Основы гидравлики





Гидравлические моторы и двигатели



Гидравлические двигатели

Гидравлическими двигателями называют силовые установки и машины, преобразующие энергию потока или давления жидкости в механическую энергию.
Как видно из определения, гидравлические двигатели выполняют задачу, обратную задаче гидравлических насосов, из чего вытекает принцип обратимости, согласно которому практически любой насос (преобразующий механическую энергию в энергию потока) можно использовать в качестве гидравлического двигателя для выполнения противоположной функции.
гидравлические моторы Свойство обратимости гидравлических машин в большинстве случаев позволяет эксплуатировать одну и ту же гидравлическую машину, как в режиме насоса, так и в режиме двигателя, то есть создавать насосы и двигатели по общим конструктивным схемам.

Естественно предположить, что гидродвигатели, как и гидронасосы, можно классифицировать на две группы: динамические, отбирающие кинетическую энергию у потока жидкости, и объемные, преобразующие энергию давления потока в механическую энергию.
К первой группе гидравлических двигателей можно отнести различные турбины, т. е. лопастные (центробежные и осевые) насосы, выполняющие обратную функцию (преобразования энергии движения потока в механическую энергию).

Вторая группа – объемных гидравлических двигателей, принципиально может быть представлена практически всеми видами рассмотренных ранее конструкций гидравлических насосов объемного типа - шестеренные, пластинчатые, роторно-поршневые, диафрагменные, поршневые и т. д. Однако наибольшее практическое применение в машиностроении нашли лишь динамические гидродвигатели-турбины и объемные гидродвигатели, имеющие высокий КПД – аксиальные и радиальные роторные гидравлические двигатели, а также особый тип гидродвигателей – гидроцилиндры.

Принцип действия объемных гидравлических двигателей основан на возникновении неуравновешенной силы на подвижных элементах рабочих камер при воздействии на них жидкости, подводимой под избыточным давлением от источника питания (насоса, аккумулятора, магистрали).
В процессе работы двигателя герметично отделенные друг от друга камеры попеременно сообщаются с местами подвода, где они увеличивают свой объем и заполняются маслом под давлением, и отвода, где при уменьшении объемов камер происходит вытеснение жидкости в сливную линию.
Подвижные элементы рабочих камер конструктивно могут быть выполнены в виде зуба, шестерни, пластины, плунжера, поршня и т.д.

По характеру движения выходного звена гидравлические двигатели делят на:

  • моторы с неограниченным вращательным движением;
  • поворотные двигатели с ограниченным (меньше 360°) углом поворота;
  • цилиндры с ограниченным возвратно-поступательным прямолинейным движением.

***

Рабочие характеристики и параметры гидравлических двигателей

Работа разных по конструкции гидравлических двигателей (как и разных гидронасосов) характеризуется различными параметрами и рабочими характеристиками.
Для гидравлических моторов основными являются следующие параметры:

Рабочий объем – суммарное изменение объемов рабочих камер мотора за одни оборот ротора или объем жидкости, при прохождении которого через мотор его ротор совершит один оборот:

Vо = Vkzk,     м3

где:
Vk – изменение объема рабочей камеры мотора за один рабочий цикл, рассчитанное по ее геометрическим размерам;
z – число рабочих камер;
k – кратность действия, то есть число рабочих циклов, совершаемых за один оборот вала.

Теоретический расход мотора – это расчетный объем жидкости, проходящий через мотор в единицу времени:

Qm = Vоn,     м3

где: n – частота вращения вала мотора.

Фактический расход жидкости через мотор больше теоретического на величину объемных потерь:

Qф = Qm + ΔQм,     м3

где: ΔQм – утечки масла через зазоры внутри мотора из полостей питания в полости слива и утечки жидкости в окружающую среду.

В отличие от насоса утечки масла в моторе направлены в ту же сторону, что и основной поток.

Объемный КПД мотора:

ηо = Qm/Qф = Qm/(Qm + ΔQм).

Рост объемных потерь приводит к уменьшению КПД мотора.

гидравлический двигатель

Частота вращения вала мотора:

n = Qm/Vо = Qф ηо/Vо,     с-1

Номинальное давление рном (Па) – наибольшее давление рабочей жидкости на входе в мотор, при котором гидравлическая машина должна проработать в течение установленного срока службы с сохранением основных параметров в пределах установленных норм.

Перепад давлений определяется разностью давлений масла на входе и выходе мотора:

Δp = рвх - рвых,      Па

Полезная (эффективная) мощность мотора определяется из зависимости:

Nn = Mω = 2πMn,     Вт

где:
М – вращающий момент на валу мотора;
ω = 2πn – угловая скорость вала;
n – частота вращения вала мотора.

Вращающий момент на валу мотора определяется по формуле:

M = Nn/ω = QmΔp/2πn = VоΔp/2π,     Нм

Потребляемая гидромотором мощность:

Nм = Qф Δp = Nnгм,     Вт

где: ηгм – полный КПД гидравлического мотора.

Полный КПД гидравлического мотора:

ηгм = Nn/Nм   или    ηгм = ηо ηм ηг,

где: ηо, ηм, ηг – соответственно объемный, механический и гидравлический КПД мотора.

При типовом проектировании привода машины гидравлический мотор выбирают по полезной (эффективной) мощности и номинальной частоте вращения вала, то есть так же, как и электродвигатель.

Поворотные гидравлические двигатели характеризуются следующими основными параметрами:

Рабочий объем на угол поворота (270° и меньше), м3.

Фактический расход масла при максимальной скорости поворота вала определяется по формуле:

Qф = zbω(R2 – r2)/2,     м3

где:
z – число пластин;
b – ширина пластины;
R и r – большой и малый радиусы ротора поворотного двигателя;
ω – максимальная угловая скорость поворота вала.

Номинальный вращающий момент на валу:

Мном = zbΔp(R2 – r2)/2,     Нм

где: Δp – разность давлений в напорной и сливной камерах двигателя при номинальном давлении питания.

Полный КПД при номинальных параметрах (для стандартных поворотных гидравлических двигателей типа ДПГ полный КПД может достигать 95%).

Для гидравлических цилиндров основными являются следующие параметры:

  • диаметр поршня D;
  • диаметр штока d;
  • величина хода S поршня;
  • номинальное давление рном на входе;
  • номинальное усилие F на штоке;
  • минимальная и максимальная скорость v перемещения.

Рабочие (эффективные) площади поршня:

со стороны бесштоковой полости:

F1 = πD2/4,     м2,

со стороны штоковой полости:

F2 = π(D2 – d2)/4,     м2,

где: D – диаметр поршня;     d – диаметр штока.

Номинальное усилие на штоке цилиндра без учета сил трения и инерции:

для цилиндра с односторонним штоком:

R = p1F1 – p2F2,     Н,

для цилиндра с двусторонним штоком:

R = (p1 – p2)F2,     Н,

где р1 и р2 – номинальное давление масла соответственно в напорной и сливной камерах гидроцилиндра.

Скорость движения поршня:

v = Qф/F,     м/с,

где:
Qф – фактический расход масла с учетом утечек;
F – площадь поршня со стороны напорной камеры цилиндра.

Мощность цилиндра:

N = Rv,     Вт

Тепловое удлинение цилиндра:

λ = εLΔt,      м,

где:
ε – коэффициент линейного расширения (для стали ε = 12×10-6);
L – длина цилиндра;
Δt – повышение температуры.

Удлинение цилиндра велико (λ ≈ 1 мм, при L = 2 м, Δt = 40˚), поэтому рекомендуется одну из его опор выполнять скользящую, а другую закреплять неподвижно.
Особо следует подчеркнуть, что полный КПД гидроцилиндра обычно превышает 95%, то есть больше, чем у любых других известных двигателей.

***



Гидромоторы

Как уже отмечалось выше, гидравлические машины обладают свойством обратимости. Это позволяет создавать по одним и тем же конструктивным схемам, как объемные насосы, так и гидравлические моторы.

принцип работы гидромотора

Рассмотрим работу гидравлической машины, схема которой показана на рисунке 1, в режиме мотора. Предположим, что в рабочие камеры машины, расположенные справа от вертикальной оси, подается жидкость от насоса, а камеры, расположенные слева соединены с баком.
Под действием избыточного давления на пластинах возникают неуравновешенные силы, создающие вращающий момент на валу мотора, направленный против часовой стрелки. Камеры, соединенные с баком, при вращении ротора освобождаются от рабочей жидкости. Если кольцо А установить в корпусе мотора соосно с ротором, то момент на валу мотора станет равным нулю и вращение вала прекратится.

Аналогично можно рассмотреть работу в режиме мотора аксиально-поршневой гидравлической машины.
При подаче масла под давлением через отверстие распределителя, поршни будут со значительным усилием прижаты жидкостью к наклонному диску.
В результате силового взаимодействия каждого из поршней с диском возникнет тангенциальная сила, направленная перпендикулярно оси поршня. Таким образом, на блок и связанный с ним вал гидравлического мотора начнет действовать вращающий момент.
Остальные поршни, рабочие камеры которых в это время соединены с магистралью сброса, будут вытеснять масло через отверстие распределителя на слив в бак.

Существенным недостатком рассмотренной схемы являются значительные изгибающие усилия, воспринимаемые поршнями и вызывающие их преждевременный износ и нарушение герметичности рабочих камер.
Для исключения указанного недостатка используют гидравлические машины этого типа с двойным ротором (рис. 2).
принцип работы гидравлического двигателя При подводе жидкости через неподвижный торцовый распределитель 6 в рабочую камеру мотора, поршень 2 перемещается вправо в расточке ротора 1 и, воздействуя на толкатель 4, создает силу F на наклонном диске 8.
Вращающий момент, создаваемый тангенциальной силой T, передается через толкатель 4 ротору 3, жестко связанному с валом 7 мотора, и с помощью пальца 5 ротору 1, свободно вращающемуся на валу. Таким образом, поршни 2 не воспринимают изгибающего момента от действия силы T.

В гидравлических приводах металлообрабатывающих станков преимущественно применяют нерегулируемые аксиально-поршневые моторы, которые в ряде случаев имеют существенные преимущества перед электромоторами (гидравлические моторы одинаковой с электродвигателями мощности в среднем в шесть раз меньше по габаритам и в четыре-пять раз по массе).

При наибольшей частоте вращения вала nmax = 50 c-1 наименьшее значение частоты может составлять nmin = 0,5 c-1, а у моторов специального исполнения – до nmin = 0,05 c-1 и меньше, причем легко обеспечивается бесступенчатое регулирование частоты вращения во всем диапазоне.
Время разгона и торможения вала гидравлического мотора не превышает нескольких сотых долей секунды; возможны режимы частых включений и выключений, реверсов, изменения частоты вращения.
Вращающий момент мотора легко регулируется изменением разности давлений на входе и выходе. При подходе рабочего органа станка к упору, вращение вала мотора прекращается, а развиваемый им вращающий момент остается неизменным. Полный КПД находится в пределах 80...90%.

Поворотные гидравлические двигатели нашли широкое применение в станках и промышленных роботах для обеспечения возвратно-вращательного (поворотного) движения рабочих органов или вспомогательных устройств. Конструктивные схемы таких двигателей приведены на рисунке 11.

Поворотный двигатель (рис. 13,а) состоит из корпуса 1, поворотного ротора, представляющего собой втулку 2 с одной лопастью 3, неподвижной разделительной перегородки 4, подпружиненного уплотнения 5 вала и двух крышек. Вал установлен на двух подшипниках, расположенных в крышках.
Двигатель имеет две герметичные рабочие камеры. При подводе масла под давлением в верхнюю полость лопасть вместе с валом поворачивается по часовой стрелке на угол до 270°, одновременно из нижней полости жидкость вытесняется в сливную линию и возвращается в бак.

Многолопастные поворотные двигатели (рис. 13,б и в) позволяют получить на валу больший вращающий момент, чем у двигателя с одной лопастью, однако при этом уменьшаются возможный угол поворота и угловая скорость вала.
Двигатели с одной лопастью работают при номинальном давлении 16 МПа, развивая номинальный вращающий момент до 2000 Нм.

***

Гидравлические цилиндры

Гидравлические цилиндры, как тип гидравлических двигателей, нашли широкое применение в технике и многих областях промышленности. Простота и надежность, удобство технического обслуживания и эксплуатации послужили причиной использования этих гидромашин в самых различных гидроприводах - силовых, дистанционного управления механизмами и т. п.
Применяются гидроцилиндры и в сельскохозяйственной, автомобильной и дорожной технике.

Цилиндры, применяемые в гидравлических приводах технологического оборудования, различают по направлению действия рабочей жидкости (одностороннего и двустороннего действия) и по конструкции рабочей камеры (поршневые и плунжерные).

В цилиндрах одностороннего действия движение выходного звена под действием рабочей жидкости возможно только в одном направлении, а возврат в исходное положение происходит под действием внешних сил, например силы пружины или силы тяжести. В последнем случае цилиндр располагают вертикально.

В цилиндрах двустороннего действия движение выходного звена под действием рабочей жидкости возможно в двух взаимно противоположных направлениях.

В цилиндрах одностороннего действия движение выходного звена под действием рабочей жидкости возможно только в одном направлении, а возврат в исходное положение происходит под действием внешних сил, например силы пружины или силы тяжести. В последнем случае цилиндр располагают вертикально.

типы гидравлических цилиндров

В цилиндрах двустороннего действия движение выходного звена под действием рабочей жидкости возможно в двух взаимно противоположных направлениях.

В поршневых цилиндрах две рабочие камеры образованы поверхностями корпуса и поршня со штоком (односторонним или двусторонним).

В плунжерных цилиндрах одна рабочая камера образована поверхностями корпуса и плунжера.

Телескопические цилиндры (одностороннего и двухстороннего действия) имеют рабочую камеру образованную также поверхностями корпуса и плунжера.
Основные типы цилиндров, применяемых в машиностроении, показаны на рисунке 3 .

Корпус поршневого гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком (рис. 3,а) жестко закреплен на станине машины, а шток связан с движущимся рабочим органом. Если в цилиндр при прямом (вправо) и обратном (влево) ходе поступает одинаковое количество масла, то при малом диаметре штока площади F1 и F2 и скорости v1 и v2 близки по величине, а при увеличении диаметра штока скорость v2 становится заметно больше v1.

Равенство скоростей v1 и v2 можно обеспечить за счет дифференциального включения цилиндра, у которого F1 = 2F2. В этом случае при движении вправо обе полости (камеры) цилиндра соединяют с напорной линией, а при обратном ходе (влево) – штоковая полость продолжает соединяться с напорной линией, а поршневая соединяется со сливной линией.
При двустороннем штоке (рис. 3,б) площади F поршня обычно одинаковы, следовательно, равны и скорости v1 и v2. Недостатки таких цилиндров – увеличенная длина и необходимость второго уплотнения для штока.

Иногда, из конструктивных соображений, бывает удобнее закрепить шток цилиндра, а его корпус связать с подвижным органом машины (рис. 3,в и 3,г). В этих случаях масло в цилиндр подводят через отверстия в штоке или через гибкие рукава (шланги) высокого давления.

Для зажимных и фиксирующих механизмов широко применяют цилиндры одностороннего действия (рис. 3,д). Плунжерный цилиндр (рис. 3,е) способен перемещать вертикально расположенный рабочий орган только вверх; движение вниз происходит под действием силы тяжести.
С помощью нескольких плунжерных цилиндров (рис. 3,ж) можно обеспечить движение рабочего органа машины в обе стороны.
Плунжерные цилиндры проще в изготовлении, так как отпадает необходимость в трудоемкой обработке внутренней поверхности цилиндра, однако имеют меньший ход. Во избежание ударов поршня о крышки рекомендуется использовать цилиндр с ходом несколько большим, чем ход рабочего органа станка.
Следует помнить, что в большинстве случаев гидроцилиндры не допускают радиальную нагрузку на шток.

***

Вентиляторы