Гидравлическое оборудование путевых и строительных машин

Под номинальным давлением рном гидромашины (на выходе насоса и на входе гидромотора) понимают наибольшее давление, при котором гидромашина должна работать в течение установленного срока службы с сохранением ее параметров в пределах установленных норм.

Под номинальной частотой вращения понимают наибольшую частоту вращения, при которой гидромашина должна работать в течение установленного срока с сохранением ее параметров в пределах установленных норм. Теоретическая подача насоса или расход гидромотора пропорциональны рабочему объему и частоте вращения, т. е. Qтном = Vnном В действительности вследствие объемных потерь рабочей жидкости действительная подача QH всегда меньше теоретический.

Объемные потери в насосе ДQH вызваны: внутренними перетечками рабочей жидкости из полости высокого давления (нагнетания) в полость низкого давления (всасывания) и наружными утечками через зазоры из корпуса по дренажному трубопроводу во всасывающую гидролинию или в бак; частичным заполнением рабочих камер жидкостью при всасывании вследствие гидравлического сопротивления входных каналов, кавитационных процессов и выделения воздуха, а также действия на жидкость в ряде случаев центробежных сил. Указанные объемные потери в насосе характеризуются объемным КПД nvн который представляет собой отношение действительной (полезной, фактической) подачи насоса к теоретической:

Объемные потери жидкости в гидромоторе ДQM отличаются от потерь в насосе лишь тем, что в моторе практически отсутствуют потери на всасывании и сводятся они в основном к утечкам жидкости через зазоры. Эти утечки приводят к тому, что действительный расход жидкости гидромотором QM превышает теоретический. В соответствии с этим объемные потери в гидромоторе уменьшают частоту его вращения по сравнению с теоретической и снижают объемный КПД, который представляет собой отношение теоретического расхода к действительному:

Теоретическая мощность насоса или гидромотора NT пропорциональна подаче (расходу) и перепаду давления на входе и выходе из гидромашины (Др=р1--р2):

Момент, требующийся для вращения вала насоса Мн (привод ной момент насоса), составляет

Механический КПД гидромашин учитывает механические потери энергии на преодоление сил трения движущихся (трущихся) механических частей насоса и мотора, трения этих частей о жидкость, трения жидкости о стенки каналов и местных сопротивлений - внутреннего трения частиц жидкости между собой. Полезная мощность насоса Nпол.н --это мощность, сообщаемая насосом рабочей жидкости:

Обычно полный КПД насосов, применяемых в гидравлических системах машин, колеблется от 0,75 до 0,94. При этом более высоким КПД обладают поршневые насосы, средним по величине -- пластинчатые (шиберные) и минимальным -- шестеренные насосы. Полный КПД гидромоторов, как правило, находится в пределах 0,8 ... 0,85.

5.2 Шестерёнчатые гидромашины

Шестеренными гидромашинами называются роторные машины с рабочими камерами, образованными рабочими поверхностями зубчатых колес, корпуса и боковых крышек.

Эти гидромашины являются одними из старейших представителей роторных гидромашин. Шестеренные насосы маркируются буквами «НШ», за которыми идет число, указывающее рабочий объем камеры в см3. Наличие в марке насоса буквы «Л» указывает на его левое вращение, а букв «В», «Е» и других -- на его модификацию. По виду зубчатого зацепления шестеренные гидромашины изготовляют с внешним и внутренним зацеплением. Наибольшее распространение в гидроприводах строительных машин нашли насосы первого типа.

В шестеренном насосе с внешним зацеплением (рис. 4.2) ведущая шестерня 5 и ведомая шестерня 7 размещены в расточках корпуса 6, который имеет полости всасывания а и нагнетания б. Обе шестерни равной ширины. К торцам шестерен прилегают втулки, компенсируя износ.

При вращении шестерен они переносят рабочую жидкость из полости всасывания в напорную. В напорную полость рабочая жидкость вытесняется зубьями шестерен, вступающими в зацепление. В момент зацепления между зубьями образуется плотный контакт, препятствующий поступлению жидкости из напорной полости обратно во всасывающую.

Достигнув всасывающей полости, зубья шестерен выходят из зацепления, создавая разрежение (вакуум). Преодолевая сопротивление всасывающей гидролинии, рабочая жидкость из бака поступает во всасывающую полость насоса, заполняя объем между впадинами шестерен. При дальнейшем вращении шестерен этот процесс повторяется. Шестеренный насос подает рабочую жидкость неравномерно, что вызывает пульсацию давления и вибрацию. Для уменьшения пульсации подачи необходимо увеличивать число зубьев. В существующих насосах число зубьев шестерен обычно не превышает 1G, так как увеличение их числа приводит к значительному увеличению габаритов насоса.

Следует также иметь в виду, что в напорной полости не весь объем рабочей жидкости вытесняется из впадин между зубьями. Небольшая часть ее, находящаяся в радиальном зазоре между дном впадины зуба одной шестерни и окружностью головок зацепляющейся с ней другой шестерни, переносится из камеры нагнетания в полость всасывания. Для увеличения подачи насоса или получения нескольких независимых потоков жидкости применяют многошестеренные насосы с тремя (рис. 4.3, а) и более шестернями, размещенными в одном корпусе с одной ведущей шестерней- Для получения потока с большим рабочим давлением применяют многоступенчатые насосы - последовательное соединение нескольких насосов (рис. 4.3, б). Для выравнивания подачи насосов в этом случае устанавливают переливные клапаны.

Шестеренные насосы типа НШ (НШ-10, НШ-32, НШ-32-2, НШ-46, НШ-50-2, НШ-67 и НШ-100-2) широко применяются на дорожностроительных машинах при низком и среднем давлении в гидросистеме (10 и 14 МПа). Они надежны в эксплуатации, сравнительно просты по конструкции, менее требовательны к чистоте рабочей жидкости и являются наиболее дешевыми по сравнению с другими типами насосов.

5.3 Пластинчатые гидромашины

Пластинчатая гидромашнна -- это роторная гидромашина с подвижными элементами в виде ротора, совершающего вращательное движение, и пластин, совершающих возвратно-поступательное движение во вращающемся роторе.

Пластинчатый насос и гидромотор по форме вытеснителей и по способу замыкания вытесняемого объема рабочей жидкости относятся к группе машин, в которых вытеснители выполнены в виде пластин (шиберов), помещенных в радиальных прорезях вращающегося ротора, а вытесняемые объемы замыкаются между двумя соседними пластинами и поверхностями статора и ротора. По числу пластин они бывают двух- и многопластинчатыми, а по виду действия -- однократного, двукратного и четырехкратного действия.

Из пластинчатых насосов однократного действия наиболее простым является насос с двумя пластинами 3 и 5 (рис. 4.6), подвижно монтируемыми в общем сквозном радиальном пазу ротора. Эти пластины образуют совместно с поверхностями статора 1 и ротора 7, смещенного относительно статора на величину e, две серповидные полости (камеры) а и Ь. При повороте ротора 7 относительно оси О1 в направлении, указанном стрелкой, объем камеры а насоса (отмечено на рис. 4.6 штриховкой), соединенной со всасывающей полостью 6, увеличивается, а камеры Ь, соединенной с нагнетательной полостью 4, уменьшается. В результате этого происходит всасывание рабочей жидкости через канал б и ее нагнетание через канал 4. Поскольку ротор 7 имеет плотный контакт с нижней частью статора 1, одна из пластин 3 или 5 в любом положении ротора отделяет всасывающую полость от нагнетательной. Для возможности радиального перемещения пластин и обеспечения плотного контакта со статором пластины поджимаются пружиной 2 к статору.

Многопластинчатые насосы однократного действия (обычно 6--12 пластин) применяются для снижения пульсации подачи рабочей жидкости.

На рис. 4.7 приведена схема одного из таких насосов, наиболее часто применяемых в системах подпитки основных насосов и в системах смазки.

Насос состоит из вращающегося ротора 2, в радиальных прорезях которого помещены пластины 3, и статорного кольца 1, ось которого смещена относительно оси ротора на величину е. Питание насоса жидкостью (всасывание) осуществляется через серповидное окно а (для данного направления вращения), а вытекание (нагнетание) -- через окно в. Окна расположены в боковых крышках насоса.

Принцип действия многопластннчатого насоса однократного действия аналогичен принципу действия двухпластинчатого. Но если за один оборот ротора в двухпластинчатом насосе будет совершен один рабочий цикл (всасывание и нагнетание рабочей жидкости), то в многопластинчатом насосе рабочих циклов будет в 3 или 6 раз больше соответственно для шести- или двенадцати-пластинчатого насоса.

В практике конструирования машин наряду с рассмотренными выше применяются и другие конструктивные схемы многопластинчатых насосов однократного действия. Так, на рис. 4.8 приведена конструктивная схема многопластинчатого насоса однократного действия с цапфовым распределением рабочей жидкости.

Напорное а и всасывающее в окна размещены в неподвижной цапфе 3. С рабочими камерами, образованными поверхностями ротора, статора, пластин и боковых дисков, эти окна соединены радиальными отверстиями d в роторе 1. Регулирование величины и изменение направления подачи (реверсирование) в таких насосах осуществляются соответствующим изменением величины и знака эксцентриситета е.

5.4 Радиально-поршневые гидромашины

Сравнительная оценка основных параметров различных типов гидромашин показывает, что каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки.

В последние годы для привода исполнительных механизмов вращательного движения все более широкое применение получают радиально-поршневые машины.

Радиально-поршневые машины, как и рассмотренные выше, обратимого действия. При этом гидромоторы по своему устройству бывают высокомоментные (низкооборотные) и низкомомент-ные (высокооборотные). Устройство, передающее вращательное движение с помощью высокомоментного (низкооборотного) гидромотора (ВМГ), по сравнению с устройством, передающим вращательное движение с помощью низкомоментного (высокооборотного) гидромотора и механического редуктора, характеризуется большей компактностью и меньшей массой, более высокими пусковым моментом (до 90%) и КПД, большим на 4 ... 6%.

Радиально-поршневым насосом называется роторный поршневой насос, у которого рабочие камеры образованы рабочими поверхностями поршней и цилиндров, а оси поршней расположены перпендикулярно к оси блока цилиндров (ротора) или составляют с ней углы 45°. В этих насосах жидкость вытесняется из рабочих камер (цилиндров) в процессе вращательно-поступательного движения вытеснителей.

Статор 1 радиально-поршпевого насоса (рис. 4.10) расположен эксцентрично относительно ротора 2. В цилиндрах, радиально расположенных в роторе (обычно 5 ... 9 шт.), находятся поршни 3, которые своей сферической головкой опираются на опорную (внутреннюю) поверхность статора. Оси цилиндров расположены в одной плоскости и пересекаются в одной точке (т. е. звездообразно). Распределение жидкости осуществляется неподвижным цапфенным распределителем 4, в котором А-- всасывающая, а Б -- нагнетательная полости.

Принцип работы насоса следующий. При вращении ротора, например, по ходу часовой стрелки поршни совершают сложное движение -- они вращаются вместе с ротором и движутся возвратно-поступательно в своих цилиндрах, при этом постоянно контактируют с опорной поверхностью статора. Такой контакт обеспечивается за счет центробежных сил, усилиями пружин 5 и давлением жидкости (при наличии подпитки). В рабочих камерах, расположенных выше горизонтальной осевой линии статора, поршни перемещаются в направлении от цапфы 4. При этом цилиндры соединены со всасывающей полостью А. Так как объемы рабочих камер увеличиваются, то рабочая жидкость заполняет их -- происходит процесс всасывания. Рабочие камеры, расположенные ниже осевой горизонтальной линии статора, соединены с полостью нагнетания Б. Поршни в этих камерах перемещаются в направлении к цапфенному распределителю и вытесняют рабочую жидкость на выход из насоса -- происходит процесс нагнетания.



Недостатком пластинчатых насосов однократного действия является трудность герметизации вытеснителей, особенно со стороны торцов, а также большая нагрузка на ось ротора и пластины от давления жидкости. Поэтому на практике более распространены нерегулируемые пластинчатые насосы двукратного и реже четырехкратного действия, которые обладают более высокими рабочим объемом и КПД.

Преимуществом пластинчатых насосов двукратного действия является уравновешенность радиальных сил давления рабочей жидкости на пластинчатый ротор, что позволяет использовать их при более высоком, чем у насосоп однократного действия, давлении жидкости -- до 16 МПа (160 кгс/см2) и выше.

Насосы двукратного действия конструктивно представляют собой два пластинчатых насоса однократного действии, размещенных в одном корпусе (рис. 4.9). Внутренняя поверхность статора 4 -- фасонного профиля, образует по две напорных a1 и a2 и всасывающих в1 и в2 полости. В результате этого за один оборот ротора 2 каждая пластина 3 дважды участвует в процессе всасывания и нагнетания. Пластинчатые насосы двукратного действия являются нерегулируемыми.

5.5 Аксиально-поршневые гидромашины

Аксиально-поршневой гидромашиной называется роторная машина, у которой рабочие камеры образованы поверхностями цилиндров и поршней, а оси поршней параллельны (аксиальны) оси блока цилиндров (ротора) или составляют с ней угол не >45°.

Аксиально-поршневые гидромашины при передаче равной мощности отличаются от других поршневых гидромашин наибольшей компактностью и, следовательно, наименьшей массой. Имея рабочие органы с малыми габаритными размерами и поэтому с малым моментом инерции, они способны быстро изменять частоту вращения. Эти специальные свойства обусловили их широкое применение в качестве регулируемых и нерегулируемых насосов и гидромоторов для гидропередач, обслуживающих дорожные, строительные, транспортные машины и другие системы, а также в следящих гидроприводах большой точности.

Согласно схеме передачи движения к вытеснителям различают линейные (с наклонным диском) и угловые (с наклонным блоком) аксиально-поршневые гидромашины. Обе разновидности гидромашнн выпускают с постоянным (нерегулируемым) и переменным (регулируемым) рабочим объемом.

Насосы с наклонным диском имеют наиболее простые конструктивные схемы. В них поршни 3 связаны с наклонным диском 4 точечным касанием (рис. 4.12, а) или шарнирами (рис. 4.12, б). Блок цилиндров 2 с поршнями 3 приводится во вращение валом 5. Для подвода и отвода рабочей жидкости к рабочим камерам в торцовом распределительном диске 1 имеются два дугообразных окна В и Н. Для обеспечения движения поршней во время процесса всасывания применяется принудительное перемещение поршней посредством шатунов 7 при шарнирном соединении поршней с наклонным диском, а для поршней с точечным касанием -- за счет цилиндрических пружин 6 или давления подпитки в полости низкого давления.

Принцип действия насоса заключается в следующем. При вращении вала насоса крутящий момент передается блоку цилиндров. При этом из-за наклона диска поршни совершают сложное движение: вращаются вместе с блоком цилиндров и одновременно с этим совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах блока, при котором происходят процессы всасывания и нагнетания. При вращении блока цилиндров рабочие камеры, находящиеся слева от вертикальной оси распределительного диска 1, соединяются со всасывающим окном В. Поршни в этих камерах движутся от распределительного диска. Объем камер при этом увеличивается, и жидкость под действием перепада давлений поступает в рабочую камеру. Так происходит процесс всасывания.

Рабочие камеры, находящиеся справа от вертикальной оси распределительного диска, соединяются с нагнетательным окном И. При этом поршни движутся в направлении к распределительному диску и вытесняют жидкость из рабочих камер через распределительный диск в напорную линию.

В насосе с наклонным блоком (рис. 4.13) поршни 3 расположены в блоке цилиндров 2 и шарнирно соединены шатунами 7 с фланцем 4 вала 5. Для отвода и подвода рабочей жидкости к рабочим камерам в торцовом распределительном диске / выполнены дна дугообразных окна В и Н. Карданный механизм 6 передает крутящий момент от вала 5 к блоку цилиндров 2. В остальном насос с наклонным блоком аналогичен насосу с наклонным диском. Аксиально поршневые насосы являются обратимыми гидромашинами и могут использоваться в качестве гидромоторов. Реверсирование гидромотора осуществляется изменением направления подводимого потока жидкости. Основными направлениями совершенствования конструкций аксиально-поршневых машин являются улучшение их энергетических показателей и в первую очередь таких, как номинальное давление, частота вращения и угол наклона блока цилиндров.

Наибольшее распространение в объемных гидроприводах мобильных машин, работающих в средних и тяжелых режимах нагрузок с большой частотой включения, получили аксиально-поршневые гидромашины серий 200 и 300. Аксиально-поршневые гидромашины серии 200 выпускаются в виде насосов с регулируемой и нерегулируемой подачей и реверсивных нерегулируемых гидромоторов. Структура условного обозначения аксиально-поршневых машин этой серии приведена на рис. 4.14.

По принципу действия аксиально-поршневые насосы и гидромоторы типа 210 являются обратимыми гидромашинами. Насос типа 210.20 (рис. 4.15) является гидравлической машиной объемного действия с аксиально-расположенными поршня - ми, совершающими возвратно-поступательное движение в рабочих камерах ротора.

Качающий узел состоит из приводного вала 1, семи поршней 11 с шатунами 12, блока цилиндров 6, центрируемого сферическим распределителем 7. За один оборот приводного вила каждый поршень совершает один двойной ход, при этом поршень, выходящий из ротора, засасывает рабочую жидкость в освобожденный объем, а при движении в обратном направлении -- вытесняет рабочую жидкость в напорную линию.

5.6 Гидроцилиндры

Гидравлическим цилиндром называется объемный гидродвигатель с ограниченным возвратно-поступательным движением выходного звена относительно корпуса. В зависимости от конструкции рабочей камеры гидроцилиндры подразделяют па поршневые, плунжерные, телескопические, мембранные и сильфонные. Цилиндры двух последних типов не нашли практического применения в гидроприводах строительных машин.

Наибольшее распространение на табельной технике железнодорожных войск получили поршневые гидроцилиндры, структура условного обозначения которых приведена на рис. 4.19.

В зависимости от продолжительности рабочего цикла, скоростей и усилий, которые должны развивать исполнительные механизмы, на строительных и дорожных машинах применяют гидроцилиндры различных типов с различными способами их включения в объемную гидропередачу.

Наибольшее применение получили поршневые цилиндры благодаря простоте конструкции и высокой надежности. Их подразделяют по следующим признакам: по направлению действия рабочей жидкости: одностороннего и двустороннего действия; по форме штока: с односторонним и двусторонним штоком; по виду выходного звена: с подвижным штоком и подвижным корпусом; по способу крепления корпуса гидроцилиндра.

В цилиндре одностороннего действия (рис. 4.20, а) шток расположен с одной стороны поршня и имеется лишь одна поршневая полость, поэтому движение штока под действием давления рабочей жидкости возможно только в одном направлении (рабочий ход). В противоположном направлении шток перемещается (вытесняя при этом жидкость из гидроцилиндра) только под влиянием возвратной пружины 6 или другой внешней силы.

В цилиндрах двустороннего действия имеются две рабочие полости -- поршневая и штоковая (рис. 4.20, б и в). Это дает возможность движение выходного звена осуществлять в обе стороны под действием давления рабочей жидкости. Чаще всего выходным звеном цилиндра является шток, однако в отдельных случаях им может быть и корпус цилиндра.

Крепление корпуса гидроцилиндра может быть жесткое и шарнирное: за корпус, заднюю и переднюю крышки (рис. 4.21). Для плавного замедления скорости поршня в конце его хода устраивается демпфирующее устройство (рис. 4.22).

Поршень 3 снабжен цилиндрическим выступом 4, который перед концом хода поршня входит в камеру 6, запирая тем самым и сливной полости 5 цилиндра некоторый объем жидкости. Скорость дальнейшего движения поршня будет ограничена, поскольку блокированная в полости жидкость должна быть выдавлена через дроссель 1 и узкую радиальную щель, образованную выступом 4 и стенками камеры 6, в результате чего в этой полости создается противодавление, скорость движения поршня гасится и он плавно достигает упора. Регулирование эффективности демпфирования осуществляется с помощью дросселя 1.

При реверсировании хода поршня жидкость движется через обратный клапан 2 в обход дросселя 1, ввиду чего на скорость этого перемещения поршня демпфер не влияет.

Для поршневых гидроцилиндров установлены следующие основные параметры: диаметр поршня D (главный параметр, по которому создаются типоразмеры цилиндров); диаметр штока d: ход поршня L; номинальное давление рном; масса цилиндра т. Значения названных параметров упорядочены ГОСТ и составляют:

5.7 Поворотные гидромашины

Поворотные гидродвигатели (моментные гидроцилиндры или гидроцилиндры поворотного действия) применяют для обеспеченна возвратно-поворотных движений (угловых перемещений) приводимых узлов машины на угол <360°. Угол поворота выходного звена (вала) такого двигателя ограничен.

Применение в объемных гидроприводах поворотных гидродвигателей упрощает кинематику передающих звеньев машин и механизмов по сравнению с гидроприводами, в которых для этих же целей используются гидроцилиидры. Это объясняется тем, что вал поворотного гидродвигателя может быть непосредственно соединен с валом приводного звена машины без каких-либо промежуточных элементов.

По конструкции рабочего органа различают пластинчатые (шиберные) и поршневые поворотные двигатели. В практике наибольшее распространение получили пластинчатые поворотные гидродвигатели, в которых рабочим органом является пластина, жестко соединенная с валом (рис. 4.23). По числу пластин они могут быть одно-, двух- и трехнластннчатымн.

Поворотные гидродвигатели способны развивать большие крутящие моменты, достигающие для трехпластинчатых двигателей 70 МН*м (70* 1О5 кгс* м) при давлении жидкости 20 МПа (200 кгс/см2) и роже 30 МПа (300 кгс/см2).

Однопластинчатый поворотный гидродвигатель состоит из корпуса 3 н поворотного ротора (вала) 4, несущего на себе пластину 5. Кольцевая полость между внутренней поверхностью цилиндра и ротора разделена уплотнительной перемычкой 1 с пружинящим поджимом к ротору уплотнительного элемента 2. При подаче рабочей жидкости под давлением рр в верхний канал пластина 5 с валом 4 будет поворачиваться по ходу часовой стрелки. Угол поворота вала цилиндра с одной рабочей пластиной обычно не превышает 270 ... 280°. Двух- и трехпластинчатые поворотные гидродвигатели (рис. 4.23, б и в) имеют тот же принцип действия и обеспечивают передачу крутящего момента большой величины.

Недостатком пластинчатых поворотных гпдродвигателей является сложность обеспечения герметизации рабочих камер, особенно при высоком давлении рабочей жидкости.

Принцип действия поршневых поворотных гидродвигателей заключается в том, что поворотное движение вал получает путем преобразования прямолинейного поступательного движения поршней с помощью различных механизмов (кривошипно-шатунного, шестеренного, винтового и др.).

5.8 Гидропневмоаккумуляторы

Гидроаккумулятор -- емкость, предназначенная для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением. Гидроаккумулятор аккумулирует (накапливает) и возвращает (отдает) энергию рабочей жидкости за счет сжатия и расширения газа (рис. 7.2).

Гидроаккумулятор представляет собой закрытый сосуд, наполненный сжатым газом с некоторым начальным давлением. При подаче в этот сосуд жидкости объем газовой камеры уменьшается, вследствие чего давление газа повышается, достигая к концу подачи жидкости определенного заданного максимального значения. Жидкость и газ в сосуде обычно разделены поршнем или диафрагмой, в соответствии с чем различают поршневые (рис. 7.2, а) и диафрагменные (рис. 7.2, б) гидроаккумуляторы.

Недостатком поршневых гидроаккумуляторов является наличие трения поршня в цилиндре, а также возможность нарушения герметичности в соединении поршня и цилиндра. Кроме того, при наличии трения возможны скачкообразные движения поршня и, как следствие этого, колебания давления жидкости в гидросистеме. Этих недостатков лишены диафрагменные гидроаккумуляторы.

Основными характеристиками гидроаккумулятора являются его вместимость VK, полезный объем Vn и накопленная энергия Ен (рис. 7.3).

Под полезным объемом понимается объем жидкости, вытесненный газом из гидроаккумулятора в процессе его разрядки. Произведение полезного объема на среднее давление газа в рабочем диапазоне давления рср определяет накопленную энергию гидроаккумулятора: Е н = VK,рср . Допуская, что изменение состояния газа представляет собой изотермический процесс, имеем

Гидроаккумуляторы часто применяют как источник аварийного питания отдельных ветвей гидросистемы в случае отказа или выключения насоса, а акже в случае, когда требуется выдержать длительное время какой-то участок гидросистемы под постоянным давлением.

Энергия, накопленная в аккумуляторе, может быть отдана в короткое время, поэтому применение аккумуляторов особенно рентабельно в гидросистемах с большими пиками расхода жидкости, значения которых намного превышают подачу насоса. Исходя из этого использование гидроаккумуляторов в подобных гидросистемах позволяет понизить мощность питающих насосов до средней мощности потребителей гидроэнергии. Насосы гидросистем с гидроаккумуляторами переводят после зарядки гидроаккумуляторов на режим холостого хода.

6. Приборы управления и регулирования

6.1 Общие сведения

Термин «гидроаппаратура» является собирательным названием гидроаппаратов. Гидроаппаратами называют устройства, служащие для управления потоками жидкости: изменения или поддержания заданного давления или расхода, а также для изменения направления движения потока. С помощью гидроаппаратов осуществляют пуск, изменение направления движения и остановку исполнительных механизмов машин. Классификация гидроаппаратов приведена па рис. 5.1.

Для конструкции любого гидроаппарата характерно наличие запорно-регулирующего элемента (ЗРЭ), которым является подвижная деталь (клапан, золотник, кран), при своем перемещении частично или полностью перекрывающая рабочее проходное сечение гидроаппарата.

В клапанах рабочее проходное сечение А (рис. 5.2, а) создан ется между кромками седла 2 и клапана 1; в золотниковом гидроаппарате (рис. 5.2, б) -- между острыми кромками цилиндрической расточки корпуса 2 и цилиндрического пояска 1 золотника; в крановом гидроаппарате (рис. 5.2, в) между каналами корпуса 2 и крана 4.

Клапаном называют гидроаппарат, в котором величина открытия рабочего проходного сечения изменяется под воздействием потока рабочей жидкости, проходящей через гидроаппарат. Исходя из определения клапан является автоматическим гидроаппа-ратом, не требующим во время работы какого-либо внешнего воздействия на его запорно-регулирующий элемент. В гидроаппаратах неклапанного действия (распределителях и дросселях).запорно-регулирующие элементы не перемещаются под действием потока рабочей жидкости, проходящей через гидроаппарат. И чтобы изменить рабочее проходное сечение в распределителе или дросселе, необходимо воздействовать на их запорно-регулирующие элементы извне, например, переместить золотник распределителя с помощью электромагнита, повернуть кран вручную и т.д.

В регулируемых гидроаппаратах открытие рабочего проходного сечения или силовое воздействие па запорно-регулирующий элемент могут быть изменены извне, например, путем регулирования жесткости пружины в клапанах. Среди регулируемых гидроаппаратов необходимо выделить настраиваемые гидроаппараты, в которых регулирование возможно только в нерабочем состоянии, например, путем замены в клапане регулирующей шайбы.

Направляющая гидроаппаратура предназначена для управления потоком рабочей жидкости. Регулирующие гидроаппараты служат для изменения давления или расхода рабочей жидкости. Основными параметрами гидроаппаратов являются номинальный расход Qhom номинальное давление риом и условный проход Ду.

Номинальным давлением называют наибольшее избыточное давление, при котором устройство должно работать в течение установленного ресурса (срока службы) с сохранением параметров в пределах установленных норм. В соответствии с ГОСТ 12445--80 (СТ СЭВ 518--77) номинальное давление, МПа, выбирают из следующего ряда: 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250. Номинальным расходом гидролиний и гидроаппаратов называют расход рабочей жидкости с определенной вязкостью при установленном номинальном перепаде давления. Номинальный расход выбирают из ряда, приведенного ГОСТ 13825--80» (гл. 1).

Условным проходом называют округленный до ближайшего значения из установленного ряда диаметр круга, площадь; которого равна площади характерного проходного сечения канала-. гидравлического устройства или площади проходного сечения присоединяемого трубопровода. Условный проход, мм, выбирается в соответствии с ГОСТ 16516--80 (СТ СЭВ 522--87): 1; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; 16; 20; 100; 125; 160; 200; 250. В зависимости от условного прохода н поминального давления выбирают по ГОСТ 12853--80 типы и размеры резьб для соединения гидроаппаратов с трубопроводами.

6.2 Гидравлические распределители

Гидравлическим распределителем называют гидроаппарат, предназначенный для изменения направления потока рабочей жидкости в двух и более гидролиниях в зависимости от внешнего управляющего воздействия. С помощью гидрораспределителей путем распределения потоков рабочей жидкости, идущих от насосов к соответствующим полостям гидродвигателей, и отвода: этой жидкости из нерабочих полостей гидродвигателей на слив в гидробак осуществляются пуск, остановка и изменение направления движения исполнительных механизмов машин. Классификация гидрораспределителей по различным признакам приведена на рис. 5.3.

Направляющие гидрораспределители предназначены для изменения направления, пуска или остановки потока рабочей жидкости в зависимости от наличия внешнего управляющего воздействия. Параметры потока рабочей жидкости (давление и расход) при этом не изменяются.

Дросселирующие гидрорасиределители не только изменяют направление потока рабочей жидкости, но и регулируют ее расход и давление в соответствии с изменением внешнего воздействия. В гидрораспределителях клапанного типа распределение потока рабочей жидкости осуществляется путем открытия и закрытии рабочих проходных сечений с помощью клапанов; в гидрораспреде-лителях кранового типа -- поворотом пробки. Распределение потока жидкости в гидрораспределителях золотникового типа производится с помощью осевого смещения или поворота цилиндрического или плоского золотника.

Золотниковые гидрораспределители разделяют по следующим признакам: по числу золотников -- одно- и многозолотниковые; по конструктивному исполнению корпуса -- моноблочные и секционные (рис. 5.4J; по величине перекрытия поясками золотника в егоисходной позиции проходных каналов в корпусе (втулке) -- с положительным, отрицательным и нулевым перекрытием (рис. 5.5).

Гидрораспределители предназначены для работы при температуре окружающей среды от --60 до +50° С, при температуре рабочей жидкости от --50 до +70° С, при вязкости 6 ... 3500 мм2/с

Ручное и механическое управление применяют преимущественно для гидрораспределителей с условным проходом 16 и 20 мм. Для гидрораспределителен' с условным проходом 32 мм предпочтительнее применять дистанционное гидравлическое сервоуправ-ление, позволяющее уменьшить усилие на рукоятках. Для гидрораспределителей с условным проходом 40 мм применяют только гидравлическое управление.

Моноблочные гидрораспределители состоят из литого корпуса с двумя, тремя или четырьмя трех- и четырехпозиционными золотниками. Схема соединения золотников гидрораспределителей может быть параллельной, последовательной и индивидуальной. Типоразмеры и исполнение моноблочных гидрораспределителей приведены в табл. 5.1, а их основные технические характеристики -- в табл. 5.2.

Секционные гидрораспределители предназначены для управления исполнительными механизмами машин, эксплуатируемых в широком диапазоне температур рабочих жидкостей (от --40 до +70е С). Секционные гидрораспределители обеспечивают различные схемы управления гидродвигателями: параллельную, последовательную или комбинированную. Секционный гидрораспределитель собирают в единый блок из отдельных унифицированных секций: напорной, рабочей (различных по назначению), промежуточных и сливных. Секции стягивают между собой болтами. Между секциями находятся стальные пластины с отверстиями, в которых установлены круглые резиновые кольца, предназначенные для уплотнения стыков.

Секционный распределитель типа Р25 с ручным управлением (рис. 5.6) имеет напорную секцию I, четыре рабочих секции II, III, IV и V, одну промежуточную VII и одну сливную секцию VI, которые соединены между собой шпильками 31. Пластины 44 с отверстиями, в которые вставлены уплотнитель-ные кольца 49, 51 и 53 с бандажными кольцами 50, 52 и 54, установленными между всеми секциями.

В напорную секцию встроен предохранительный клапан. К рабочей секции III пристыкован блок перепускных клапанов VIII. Принцип действия распределителя основан на соединении С помощью золотника одной рабочей полости с напорной линией, а другой рабочей полости -- со сливом. Золотники 41 и 43 могут занимать одно из трех положений: среднее (нейтральное) и два крайних (рабочих).

При различных положениях золотника направления потоков рабочей жидкости разные. Все золотники находятся в нейтральном положении (показанном на рис. 5.6). Рабочая жидкость от насоса подводится в полость д напорной секции, затем через полости р рабочих секций, я также полость л промежуточной секции попадает в полость к Золотник 43 рабочей секции III сдвинут от нейтрального положения вниз (по рис. 5.6). При этом полость р перекрывается золотником и рабочая жидкость из полости д через обратный клапан 30 напорной секции поступает в канал е, проходящий через рабочие секции II и III. Из полости е рабочая жидкость устремляется в рабочую полость э, соединенную с исполнительным органом, откуда поступает в рабочую полость с, затем в полость г, проходящую через рабочие секции II и III, и через обратный клапан 30 и каналы в промежуточной секции (сечение В -- В) поступает в полость и далее на слип (при нейтральном положении золотников рабочих секций IV и V). Когда золотник 43 находится в нижнем положении, отверстия ним соединены, а отверстие п заперто. Рабочая жидкость поступает в гидроразмыкатель тормоза, тормоз размыкается.

Золотник 43 рабочей секции III сдвинут от нейтрального положения вверх (по рис. 5.6). При этом потоки рабочей жидкости распределяются аналогично тому, как и при положении золотника внизу (по рис. 5.6), только из полости е рабочая жидкость поступает в полость с, а из полости з -- в полость ж. Блок перепускных клапанов VIII работает следующим образом. При повышении давления, например, в полости б выше настроечного (при динамических нагрузках) клапан 15 открывается, перепуская рабочую жидкость в полость а. При повышении давления в рабочей полости д выше настроечного клапан 26, сжимая пружину 21, перемещается вниз (по рис. 5.6), открывая проход рабочей жидкости из полости д через сквозной канал, проходящий через все рабочие секции и промежуточную секцию, в полость к и далее на слив.

Настройка перепускных клапанов на требуемое давление производится с помощью регулировочных болтов 3, а предохранительного клапана -- винта 64. В условных обозначениях гидрораспределнтелей обозначения секций должны указываться в порядке их установке, начиная с напорной. При установке нескольких одинаковых рабочих секций подряд перед обозначением этих секций цифрой указывается их количество. При этом цифра «1» (одна секция) не указывается. Напорная секция распределителя обозначается числами 20; 20.1; 20.3; рабочие -- числами 01; 02; 03; 05; 06; 07. Промежуточные секции обозначаются числами 10.1; 10.2; 10.3; 10.4; сливные секции -- 30; 30.1. Пример условного обозначения гидрораспределителя с условным проходом 25 мм и номинальным давлением 16 МПа, состоящего из напорной секции 20, двух рабочих сек-ц;1Й 01, одной промежуточной секции 10.4, одной рабочей секции 07 и сливной секции 30: гидрораспределитель Р25.16-20-2Х Х01-10.4-07-30 ОСТ 22-829--74.

В результате совершенствования конструкции секционных гидрораспределителей типа Р созданы гидрораспределители повышенной надежности типа PC. Основные характеристики секционных гидрораспределителей с ручным управлением приведены в табл. 5.3.

6.3 Гидравлические дросели, регуляторы потока жидкости

Гидравлический дроссель представляет собой регулирующий гидроаппарат, предназначенный для поддержания заданного расхода рабочей жидкости в гидролинии в зависимости от перепада давления на дросселе.

По конструкции запорно-регулирующих элементов дроссели полразделяют на золотниковые и крановые, по возможности регулирования величины рабочего проходного сечения (расхода через дроссель) -- на нерегулируемые (рис. 5.14) и регулируемые (рис. 5.15), по конфигурации рабочего проходного сечения -- на щелевые и пластинчатые.

Для изменения площади проходного сечения регулируемого золотникового дросселя, в котором рабочее проходное сечение (щель) создается кромками расточки корпуса 1 и золотника 2, необходимо перемещать золотник в осевом направлении. В крановом регулируемом дросселе, в котором рабочее проходное сечение создается между расточкой корпуса 1 и узкой щелью, выполненной в полом кране 3, регулирование расхода осуществляется поворотом крана о ту или иную сторону. Расход через дроссель Qдр м3/с, при прочих равных условиях зависит не только от площади рабочего проходного сечения дросселя, но и от перепада давления жидкости:

Из формулы следует, что чем меньше перепад давлений, тем меньше расход и наоборот. Так как перепад давлений зависит от нагрузки, приложенной к выходному звену гидродвигателя, то при переменной нагрузке нельзя получить постоянный расход с помощью только одного дросселя и, следовательно, стабильную скорость выходного звена гидродвигателя. Поэтому в гидроприводах с дроссельным регулированием применяют регуляторы потока, в состав которых помимо регулируемых дросселей входят редукционные гидроклапаны.

6.4 Гидравлические клапана

Обратные клапаны предназначены для свободного пропускания рабочей жидкости в одном направлении и для перекрытия движения жидкости в обратном направлении. Обратный клапан конструктивно подобен предохранительному клапану с той лишь разницей, что в нем применяется пружина с малым усилием, предназначенная лишь для преодоления сил трения при посадке запорного элемента на седло.

Установка в гидроприводе машины обратного клапана исключает самопроизвольное опускание рабочего оборудования под действием внешней нагрузки, а также при случайном включении гид рораспределителя. Обратные клапаны применяются также: в схемах, состоящих из нескольких насосов, из насоса и гидропневмо-аккумулятора для исключения взаимного влияния при их одновременной работе; в блоках фильтрации, устанавливаемых в реверсивных гидролиниях, для обеспечения движения жидкости через фильтр только в одном направлении; в гидроприводах с замкнутой циркуляцией как подпиточные клапаны. Обратные клапаны бывают с шариковыми и конусными запорными элементами.

Обратный клапан с конусным запорным элементом (рис. 5.9) состоит из корпуса 2, конического клапана 3, цилиндрической пружины 4, седла 5 и крышки 1с уплотнительным кольцом 6.

При подводе рабочей жидкости в полость А клапан 3 отходит от седла 5 и обеспечивает движение жидкости в полость Б и далее в гидролинию. При обратном направлении потока рабочей жидкости клапан 3 под действием давления жидкости и усилия пружины плотно прижимается к седлу и перекрывает проход жидкости в полость А.

На корпусах обратных клапанов наносят стрелку, указывающую направление движения рабочей жидкости через клапан. На дорожно-строительной технике наибольшее распространение получили обратные клапаны с условным проходом 16, 20, 25 и 32 мм, параметры которых приведены в табл. 5.6.

Напорным клапаном называют клапан давления, предназначенный для автоматического ограничения давления в подводимом к нему потоке рабочей жидкости. По назначению они подразделяются на предохранительные и переливные.

Предохранительные клапаны служат для предохранения гидроприводов от давлений рабочей жидкости, превышающих установленные. Они относятся к клапанам эпизодического действия. По конструкции запорно-регулирующих элементов предохранительные клапаны подразделяют на шариковые, конические и золотниковые (рис. 5.10).

Принцип работы предохранительного клапана основан на уравновешивании силой пружины силы давления Рдав на запорно-регулирующий элемент, определяемой без учета сил трения по формуле

Шариковые предохранительные клапаны применяются для невысоких давлений и малых расходов в системах с резким срабатыванием гидроклапана. Достоинством шариковых клапанов является малая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости, а недостатком --вибрация в процессе перепускания жидкости, создающая характерный шум.

Конические гидроклапаны надежнее в эксплуатации, чем шариковые, лучше центрируются в седле, имеют незначительные утечки, но также подвержены вибрации, которая устраняется демпфированием.

Предохранительные клапаны, предназначенные для длительного и частого перепуска рабочей жидкости, чаще делают золотниковыми. Они работают надежно, без вибрации и шума.

В конструктивной схеме предохранительного клапана непрямого действия (рис. 5.11) в корпусе 1 кроме основного конического клапана 2 имеется вспомогательный шариковый клапан 4 с пружиной 5. Для уменьшения усилия пружины 3 основного клапана полость Г соединена через дроссель Б с напорной (входной) полостью Л. Давление настройки клапана 4 регулируется винтом 6. Полость Д каналом Е соединена со сливной (выходной) полостью Ж.

Принцип работы клапана заключается в следующем. На основной клапан 2 действуют сила пружины Рпр и сила давления Р2 в полости Г, которые прижимают клапан 2 к седлу корпуса.

Этот клапан закрыт до тех пор, пока закрыт вспомогательный клапан 4 и выполняется условие Рпр + Р2>Р1. При давлении рабочей жидкости в полости А больше допустимого увеличивается сила Р2 в полости Г. При этом открывается шариковый клапан 4 и рабочая жидкость из полости Г поступает через клапан 4 в полость Д и по каналу Е-- в сливную полость Ж. Давление в полости Г уменьшается и под действием силы давления P1 клапан 2 смещается вправо, открывая проход рабочей жидкости в сливную полость Ж. Клапан 2 может разгружаться также дистанционно. Для этого достаточно соединить канал В со сливной линией с помощью вентиля.

Предохранительные клапаны непрямого действия имеют свои параметры, приведенные в табл. 5.7.

Переливные клапаны предназначены для поддержания заданного давления в напорной линии путем непрерывного перепуска рабочей жидкости в сливную линию при резких изменениях нагрузок, т. е. это предохранительный клапан для длительного перепуска рабочей жидкости.

Принцип работы переливного клапана прямого действия (рис. 5.12, а) заключается в следующем. При подводе к клапану рабочей жидкости под давлением, превышающем давление, на которое клапан отрегулирован, золотник 2 под действием разности сил давления рабочей жидкости и пружины перемещается вверх. При этом образуется рабочее проходное сечение (щель) между острыми кромками цилиндрической расточки корпуса и золотника. Чем больше расход рабочей жидкости, поступающей (сливающейся) из напорной линии, тем больше величина открытия клапана. При этом изменение давления в напорной линии пропорционально подъему золотника и жесткости пружины.

В переливном клапане с дифференциальным золотником (рис. 5.12,6) золотник имеет два цилиндрических пояска разных диаметров d1 и d2. Пружина клапана воспринимает давление жидкости на эффективную площадь, равную разности площадей торцов золотника. Использование в клапане дифференциального золотника, работающего по принципу гидравлического уравновешивания, позволяет уменьшить размеры пружины. Как и предохранительные, переливные клапаны подключают к. напорным линиям параллельно. В сливных линиях переливные клапаны иногда устанавливают последовательно. В этих случаях они выполняют функцию подпорных клапанов.

Редукционным клапаном называют клапан давления, предназначенный для поддержания давления в отводимом от него потоке рабочей жидкости более низкого, чем давление в подводимом потоке. Редукционные клапаны применяют в гидроприводах, в которых от одного источника питаются несколько потребителей, работающих при разных давлениях.

При работе клапана (рис. 5.13) рабочая жидкость под давлением p1 подводится в полость А, а затем дросселируется через рабочее проходное сечение Б клапана. Вследствие этого давление на выходе клапана р2 (редукционное давление) в полости В понижается и поддерживается в заданных пределах. При повышении редукционного давления сверх расчетного золотник 2 клапана автоматически перемещается вправо, сжимая пружину 3. При этом рабочее проходное сечение (дросселирующая щель) Б уменьшится, гидравлическое сопротивление увеличится и давление снизится до расчетного значения. При понижении редукционного давления ниже расчетного значения золотник переместится влево под действием пружины 3. При этом рабочее проходное сечение увеличится, гидравлическое сопротивление уменьшится и давление увеличится до расчетного значения.

Редукционные клапаны с регулятором типа Г52-2 изготовляют ь трех исполнениях по величине давления (без индекса -- от 0,3 до 6,3 МПа. с индексом «А» -- от 1 до 10 МПа, с индексом «Б» -- от 2 до 19 МПа), в двух исполнениях по присоединению (без индекса -- резьбовое, с индексом «П» -- стыковое), четырех условных проходов (10, 16, 20 и 32 мм).

Тормозные клапаны (табл. 5.8) применяют в приводах механизмов опускания груза кранов, пневмоколесного хода экскаваторов, погрузчиков и других строительных и дорожных машин для исключения противообгонного скоростного режима при действии нагрузок, направление которых совпадает с направлением вращения двигателя.

Тормозной клапан, установленный в линиях управления механизмами подъема (опускания) груза и стрелы и телескопиро-вания стрелы крана КС-4571 (рис. 5.16), работает следующим образом. При подъеме груза (стрелы) или выдвижении стрелы крана рабочая жидкость по напорной линии (от насоса) подается в канал Л корпуса 6 клапана.

Преодолевая сопротивление пружины 4 и отжав обратный клапан 5, рабочая жидкость свободно проходит в канал В и далее к исполнительным механизмам крана. Одновременно часть жидкости попадает в полость золотника 16, проходит по каналу в этом золотнике и заполняет пространство, занимаемое пружиной 10, перемещая золотник влево.

При опускании груза (стрелы) или втягивании стрелы рабочая жидкость под давлением по напорной линии подводится одновременно в каналы Б и В. Жидкость, поступающая в канал Б, помогает пружине 4 поджать обратный клапан 5 и одновременно прижимает золотник 17 к крышке 2. Поступающая в канал В рабочая жидкость преодолевает сопротивление пружины 10 и, перемещая золотник 16, открывает доступ жидкости из канала Б вокруг фаски золотника 16 в канал Д. Плавность опускания груза (стрелы) или втягивания стрелы обеспечивается конусной рабочей фаской золотника 16. Золотник 17, калиброванные отверстия во втулке 7 и крышке 2 (в канале В) служат для гашения автоколебаний золотника 16. Давление, при котором открывается доступ жидкости из канала Б в канал Д, регулируется винтом 14.

Подпиточные клапаны предназначены для компенсации неизбежных утечек рабочей жидкости и исключения разрыва сплошного потока, вызывающего явление кавитации в подводящих гидролиниях гидромоторов. По своему конструктивному исполнению и принципу действия подпиточные клапаны подобны обратным клапанам (рис. 5.9).

Клапаны имеют сквозные отверстия, одно из которых соединяется с рабочим отводом к гидродвигателю, а другое -- со сливной гидролинией. Такое исполнение вызвано тем, что подпиточные клапаны обычно применяются в сочетании с другими типами клапанов (предохранительными или переливными). В этом случае подпиточный клапан устанавливают между корпусом гидрораспределителя и установленным под ним другим клапаном. Если клапан применяют отдельно, тогда отверстия закрывают сверху пластиной с уплотнениями.

Подпиточные клапаны с условными проходами 16, 20 и 32 мм рассчитаны на номинальный поток 25, 63 и 100 дм3/мин. Давление, Тфи котором клапан начинает открываться, составляет 0,038. . . 0,087 МПа.

6.5 Делители потока

Делители потока типа КД в обычном исполнении предназначены для деления потока жидкости на две части в целях синхронизации движения исполнительных органов независимо от значения действующих на них нагрузок. Их можно применять для делении потока в любом соотношении, для чего необходимо изготовить две диафрагмы с проходными сечениями, отношение площадей которых равно требуемому соотношению потоков в отводах.

Сумма площадей проходных сечений диафрагм для каждого диапазона расходов должна оставаться постоянной.

Делители потока изготовляют в двух исполнениях по присоединению (резьбовые и стыковые -- с индексом С) на три условных прохода (12, 20 и 32 мм), рассчитанных на номинальное давление 20 МПа. Делители потока стыкового присоединения устанавливают на промежуточные плиты. При установке делителей потока на машину их золотники должны находиться в горизонтальном положении. Делители потока работают при температуре рабочей жидкости до +50° С и вязкости 10... 400 мм2/с Параметры делителей потока типа КД приведены в табл. 5.5.

6.6 Гидравлические замки

Гидравлическим замком называют направляющий гидроаппарат, предназначенный для пропускания потока рабочей жидкости при отсутствии управляющего воздействия -- в одном направлении, а при наличии управляющего воздействия -- в обоих направлениях. Гидрозамки широко применяют в гидроприводах для автоматического запирания рабочей жидкости в полостях гидродвигателей в целях стопорения их выходных звеньев в заданных положениях.