. Схема ее включает в себя несколько цилиндров (главный тормозной, заполненный жидкостью, и вспомогательные). Все эти элементы соединены друг с другом трубками. При нажатии водителем на педаль поршень в главном цилиндре приходит в движение. В результате жидкость начинает перемещаться по трубкам и попадает в расположенные рядом с колесами вспомогательные цилиндры. После этого и срабатывает торможение.
Устройство промышленных систем
Гидравлический тормоз автомобиля — конструкция, как видите, довольно-таки простая. В промышленных машинах и механизмах используются жидкостные устройства посложнее. Конструкция у них может быть разной (в зависимости от сферы применения). Однако принципиальная схема гидравлической системы промышленного образца всегда одинакова. Обычно в нее включаются следующие элементы:
Преимущества и недостатки гидравлических систем
К достоинствам узлов, работающих по этому принципу, можно отнести:
Помимо достоинств, имеются у гидравлических промышленных систем, конечно же, и определенные недостатки. К таковым относят:
Расчет гидравлической системы
При проектировании подобных устройств принимается во внимание множество самых разных факторов. К таковым можно отнести, к примеру, кинематический коэффициент вязкости жидкости, ее плотность, длину трубопроводов, диаметры штоков и т. д.
Основными целями выполнения расчетов такого устройства, как гидравлическая система, чаще всего является определение:
Производится расчет гидравлической системы с использованием разного рода арифметических формул.
Типы гидравлических систем
Подразделяются все такие устройства на две основные группы: открытого и закрытого типа.
Открытую конструкцию имеют обычно устройства малой и средней мощности. В более сложных системах закрытого типа вместо цилиндра используется гидродвигатель. Жидкость поступает в него из насоса, а затем снова возвращается в магистраль.
Классификация гидравлических машин
Гидравлические машины классифицируют по принципу действия и внутреннему строению.
Главное разделение – насосы и гидравлические двигатели.
К насосам относятся такие группы:
Гидравлические двигатели разделяются на:
Однако у гидравлических двигателей, большинство моделей можно использовать как насос. Следовательно, они могут разделяться на объёмные и динамические.
Принцип работы и устройство гидромашин
С развитием технологий, появляется все больше новых машин, используемых в различных отраслях промышленности.
Лопастные насосы
Этот тип гидромашин, получил огромное распространение в обеспечение населения водой. Эти насосы можно разделить на осевые и центробежные.
Если говорить о принципе действия центробежного насоса, то в этом случае жидкость будет двигаться от центра колеса к периферии под воздействием центробежных сил.
Из каких элементов состоит: основное колесо (рабочее) на котором располагаются лопасти, подвод воды и отвод, а также двигатель. Колесо состоит из двух круглых пластин, между которыми располагаются изогнутые лопасти и подвижная ось двигателя. Колесо вращается в противоположную сторону изгиба лопаток. Тем самым, двигатель с помощью него передаёт потоку механическую энергию.
Осевой насос подразумевает движение жидкости только вдоль подвижной оси, на которой могут располагаться несколько рабочих колёс с лопастями. Они расположены так, чтобы вода поднималась вокруг оси до нужно отметки. В некоторых моделях таких насосов, можно регулировать положение лопастей.
Поршневой насос
Принцип работы заключается в вытеснение жидкости находящийся в рабочей камере, с помощью подвижных элементов насоса. Рабочая камера представляет собой емкость, в которой есть вход и выход для жидкости. Подвижные элементы бывают трёх видов: диафрагма, плунжер и поршень.
Устройство поршневого насоса: шатун, кривошип, поршень, цилиндр (корпус в котором двигается вытесняющая поверхность), пружинные клапаны (впускной и выпускной), ёмкость для жидкости.
Именно поршневые модели являются самыми распространёнными из вытеснителей. В них может присутствовать один, два или несколько поршней.
Плунжерные варианты используются реже вследствие своей дороговизны (это связанно с высокой точностью изготовления движущихся элементов). Однако их преимуществом перед поршневыми, является возможность получения высокого давления.
Состоит плунжерный насос из: ведущий вал, кулачок, плунжер, корпус (цилиндр), пружина (плунжер двигается вперёд с помощью кулачка, а обратно под воздействием пружины).
Самый постой в изготовление, вследствие этого дешёвый вариант – Диафрагменный насос. Из-за простой конструкции, этот вариант не подходит для создания большого давления. Прочность диафрагмы не предназначена для высоких нагрузок. Он состоит из: шток, гибкая диафрагма, корпус, два клапана (впускной и выпускной).
Шестерные насосы
Это машины роторного типа. Они получили большую популярность среди нерегулируемых насосов. Такой агрегат состоит из: две одинаковые шестерни (зацепленные друг за друга), камера п-образной формы (в ней и находятся шестерни), разделитель.
Принцип работы: после запуска двигателя, из всасывающего отверстия, вода попадает в зону между зубьями. Дальнейшее вращение шестерней, приводит к передвижению жидкости в нагнетательную плоскость. В месте зацепления шестерен, жидкость вытесняется и под воздействием давления попадает к дальнейшим рабочим частям насоса.
Преимущества таких гидромашин:
Пластинчатые гидромашины
Это не то же самое, что и лопастные машины (динамический вид). Рабочими поверхностями здесь являются шиберы (пластины). Они относятся к объёмному виду. Подвижным элементом является ротор. Он совершает вращательные движения. А шиберы двигаются по возвратно-поступательной траектории внутри ротора.
Пластинчатые гидромашины подразделяются на две группы: однократные и двукратные. Первый вариант может быть регулируемым, второй нерегулируемый.
Состоят такие агрегаты из: шиберы с пружинами (от двух и более), рабочие камеры (условно разделяются пластинами), ротор.
Рабочий процесс: после запуска двигателя, ротор начинает движение. Шиберы под воздействием пружин, плотно соприкасаются со стенками статора и разделяют общую рабочую емкость на две герметичные камеры (если пластине две). Под воздействием всасывания, емкости заполняются жидкостью и в ходе вращения, передают её в выходное отверстие.
Преимущества пластинчатых гидромашин:
Поворотный гидродвигатель
Особенностью таких агрегатов, является ограничение угла рабочего вала. Они широко применяются в создание рулевого управления сельскохозяйственных машин. Угол оборота, напрямую зависит от количества пластин. Если она одна, он будет составлять примерно 270 градусов, если две – 150, три – 70.
Чтобы регулировать работу вала, потребуется специальный гидрораспределитель. Этот вид агрегатов не подходит для работы с большим давлением жидкости.
Гидротурбины
В этих гидромашинах, механическая энергия протекающей жидкости, передаётся лопастям рабочего колеса. Самый масштабный и яркий пример использования гидротурбин, это гидроэлектростанции. Они разделяются на реактивные и активные.
Состоит такой агрегат из рабочего колеса, подводящего аппарата или сопла (зависит от типа турбины).
По внутреннему строению их можно разделить на ковшовые, диагональные, осевые и радиально-осевые.
Предшественником гидротурбин, можно назвать водяное колесо, которое приводилось в движение с помощью мощного потока воды (их устанавливали на реках или больших ручьях).
Осевые турбины
Самые быстроходные из всех видов турбин. Рабочее колесо по форме напоминает вентилятор с большими лопастями, которые могут быть как фиксированными, так и подвижными. В таких турбинах обязательно устанавливается подающий аппарат. Он отвечает за КПД агрегата, а также в нужным момент полностью перекрывает подступ воды к лопастям. Также обязательным элементом, являются трубы для откачивания воды.
Поворотно-лопастные турбины
Осевой вид турбины, с изменяющими своё положение лопастями. Всего их в такой конструкции может быть 8 штук. Сама конструкция напоминает гребной винт. Изменение положения лопастей, даёт возможность сохранять высокий показатель КПД при уменьшении и незначительном увеличение силы напора. Если лопасти зафиксированы, этот вид будет называться пропеллерным. Он самый дешёвый и самый ограниченный в возможностях (может работать только в одной силе потока).
Самым редким вариантом поворотно-лопастных турбин, являются двухперовые. Их главное отличие от других видов, это разделение лопасти на два пера. Такие модели активно используют за границей.
Радиально-осевые турбины
Его главной особенностью является простота конструкции и невысокая цена. На самых больших гидроэлектростанциях, установлены именно такие гидротурбины. Им принадлежит рекорд по выдаваемой мощности.
В этом виде турбин жидкость поступает на рабочее колесо с наружной стороны. Проходя по радиусу, минуя множество каналов определённой формы, она достигает центра и заставляет ротор раскручиваться. Для того, чтобы жидкость поступала равномерно и правильно, колесо окружается спиральной камерой, за которой находится направляющий аппарат. Его лопасти располагаются под определёнными углами, для увеличения КПД турбины. Когда вода отдала свою механическую энергию рабочему колесу, она откачивается с помощью специальных труб.
Главным минусом этого вида турбин, являются фиксированные лопасти. Тем самым, радиально-осевая турбина может показать высокой значение КПД, только при определённых напорах. Если использовать Радиально-осевую турбину при напоре в 700 м, её размер должен быть огромен, вследствие чего, она сильно проигрывает ковшовым турбинам. Максимально допустимой силой напора, для достижения высокого показателя КПД, будет отметка в 300м.
Диагональные турбины
Этот вид вобрал в себя лучшие качества двух предыдущих. Диагональные турбины, являются новой разработкой, по сравнению с другими. Главной особенностью этого вида, является гол наклона лопастей (30-60 градусов). И в это же время, лопасти можно регулировать. Вследствие этого, диагональные турбины подходят для обширного диапазона мощностей потока, сохраняя высокий показатель КПД.
Однако такая универсальность и производительность дорого обходится. Это связанно со сложностью конструкции.
Есть диагональные турбины с фиксированными лопастями. Они распространены на небольших ГЭС.
Ковшовые гидротурбины
Этот вид предназначен для работы с большими напорами. Ковшовые турбины относятся к активному типу в отличие от остальных. Рабочее колесо приводится в действие отдельными струями воды, попадающими на ковши колеса. Сами струи формируются с помощью направленных отверстий или сопл. Их может быть до шести штук. Рабочее колесо состоит из диска, с закреплёнными на нём ковшами.
Ковшовые гидротурбины разделяются на вертикальные и горизонтальные. Второй вариант используется на средних гидроэлектростанциях.
Гидравлические механизмы и их применение человеком
Под гидравлическим механизмом понимают совокупность оборудования и агрегатов, которые функционируют за счет энергии жидкой среды – потенциальной либо кинетической. Сила высокого напора в них трансформируется гидромоторами, гидронасосами и гидроцилиндрами. Управление жидкостными потоками, которые перемещаются по специальным магистралям (линиям), может осуществляться автоматически (с помощью клапанов) либо напрямую.
К числу гидравлических механизмов относятся и гидромашины – устройства, которые работают по принципу передачи энергии от вращающихся (или движущихся) твердых тел к гидрожидкости (как в турбинах, гидромоторах) или наоборот (как в гидравлических насосах).
Увеличение крутящего момента и силы в гидравлических механизмах
Наибольшее распространение гидравлические механизмы получили в машиностроении – в приводах транспортных средств, промышленного оборудования, станков, прессов. Главное их преимущество заключается в том, что они способны передать большие усилия при малых размерах.
Простое приумножение крутящего момента и силы является важнейшим качеством любой гидросистемы. Не используя рычаги и шестерни, довольно массивные и увесистые по своей природе, такая система становится эффективной благодаря передвижению энергии от помпы к двигателю или изменению полезной поверхности гидроцилиндров, объединенных между собой. Кроме того, гидростатическая трансмиссия характеризуется еще и точным передаточным числом.
Схемы гидравлических механизмов и их типы
Работа любого гидравлического механизма зависит от движения жидкостных потоков, которые должны поступить в силовой агрегат и после этого возвратиться в гидробак. В емкости текущая среда проходит фильтрацию, после чего подается на следующий цикл. Этот маршрут называют разомкнутой гидравлической схемой и бывают она двух видов – с открытым и закрытым центром.
В схемах первого вида источником постоянного потока служит помпа. Возврат жидкости происходит посредством управляющего клапана (распределителя с открытым центром) без создания при этом высокого напора – если устройство установлено в центральную позицию. При другой позиции клапана потоки направляются либо в бак, либо в насос. Напор растет до тех пор, пока не получит отпор, в результате которого сработает предохранительный клапан. В таких схемах применяется последовательное соединение клапанов.
Схемы с закрытым центром реализованы так, чтобы весь напор доставлялся на управляющие клапаны не зависимо от их активации. Помпа нагнетает слабый напор, изменяет выходные потоки до команды оператора, который активирует клапан. При этом используемые клапана соединяются параллельным способом и имеют одинаковый напор. Такая схема может иметь три конфигурации:
Насосы (помпы) гидравлические и их характеристики
Гидронасосом называют гидравлическую машину, способную превратить энергию механического типа, полученную от двигателя, в гидравлическую путем повышения напора перемещаемой жидкости. Устройство вынуждает текущую среду перемещаться по контуру (благодаря различным значениям давления в помпе и гидропроводе) по горизонтали и вертикали (подача на высоту), циркулировать по системе.
Функционирует гидронасос следующим образом: рабочая среда поступает на зону всасывания, откуда захватывается через входную линию. Попадая внутрь устройства, жидкость перемещается от входа к выходу, по пути испытывая воздействие вытесняющих элементов и нагнетая напор. Покидает пространство помпы она через сливной канал. В зависимости от вида вытеснителей различают гидронасосы:
Помимо особенностей конструкции помпы различаются техническими характеристиками, которые определяют функциональность и возможности гидромашины. Это:
Силовые приводы для гидравлических механизмов
Для активации гидравлических механизмов используют силовой привод, в качестве которого могут быть:
На транспорте в роли приводящего устройства применяется основной двигатель машины – грузового автомобиля, трактора. Крутящий момент отбирается специальным механизмом, в составе которого значится коробка отбора мощностей (КОМ) и валы ВОМ, способные отнять до 40% мощности агрегата.
Гидравлические аккумуляторы
В составе гидравлических механизмов и систем часто используют гидроаккумуляторы – устройства, которые накапливают энергию текущей среды для дальнейшего ее использования. Благодаря применению агрегата, можно решить следующие проблемы системы:
Носителем потенциальной энергии в гидравлических аккумуляторах может быть механический или пневматический накопитель. К первому типу относятся пружинные и грузовые устройства, ко второму – агрегаты, в которых возврат накопленной энергии происходит благодаря действию сжатого газа – воздуха, азота.
Рабочая среда гидравлических механизмов
Рабочей средой для гидравлических механизмов является специальная жидкость, которая является носителем энергии. Ею может быть:
Кроме передачи гидростатического напора в системе, текущая среда смазывает подвижные элементы, предотвращая их чрезмерное изнашивание из-за трения, защищает поверхности от коррозии (поскольку содержит специальные добавки), выполняет теплообмен между узлами системы и окружающей средой.
Для различных систем используют гидравлические жидкости с определенными параметрами – вязкостью при разных температурах, смазывающими свойствами, нетоксичностью, упругостью, инертностью, устойчивостью к деструкции, теплопроводностью и теплоемкостью, высокой температурой вспышки.
При использовании гидрожидкостей необходимо четко соблюдать меры безопасности. Например, не стоит смешивать различные по свойствам или маркам масла (возможно вспенивание среды и отклонения в работе системы), нарушать рекомендации производителя, длительно хранить пропитанные маслами протирочные материалы, сложенные в одну кучу (возможно самовоспламенение).
Элементы фильтрации гидравлических механизмов
В гидравлических системах с целью дополнительной защиты дорогостоящих узлов и агрегатов используют гидравлические фильтры. Различаются они следующими параметрами:
Для очистки технических масел в КПП, двигателях, ГУР и т.д. применяют масляные фильтры – механические, центробежные, гравитационные и магнитные.