Основные понятия и классификация гидроприводов

Тема: «Основные понятия и классификация гидроприводов» 1. Гидропривод: общие положения В настоящее время с/х производство оснащается машинами более высокого технического уровня, которые призваны значительно повысить производительность и условия труда, обеспечить высокое качество и экономичность выполняемых работ. Практически любое мобильное энергетическое средство, используемое в с/х производстве, содержит гидравлический привод (рис. 1). Особенно широкое применение он находит в тракторах и уборочных машинах. Использование гидропривода позволяет осуществлять автоматическое регулирование режимов работы машин и параметров технологических процессов в целом. Гидроприводы используются в ходовой части (трансмиссии) и рулевом управлении самоходных машин для: управления навесными, полунавесными и прицепными машинами, погрузочными и разгрузочными механизмами прицепов, погрузчиков и транспортеров, сообщения вращательного движения активным рабочим органам, включения и выключения различных механизмов, облегчения управления и изменения скорости движения машины и других целей. Они имеют существенные преимущества перед механическими приводами: возможность передачи энергии в любую точку машины при небольших усилиях управления; свобода расположения гидроагрегатов и простота конструкции при разветвлении потоков мощности; простота преобразования одного вида движения в другое; легкость реверсирования движения, бесступенчатое регулирование скорости в широких пределах и т.д. Бесступенчатое изменение скорости движения самоходной машины обеспечивает оптимальный режим ее технологического процесса при полном использовании мощности двигателя. Оперативное управление скоростью машин с гидромеханической трансмиссией, включая динамическое торможение, осуществляется одной рукояткой или педалью, что значительно облегчает условия работы механизатора. Общие сведения об объемных гидроприводах В современной технике широко применяют гидравлические системы для передачи мощности на ходовую часть и рабочие органы, для регулирования положения рабочих органов, их адаптации к условиям эксплуатации. В сельхозмашинах широко применяют привод с возвратнопоступательным движением для подъема, опускания и перемещения рабочих органов, управления вариаторами, для следящих систем и т.д. В последнее время все более широкое применение находит объемный гидропривод для вращательного движения рабочих органов сельхозмашин, а также для гидротрансмиссии. Достоинства и недостатки гидроприводов Достоинства: - быстродействие и высокая точность отработки сигналов управления, а также легкость реверсирования, что объясняется малой инертностью гидромашин; - возможность плавного бесступенчатого регулирования выходной скорости; - высокий коэффициент усиления мощности при сравнительно небольшом усилии; - простота преобразования одного вида движения в другое; - передача больших мощностей при небольших габаритах; - независимое размещение узлов; - простота конструкции передач и предохранительных устройств. Недостатки: - повышенные требования к точности изготовления отдельных узлов и деталей; - зависимость характеристик от температуры рабочей жидкости; - сложность ремонта в условиях эксплуатации. 2. Основные понятия и определения Гидроприводом называют совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством гидравлической энергии. В нем жидкость служит рабочим телом для восприятия и отдачи механической энергии. Гидропередача – часть гидропривода, предназначенная для передачи движения от приводящего двигателя к машинам и механизмам. Гидропривод называется объемным, если в его гидропередаче используются объемные машины, и динамическим – если динамические. Основным определяющим устройством гидропривода является его объемный гидродвигатель, выходное звено которого непосредственно или через механическую передачу соединено с исполнительным механизмом. Объемные гидродвигатели (гидроцилиндры, гидромоторы) преобразуют гидравлическую энергию рабочей жидкости в механическую энергию выходных звеньев привода. Кроме гидродвигателя, в состав гидропривода могут входить следующие устройства: насосы с приводящими двигателями, гидроаппараты, кондиционеры рабочей жидкости, гидроемкости и гидролинии. Насосы создают поток рабочей жидкости путем преобразования механической энергии приводящих двигателей в гидравлическую. Рабочим органом, создающим поток рабочей жидкости, является поршень (плунжер), зубчатое колесо, диафрагма и т.д. Гидроаппараты (клапана; дроссели; распределители) предназначены для изменения направления и параметров потока рабочей жидкости, а также для открытия или перекрытия отдельных гидролиний. Кондиционеры рабочей жидкости служат для получения необходимых качественных показателей и состояния рабочей жидкости. К ним относятся: фильтры, теплообменные аппараты (охладители или нагреватели) и воздухоспускные устройства. Гидроемкости (гидробаки и гидроаккумуляторы) предназначены для содержания в них рабочей жидкости с целью использования ее в процессе работы гидропривода. Гидролинии предназначены для движения рабочей жидкости от одного гидроустройства привода к другому или внутри устройства от одной полости к другой. Конструктивно они представляют собой трубопроводы, рукава, каналы и соединения. Различают линии: всасывания, напора, слива, управления, дренажа, выпуска воздуха и отвода конденсата. Все гидравлические устройства оснащаются уплотнительными устройствами, предназначенными для герметизации соединений. Рабочая жидкость в гидроприводе является рабочей средой, т.е. носителем энергии. С ее помощью гидравлическая энергия от источника передается к объемным гидродвигателям. В связи с выполнением указанной функции, рабочую жидкость рассматривают как один из основных элементов объемного гидропривода. Гидродвигатель с поступательным движением выходного звена называется гидроцилиндром, с вращательным движением – гидромотором, с поворотным движением (менее 360О) – поворотным гидродвигателем. В соответствии с этим различают гидроприводы с поступательным, вращательным и поворотным движением выходного звена. Гидропривод называется регулируемым, если в нем предусмотрено изменение (плавное или ступенчатое) скорости движения выходного звена гидродвигателя. Привод, в котором обеспечивается изменение направления движения выходного звена гидродвигателя при неизменном направлении вращения вала гидромотора, называется реверсивным. 3. Основные физические свойства рабочей жидкости Под жидкостью понимают физическое тело, обладающее в отличие от твердого тела текучестью и, в отличие от газа, весьма малой изменяемостью своего объема. В гидроприводах жидкость является не только рабочим, но и одновременно смазывающим и охлаждающим, защищающим механизмы от коррозии. Наиболее распространенными жидкостями являются масла минерального происхождения. Важнейшими физическими свойствами жидкости являются плотность, вязкость, сжимаемость и тепловое расширение. Плотность – величина, равная отношению массы жидкости к ее объему: m  V , кг/м3. С повышением давления, при постоянной температуре, плотность жидкости увеличивается, а с повышением температуры, как правило, плотность уменьшается. Удельный вес – физическая величина, равная отношению силы тяжести к объему. Эта величина связана с плотностью следующим образом: G    g V , Н/м3. Вязкость жидкости – свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу или относительному смещению слоев. Вязкость проявляется в жидкости только при ее движении. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Величину, обратную динамической вязкости, называют текучестью жидкости 1   , т.е. чем больше вязкость, тем меньше текучесть. Кинематическую вязкость жидкости определяют по формуле 2 м /с.   , Единица кинематической вязкости стокс Ст (1 Ст=10-4 м2/с или 1 см2/с). Вязкость жидкости особенно сильно зависит от температуры. С увеличением температуры вязкость жидкости уменьшается по нелинейному закону. На вязкость также влияет наличие воздуха в жидкости в растворенном и смешанном виде. При увеличении его содержания вязкость уменьшается. Сжимаемость жидкости – это свойство жидкости изменять объем под действием давления. Количественно сжимаемость характеризуется модулем объемного сжатия p E  Vo V , где Vo - первоначальный объем жидкости, м3. Тепловое расширение жидкости – это свойство жидкости изменять объем в процессе ее изобарического нагревания. Численно тепловое расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения 1  V     Vo  T  , К-1. Примечание. Кавитация жидкости – это состояние движущейся жидкости, при котором в результате снижения давления возникают газовые и паровоздушные пузырьки с последующим их разрушением в жидкости. Разрушение пузырьков происходит с большой скоростью При этом возникают местные гидравлические микроудары, которые вызывают появление шума и вибрации (рис.2). Рисунок 2 – Кавитация Облитерация – это свойство рабочей жидкости заращивать узкие каналы и капиллярные щели при ее течении под действием перепада давлений, т.е. на стенках капиллярного канала образуется пограничный слой, вызывающий уменьшение проходного сечения (рис. 3). Рисунок 3 – Облитерация при течении жидкости в узких каналах Требования, предъявляемые к рабочим жидкостям Функции рабочей жидкости в объемных гидроприводах многосторонни, поэтому к ним предъявляют следующие требования: - хорошие смазывающие свойства; - минимальная зависимость вязкости от температуры в требуемом диапазоне температур; - стабильность свойств в условиях эксплуатации (высокая устойчивость к механическому разрушению сложных соединения жидкости при дросселировании, к окислению при работе, к поглощению влаги и воздуха); - длительный срок службы; - хорошая теплопроводность и малый коэффициент теплового расширения; - высокие моющие свойства (вынос продуктов износа и других загрязнений); -инертность по отношению к применяемым материалам и защите их от коррозии; - отсутствие механических примесей, воды и загрязняющих частиц. 4. Классификация гидроприводов По принципу действия гидроприводы делятся на объемные и гидродинамические. Гидродинамическим приводом называется гидравлическая система, в которой в качестве гидравлической передачи применяются лопастные насосные и турбинные колеса, расположенные соосно на предельно близком друг от друга расстоянии. Перенос энергии от ведущего звена в ведомому осуществляется потоком жидкости, а крутящий момент передается в результате изменения момента количества движения рабочей жидкости в рабочих колесах. При этом ведущий и ведомый валы механически не связаны между собой. Благодаря этим особенностям гидродинамический привод чаще называют гидродинамической передачей. Объемным гидроприводом называется гидравлическая система, в которой в качестве гидравлической передачи применяются насосы и гидродвигатели объемного действия. Работа объемного гидропривода основана на использовании свойства несжимаемости капельной жидкости и передачи давления по закону Паскаля (любое изменение давления в какойлибо точке покоящейся жидкости, не нарушающее ее равновесие, передается в остальные ее точки без изменения). Примером объемного гидропривода простейшей конструкции может служить гидравлический пресс. Объемные гидроприводы подразделяются по виду источника энергии на три типа: 1. Насосный гидропривод — гидропривод, использующий для подачи рабочей жидкости насосы объемного действия. Насосные гидроприводы бывают с замкнутой циркуляцией, когда жидкость от гидродвигателя поступает во всасывающую линию насоса, и с разомкнутой циркуляцией, когда жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак. Насос гидропривода может приводиться в движение электродвигателем, турбиной, дизельным, карбюраторным двигателями, двигателем внутреннего сгорания и др. 2. Аккумуляторный гидропривод — гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумулятора. Такие гидроприводы используются в системах с кратковременным рабочим циклом. 3. Магистральный гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель от гидромагистрали, питающей от насосной станции одновременно несколько гидроприводов. По характеру движения выходного звена различают гидроприводы поступательного, поворотного и вращательного движения. Гидроприводы бывают регулируемые и нерегулируемые. По способу регулирования скорости гидроприводы делят на три типа: 1. С дроссельным регулированием, когда для регулирования скорости производится дросселирование потока рабочей жидкости и часть потока отводится, минуя гидродвигатель. 2. С объемным регулированием, когда регулирование скорости производится в результате изменения рабочих объемов насоса или гидродвигателя. 3. С объемно-дроссельным регулированием, когда регулирование скорости осуществляется одновременно двумя способами. Если скорость выходного звена гидропривода поддерживается постоянной и не зависит от внешних воздействий, то гидропривод называется стабилизированным. Если скорость выходного звена изменяется по определенному закону в зависимости от задающего воздействия, то гидропривод называется следящим. Итак, классификацию объемных гидроприводов можно представить в виде схемы (рис. 4) Объемный гидропривод По источнику подачи рабочей среды Насосный Аккумуляторный По характеру движения выходного звена По наличию управления С управлением Поступательный Без управления Поворотный Магистральный Вращательный По задаче управления Стабилизирующий Программный Следящий По виду управления Ручной управления Автоматический По способу регулирования Дроссельный Объемный Объемнодроссельный Рисунок 4 – Схема классификации объемного гидропривода Тема: «Основные схемы объемных гидроприводов» 1. Принцип действия объемного гидропривода Объемной называется гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении замкнутого изменяющегося объема (рабочей камеры) жидкостью и вытеснении ее из рабочей камеры. Под рабочей камерой понимается ограниченное пространство внутри машины, периодически меняющее свой объем и попеременно сообщающееся с местами входа и выхода жидкости. Если в состав гидропривода входит одна или несколько объемных гидромашин, то такой привод называют объемным. 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 и т.д. В поршневом (плунжерном) насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате возвратно-поступательного движения вытеснителей. Объемный гидродвигатель – это гидромашина, предназначенная для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена. Принцип работы объемного гидропривода основан на высоком модуле объемного сжатия рабочей жидкости и законе Паскаля, который гласит, что всякое изменение давления в какой-либо точке покоящейся жидкости, нарушающее ее равновесие, передается в другую точку без изменения. На рисунке показана простейшая схема объемного гидропривода, состоящего из двух гидромашин. Цилиндр 1 предназначен для работы в режиме насоса, цилиндр 2 - в режиме объемного гидродвигателя (гидроцилиндра). На F1 поршень цилиндра 1 действует сила на поршень цилиндра 2 – внешняя F2 нагрузка . Принцип работы гидропривода заключается в следующем. При принудительном перемещении поршня 1 (рис. 1)вниз рабочая жидкость из него вытесняется в цилиндр 2, приводя его в движение. При этом давление p1 , создаваемое в цилиндре 1 силой F1 действует также и на поршень цилиндра 2 (по закону Паскаля). В цилиндрах 1 и 2 устанавливаются статические давления, которые без учета потерь равны: F F p1  1  2  p2  p S1 S 2 Рис. 1 - Схема простейшего объемного гидропривода и его механическая аналогия Согласно этой формуле сила, действующая на поршень цилиндра 2, равна S F2  pS2  F1 2 S1 Следовательно, чем больше площадь S 2 , тем больше сила F2 . Скорость выходного звена Q 4Q 2  2  22 S 2 D2 . Равновесие сил, действующих в рассматриваемой схеме, можно сравнить с равновесием рычага (рис. 1,б). Длины плеч l1 и l 2 рычага связаны соотношением F1 l 2  F2 l1 . Отсюда следует, что при соответствующем выборе размеров плеч F2 F1 представляется возможным уравновесить большую силу малой силой . 2. Схемы объемных гидроприводов 2.1. Обозначение элементов гидро- и пневмосистем Кроме насосов и гидромоторов существуют и другие разнообразные по конструкции и назначению гидроэлементы. Одни управляют потоком рабочей жидкости, другие служат для обеспечения безотказной работы гидросистем и т.д. Совокупность этих устройств называется гидроприводом и требует отдельного изучения. Все гидроэлементы имеют свое условное обозначение, из которых составляются гидросхемы по аналогии с электрическими схемами. Ниже приводятся условные обозначения основных гидроэлементов (Таблица 1). Таблица 1 - Условные обозначения основных гидроэлементов 2.2. Системы циркуляции рабочей жидкости Гидросистема состоит из источника энергии, каковым обычно является насос, исполнительного механизма (силового цилиндра или гидромотора), а также аппаратуры управления потоком жидкости и защиты системы от перегрузок. В частности, обязательным аппаратом для большинства гидросистем является распределитель жидкости, в функции которого входит обеспечение направления потока жидкости к рабочим полостям исполнительного механизма. Системы любой сложности комплектуются из элементарных систем и их комбинаций. Ввиду практической неограниченности возможных комбинаций таких элементарных систем, из которых комплектуются более сложные гидросистемы разнообразных машин и установок, ограничимся лишь описанием наиболее типовых элементов схем и их комбинаций, которые применяются практически во всех машинах. По характеру циркуляции рабочей жидкости объемные приводы разделяются на системы с разомкнутой и замкнутой циркуляцией. Системы с разомкнутой циркуляцией В системах с разомкнутой циркуляцией основной запас рабочей жидкости (более 50%) находится в баке. Жидкость забирается насосом из бака и совершив работу возвращается в бак. Таким образом, в баке размыкается поток циркуляции. В качестве гидродвигателя обычно используются цилиндры. Принципиальная схема системы с разомкнутой циркуляцией приведена на рисунке 2. Рисунок 2 - Принципиальная схема системы с разомкнутой циркуляцией 1 - бак; 2 – фильтр; 3 – предохранительный клапан; 4 – насос; 5параллельно включенный дроссель; 6 – распределитель; 7 – последовательно включенный дроссель; 8 – гидроцилиндр двустороннего действия; «а», «б» бесштоковая и штоковая полости гидроцилиндра Жидкость забирается из бака 1 насосом 4, во всасывающей (низконапорной) магистрали которого установлен фильтр 2. По высоконапорной магистрали жидкость поступает к распределителю 6, управляющему перемещением поршня силового цилиндра 8. От превышения давления напорная магистраль защищена предохранительным клапаном 3, включенным параллельно насосу. Если давление в защищаемой магистрали ниже предельно допустимого, клапан закрыт. При превышении давления свыше допустимого предела он открывается и часть жидкости (или весь поток), минуя распределитель и цилиндр, уходит на слив в бак. В первом положении распределителя 6 (показано на схеме как основное) жидкость из высоконапорной магистрали поступает в бесштоковую полость цилиндра, вызывая перемещение поршня и соединенного с ним штока. При этом преодолевается усилие сопротивления нагрузки. Для устранения подсоса воздуха в сливную магистраль, она перекрывается пояском золотника распределителя. Штоковая полость цилиндра для обеспечения возможности перемещения поршня соединяется сливной магистралью с баком 1. Во втором положении распределителя 8 штоковая и бесштоковая полости цилиндра запираются, что предотвращает перемещение штока в любом направлении. В напорной магистрали растет давление и срабатывает предохранительный клапан 3. При этом в напорной магистрали поддерживается давление на уровне срабатывания предохранительного клапана, что приводит к потреблению насосом излишней мощности. Чтобы этого избежать, применяется разгрузка насоса по давлению. При этом распределитель соединяет высоконапорную магистраль со сливной. Давление, развиваемое насосом, уменьшается и определяется потерями в системе. В третьем положении золотника распределителя бесштоковая полость соединяется со сливом, а штокавая – с высоконапорной магистралью. Шток перемещается в направлении, противоположном его движению в первом положении. Для регулирования скорости перемещения штока цилиндра в приводах с разомкнутой циркуляцией обычно используются дроссели. Дроссель 5 включен параллельно нагрузке (распределителю и цилиндру) и отводит часть потока жидкости из высоконапорной магистрали в бак. Происходит деление потока и за счет этого регулируется объем жидкости, поступающей в цилиндр в единицу времени. Дроссель 7 включен последовательно нагрузке и путем изменения своего проходного сечения регулирует объем жидкости, поступающей в цилиндр в единицу времени. Оба способа включения дросселей имеют свои достоинства и недостатки. Особенностью работы распределителя совместно с цилиндром двустороннего действия является подача давления в одну из его полостей при обязательном соединении другой полости со сливом. Достоинства: - простота и удобство наблюдения за состоянием рабочей жидкости; - хорошие условия для охлаждения и отстоя жидкости; - простота конструкции и невысокая стоимость агрегатов. Недостатки: - давление во всасывающей магистрали насоса ниже атмосферного, что при нарушении герметичности приводит к подсосу воздуха; - величина рабочего давления составляет 14…16 МПа, что увеличивает габариты агрегатов. Приводы с замкнутой циркуляцией В таких приводах основной запас рабочей жидкости (более 50%) находится во внутренних полостях и корпусных деталях машин и агрегатов, а также в соединительных магистралях. В качестве гидродвигателей обычно используются моторы. Схема нереверсивного регулируемого привода показана на рисунке 3. Для регулирования скорости выходного вала мотора применяется насос с регулируемой подачей (за счет изменения рабочего объема при постоянных оборотах). Рисунок 3 – Схема нереверсивного привода с замкнутой циркуляцией 1 – бак; 2 – фильтр; 3 – насос системы подпитки; 4 – предохранительный клапан системы подпитки; 5 – основной насос; 6предохранительный клапан высоконапорной магистрали; 7 – гидромотор; 8 – высоконапорная магистраль; 9 – низконапорная магистраль; 10 – напорный клапан; 11 – теплообменник; 12 – фильтр; 14 – сливная (дренажная) магистраль В таких приводах в качестве гидродвигателя обычно применяются гидромоторы. Рабочая жидкость циркулирует по замкнутому контуру «низконапорная магистраль 9 – основной насос 5 – высоконапорная магистраль 8 – гидромотор 7». Для ограничения давления в высоконапорной магистрали в системе применяется предохранительный клапан 6, который при превышении давления свыше установленного предела соединяет высоконапорную магистраль 8 с низконапорной 9, уменьшая таким образом давление в защищаемой магистрали. Утечки в корпусные детали собираются в дренажные магистрали (обычно на схемах не показываются, аналогично и на рисунке 2) и отводятся в бак 1. Для компенсации утечек в систему вводится система подпитки, включающая в себя фильтр 2, насос подпитки 3, предохранительный клапан системы подпитки 4. Для снижения рабочего давления системы подпитки, она осуществляется в низконапорную магистраль. Поэтому давление подпитки должно быть выше, чем давление в низконапорной магистрали (но ниже, чем давление в высоконапорной магистрали). С целью исключения утечек из системы в бак при неработающем насосе системы подпитки соединение выхода насоса подпитки с низконапорной магистралью осуществляется через обратный клапан. Для улучшения температурного режима в системе часть жидкости забирается из низконапорной магистрали 9, пропускается через теплообменник 11 и отводится в бак 1. Поддержание избыточного давления в низконапорной магистрали 9 обеспечивается установкой напорного клапана 10. Реверсивные системы с замкнутой циркуляцией имеют особенности (рисунок 4). В них используются реверсивные гидравлические машины (насос и мотор), что обеспечивает изменение направления вращения вала мотора при неизменном направлении вращения основного насоса. Регулирование скорости вращения, как правило, обеспечивается изменением рабочего объема гидромашин (одной или обоих) при неизменной частоте вращения вала насоса. Рисунок 4 – Принципиальная схема реверсивной системы с замкнутой циркуляцией 1 – бак; 2 – фильтр; 3 – насос системы подпитки; 4 – предохранительный клапан системы подпитки; 5, 6 – обратные клапаны; 7 – основной насос; 8, 9 – основные предохранительные клапаны; 10, 11 – основные магистрали; 12 - гидромотор; 13 – перекидной клапан; 14 – напорный клапан; 15 – теплообменник; 16 – сливная магистраль; 17 – фильтр Особенностью системы является то, что высокое давление, в зависимости от направления вращения выходного вала мотора 12, может быть в любой из магистралей 10 или 11, соединяющих насос 7 и мотор 12. Поэтому указанные магистрали называются основными. Для защиты основных магистралей от превышения давления в них применено два предохранительных клапана 8 и 9, включенные между собой встречнопараллельно. Для уменьшения давления подпитки ее также осуществляется соединение выхода насоса подпитки 3 с обоими основными магистралями через обратные клапаны 5 и 6. Так как рабочее давление в высоконапорной магистрали выше давления подпитки, то оно закрывает соответствующий обратный клапан. При отсутствии высокого давления (отсутствии подачи основного насоса) оба обратных клапана открываются (так как давление в обоих основных магистралях низкое) и осуществляется заполнение системы рабочей жидкостью из бака. Система охлаждения также имеет особенности. Желательно отбирать жидкость для охлаждения из низконапорной магистрали (в противном случае придется использовать теплообменники, рассчитанные на высокое давление, которые дороги и сложны). Определение низконапорной магистрали производится перекидным клапаном 13, золотник которого пружинами удерживается в среднем положении. Под торцы золотника подается давление от основных магистралей, которое управляет его положением. В нейтральном положении золотника (при низком давлении в обоих основных магистралях) золотник устанавливается пружинами в положение, когда заперты входные и выходная магистрали. При этом отсутствует циркуляция жидкости через теплообменник 15, что ускоряет прогрев рабочей жидкости. Напорный клапан 14 функционирует аналогично нереверсивным системам. Достоинства: - давление во всасывающей магистрали выше атмосферного, что предотвращает подсос воздуха при нарушении герметичности соединений; - возможность использования компактных машин, рассчитанных на рабочее давление 30..50 МПа. Недостатки: - плохие условия для охлаждения рабочей жидкости, что вызывает необходимость применения специальных теплообменников; - необходимость применения системы подпитки для компенсации утечек; - высокая стоимость агрегатов. 2.3. Другие схемы Многие гидросистемы имеют несколько гидродвигателей, питаемые от одного насоса. При такой схеме возможны два варианта подключения гидродвигателей: последовательное и параллельное (рисунок 5). Рисунок 5 – Принципиальная схема гидросистемы: а) с последовательным соединением распределителей; б) с параллельным соединением распределителей На рисунке 6 приведены принципиальные схемы трех классов гидроприводов, различающихся характером движения выходного звена: а гидропривод, у которого в качестве гидродвигателя используется гидроцилиндр; б - гидропривод с поворотным гидродвигателем; в гидропривод с гидромотором. а б в Рисунок 6 – Принципиальные схемы гидропривода: а – поступательного движения; б – поворотного движения; в – вращательного движения 1 – гидродвигатель; 2 – гидрораспределитель; 3 – гидробак; 4 – регулируемый насос; 5 – предохранительный клапан Для самоконтроля описать схему, представленную на рисунке 6. Рисунок 6 Тема: «Оценочные параметры объемных гидроприводов и баланс мощности в них» 1. Основные оценочные параметры объемных гидроприводов Для рассмотрения вопросов лекционного занятия воспользуемся классической схемой объемного гидропривода (рисунок 1): Рисунок 1 -Схема объемного гидропривода с замкнутой циркуляцией жидкости: 1 - регулируемый насос; 2 — вспомогательный насос; 3 - переливной клапан; 4 - обратный клапан; 5- предохранительные клапаны; 6 - гидродвигатель (регулируемый гидромотор); a, b - гидролинии На рисунке 1 изображена схемы гидропривода раздельного исполнения, в которых гидродвигатели расположены на расстоянии от насоса и соединены с ним трубопроводом, длина которого может составлять десятки метров. Часто, особенно в самоходных машинах (строительные, дорожные, сельскохозяйственные машины и др.), применяют гидроприводы в нераздельном исполнении. В таких гидроприводах насос, гидромоторы и гидроаппаратура расположены в общем корпусе и образуют компактную гидротрансмиссию, способную бесступенчато изменять частоту вращения ведомого вала и удобную для автоматизации управления приводимой машины. В таких трансмиссиях, заменяющих ступенчатые коробки передач, как правило, используют регулируемые аксиально-поршневые гидромашины. Эксплуатационные качества гидромашин характеризуются значениями величин, называемых техническими показателями. Насос и гидромотор являются основополагающими элементами гидросистемы, определяющими ее характеристики. Основные технические показатели насосов: nН - частота вращения входного звена, об/мин; H -угловая скорость, с-1; МH -крутящий момент, Нм; QН - подача (производительность), м3/с; QН.Т -теоретическая подача, м3/с; рН - давление, МПа; NН - мощность насоса, кВт; Nн.пл - полезная мощность, кВт; Н - КПД насоса; Н.О - объемный КПД. Мощность и подачу насоса можно выразить через его технические параметры. Мощность насоса: N  М    2  n  М  р  Q  . н н н н н н н н Подача насоса: Qн  Qн.т .н.о . V Значения Qн.т , определяемые рабочим объемом насоса н.р и частотой nН, а так же объемным КПД Н.О, приводятся в справочной литературе. Основные технические показатели гидромоторов: nД - частота вращения выходного звена, об/мин; Д - угловая скорость, с-1; МД - крутящий момент, Нм; QД - расход, м3/с; QД.Т – теоретический расход, м3/с; рД – давление, МПа; NД - мощность гидромотора, кВт; NД.ПТ – потребляемая мощность, кВт; Д - КПД гидромотора; Д.О – объемный КПД гидромотора. Мощность гидромотора: Nд  Мд  д  2  n д  Мд  р д  Q д  д . Основные технические показатели гидропередачи с вращательным движением входного и выходного звеньев: Передаточное отношение i: i  n д nн . Коэффициент трансформации момента КМ К м  Мд Мн . КПД гидропередачи гп гп  Nд Nн  К м  i. КПД насоса, определяемый отношением полезной мощности и мощности потребляемой, может быть также определен по уравнению н  н.г  но  нм , где н.г ,  но и нм – соответственно гидравлический, объемный и механический КПД насоса. Аналогично определяется и КПД двигателя  д   д.г   до   дм,  д.г ,  до и  дм где – соответственно механический, гидравлический и объемный КПД двигателя. Тогда КПД гидропередачи гп  н  д  с , где гп и с , – соответственно КПД гидропередачи и сети (гидролинии). 2. Потери мощности в агрегатах объемного гидропривода Преобразование энергии в гидромашине сопровождается потерями: объемными, гидравлическими и механическими. Объемные потери Nо вызываются, главным образом, утечками Q жидкости через неплотности (в том числе и регулируемыми утечками). Они при прочих равных условиях возрастают с перепадом давления. Гидравлические потери Nг обусловливаются гидравлическими сопротивлениями. Они определяются потерями напора H (потерями давления p) в самой машине. Эти потери возрастают с увеличением скорости движения жидкости и не зависят от давления. Механические потери Nм – это потери от трения в подшипниках и уплотнениях гидромашины. В гидромашинах отделить механические потери от гидравлических экспериментально не удается. Поэтому в справочниках указываются только КПД и объемный КПД гидромашины. Объемные утечки в процессе эксплуатации меняются и зависят от сопряжении между деталями, соединяющими полости высокого и низкого давления, а также от значении давления и вязкости жидкости. Утечки жидкости через зазоры прямо пропорциональны перепаду давлений и находятся в кубической зависимости от зазора в сопряжениях. Поэтому увеличение зазоров при износе резко снижает КПД и соответственно эксплуатационные характеристики машины. При работе гидронасоса часть рабочей жидкости перетекает через зазоры (дренаж) из полостей высокого давления в полости низкого давления, обуславливая объемные потери, оцениваемые объемным КПД. Коэффициент полезного действия нерегулируемого гидропривода определяется потерями энергии в насосе, гидромоторе, а также в соединяющих их трубопроводах и гидроаппаратах, через которые движется жидкость от насоса к гидродвигателю и обратно. Рассмотрим объемный КПД гидропривода и основные кинематические соотношения, характеризующие потери. Величины, относящиеся к насосу, обозначим индексом «н», к гидродвигателю — индексом «д». При закрытых предохранительных и обратных клапанах, а также при отсутствии циркуляции жидкости в целях охлаждения подача насоса равна расходу жидкости через гидродвигатель: Qн  Q д  Q, где Q н  Vн.о n н ηн.о ; Vн.о - рабочий объем насоса; n н - частота вращения вала насоса; η н.о - объемный КПД насоса. В гидроприводе поступательного движения скорость поршня гидроцилиндра v п  Qηд.о Sп  Vн.о n н ηн.о ηд.о Sп  Vн.о n н ηo Sп , η где д.о - объемный КПД гидродвигателя; S п - площадь поршня гидроцилиндра; η о - объемный КПД гидропривода, η о  η н.о η д.о . В гидроприводе вращательного движения частота вращения вала гидродвигателя nд  V V Q  д.о  н.о n н н.о д.о  н.о n н о Vд.о Vд.о Vд.о , где Vд.о - рабочий объем гидродвигателя. В обоих случаях утечки в насосе и гидродвигателе снижают скорость движения выходного звена — вызывают потери мощности. Полезная мощность: гидропривода поступательного движения N д.пл  Fд v п ; гидропривода вращательного движения N д.пл  М д д где Fд - нагрузка (сила вдоль штока); М д - момент на валу гидродвигателя;  д - угловая скорость вала гидродвигателя. Полезную мощность гидропривода можно выразить через перепад давлений в гидродвигателе р д , расход Qд и КПД гидродвигателя  д : N д.пл  Qд р д д , где  д   д.о д. м ,  д. м - механический КПД гидродвигателя. Полезная мощность насоса, выраженная через подачу Qн и давление насоса р н : N н.пл  Qн р н а потребляемая насосом мощность: N н  М н н  Qн р н  н , где М н - момент на валу насоса;  н - угловая скорость вала насоса;  н КПД насоса. По определению КПД гидропривода  гп  N д.пл N н . Тогда: для поступательного движения выходного звена гидропривода  гп  Fд vп Q р  д д  н д М н н Qн рн ; для вращательного движения выходного звена гидропривода М  Q р  гп  д д  д д  н д М н н Qн рн . Так как Qн  Qд , то где  тр  гп   нд тр , (1) - гидравлический КПД гидропривода, учитывает суммарные р   рд р н гидравлические потери давления тр в трубопроводах, тр . Перепад давлений на гидродвигателе меньше давления насоса на величину этих потерь: рн  рд   ртр . Формулу (1) можно представить в другом виде:  гп  о м тр , где  о и  м - объемный и механический КПД гидропривода. Коэффициент полезного действия нерегулируемого гидропривода, как и КПД объемных гидромашин, зависит от давления в системе, которое определяется нагрузкой на выходном звене, частоты вращения ротора (скорости поршня) и вязкости жидкости. На рисунке 2 приведена экспериментальная характеристика нерегулируемого аксиально-поршневого гидропривода. Рисунок 2 – Характеристика нерегулируемого аксиально-поршневого гидропривода Как и для отдельной роторной гидромашины, КПД гидропривода круто падает при уменьшении мощности (давления) и постепенно уменьшается при отклонении от оптимальной мощности в сторону ее увеличения. Потери, наоборот, резко возрастают с ростом мощности. Заметим, что эта зависимость приведена при постоянных оборотах вала насоса. Потери гидравлической мощности могут достигать 25…30%. В насосах -5%, в гидроцилиндрах – 5%, в гидромоторах – 10%, в трубопроводах и других элементах гидросистем – 10%. При проектировании гидросистем необходимо учитывать потери, возникающие в приводе насоса. Так, для электродвигателя, приводящего в движение гидронасос, такие потери могут достигать 5%. 3. Баланс мощности в объемном гидроприводе Для обеспечения работоспособности гидравлической системы необходимо подобрать ее элементы таким образом, чтобы выполнялось условие баланса мощности: N н  N д.пл   h , где  h - суммарные потери мощности в гидросистеме. Другими словами, подведенной к насосу мощности должно быть достаточно для преодоления суммарных потерь в гидросистеме и совершение полезной работы гидроприводом. Уже в самом насосе, например, его полезная мощность отличается от подведенной на величину объемных Nо, механических Nм и гидравлических Nг потерь (рисунок 3). Баланс мощности в насосе наглядно можно представить в виде схемы, представленной на рисунке 3. N н.пл N н    Nнг Nнм Nно Рисунок 3 – Баланс мощности в гидронасосе Применительно к насосам (с индексом «н») и гидродвигателям (с индексом «д») их баланс мощности запишется так: Nн  Nн.пл  Nн.о  Nн.г  Nн.м  Nн.вн  Nн.м ; Nд.пт  Nд  Nд.о  Nд.г  Nд.м  Nд.вн  Nд.о  Nд.м , где Nн – мощность насоса (мощность, потребляемая насосом), кВт; Nн.пл – полезная мощность насоса (мощность, сообщаемая насосом жидкости), кВт; Nн.о – объемные потери в насосе, кВт; Nн.г – гидравлические потери в насосе, кВт; Nн.м – механические потери в насосе, кВт; Nн.вн – внутренняя мощность насоса (мощность потока внутри насоса), N д.пт кВт; – мощность, потребляемая гидродвигателем (мощность, отдаваемая потоком жидкости гидродвигателю), кВт; Nд – мощность двигателя (мощность, отдаваемая двигателем, полезная мощность), кВт; Nд.о – объемные потери в двигателе, кВт; Nд.г – гидравлические потери в двигателе, кВт; N д.м – механические потери в двигателе, кВт; N д.вн – внутренняя мощность двигателя (мощность потока внутри гидродвигателя), кВт. Полезная мощность насоса и мощность, потребляемая гидродвигателем, определяются как мощность потока по уравнениям Nн.пл  10  3    g  Нн  Qн  10  3  рн  Qн ; N д.пт  10  3    g  Н д  Q д  10  3  р д  Q д , где  – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Нн – напор насоса, м; Q н – подача насоса (объемный расход жидкости на выходе насоса), м3/с; р н – давление насоса, МПа; Нд – напор двигателя, м; Qд – расход двигателя (объемный расход жидкости на входе в гидродвигатель), м3/с; р д – давление двигателя, МПа. Баланс мощности в гидросистеме можно рассматривать и через давление, создаваемое насосом и достаточное для приведения в действие всех других элементов гидравлической системы (рисунок 4). р i р н р вс Тема: «Гидрообъёмные трансмиссии самоходных сельскохозяйственных машин 1 Общие сведения о гидрообъёмных трансмиссиях Трансмиссия (силовая передача) - совокупность агрегатов, соединяющих двигатель машины с её движителем, а также системы обеспечивающие работу агрегатов. Основное назначение трансмиссии заключается в изменении тяговых усилий, скоростей и направления движения машины. Трансмиссия гидрообъёмная (ГОТ) – это трансмиссия, состоящая из насоса, соединённого с двигателем, и гидродвигателей, расположенных в ведущих колёсах. Гидрообъёмные агрегаты широко применяются в трансмиссиях комбайнов и кормоуборочных машин. Широкое распространение трансмиссий с использованием гидравлической энергии обусловлено рядом их преимуществ по сравнению с механическими: возможность получения совместных характеристик приводящего двигателя и гидропривода в соответствии с нагрузочными характеристиками машин; простота предохранения приводящего двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок; широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена, что позволяет осуществить рациональный режим работы исполнительных органов машин; возможность передачи больших сил и моментов, а также осуществление больших передаточных чисел при относительно небольших размерах и массе гидроустройств; надежная смазка трущихся поверхностей, благодаря применению в качестве рабочей жидкости минеральных масел; простота реверсирования без необходимости изменения направления вращения приводящего двигателя, а также возможность получения плавного движения и частых быстрых переключений на ходу машины; простота преобразования одного вида движения в другой и независимость расположения гидравлических устройств в пространстве, что создает удобства в общей компоновке машин; простота управления, что способствует применению систем автоматического, программного и дистанционного управления. К недостаткам гидропривода относятся: утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, что снижает коэффициент полезного действия установки и ведет к загрязнению рабочего места; для повышения герметичности системы требуется высокая точность и чистота поверхностей сопрягаемых деталей; нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты; необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в нее воздуха; пожароопасность в случае применения горючей рабочей жидкости; более низкий коэффициент полезного действия (КПД) гидропередачи по сравнению с механической. При правильном выборе гидросхем и конструировании гидроузлов некоторые из перечисленных недостатков гидропривода можно устранить или значительно уменьшить их влияние на работу машин. Тогда преимущества гидропривода становятся столь существенны, что в большинстве случаев приходиться отдавать ему предпочтение. Реализация этих преимуществ позволяет улучшить техникоэксплуатационные показатели самоходных машин: сменную производительность, снизить расход топлива, уменьшить стоимость восстановления ресурса при одном условии — высококвалифицированной эксплуатации гидростатической трансмиссии. В связи с этим особое значение приобретают знания будущих инженерно-технических работников и лиц, эксплуатирующих сложные машины, процессов, происходящих в устройстве, общих правил производственной и технической эксплуатации, диагностики и восстановления работоспособности этих сложных машин. Если в состав гидропривода входит один или несколько объемных гидродвигателей, то такой привод называют объемным (объемные гидродвигатели преобразуют гидравлическую энергию в механическую в замкнутом изменяющемся объеме - рабочей камере). Объемный гидростатический привод предназначен для передачи мощности от двигателя самоходной машины (комбайна) к его ходовой части при бесступенчатом регулировании скорости и силы тяги с возможностью реверсирования. Преобразование энергии в гидромашине сопровождается потерями: объемными, гидравлическими и механическими. Объемные потери  N0 вызываются, главным образом, утечками  Q жидкости через неплотности (в том числе и регулируемыми утечками). Они при прочих равных условиях возрастают с перепадом давления. Гидравлические потери  Nг обуславливаются гидравлическими сопротивлениями. Они определяются потерями напора  Н (потерями давления  р) в самой машине. Эти потери возрастают с увеличением скорости жидкости и не зависят от давления. Механические потери  Nм - это потери от трения в подшипниках и уплотнениях гидромашины. 2 Схемы гидрообъёмных трансмиссий самоходных сельскохозяйственных машин Гидрообъемная трансмиссия (рисунок 1, а) состоит из гидронасоса 7, связанного с коленчатым валом двигателя, нескольких (число их зависит от числа ведущих колес) гидродвигателей 10, соединенных со ступицами, магистралей высокого 8 и низкого 9 давления, редукционных клапанов 11, охладителя 12, дренажной системы 13 и системы подпитки, в которую входят резервуар 1, фильтр 2, охладитель 3 системы, подпиточный насос 4, редукционный 5 и предохранительные 6 клапаны. Рисунок 1 - Гидрообъемная трансмиссия: а - схема; б - гидронасос плунжерного типа; в - схема работы гидронасоса на режиме двигателя Гидронасос, гидродвигатели, магистрали и система подпитки заполнены рабочей жидкостью. При вращении коленчатого вала гидронасос 7 создает гидростатический напор, под действием которого жидкость по магистрали 8 поступает к гидродвигателям 10. В гидродвигателях этот напор преобразуется в механическую работу, а жидкость по магистрали 9 возвращается к гидронасосу. При этом часть жидкости, которая просачивается через зазоры в гидронасосе и гидродвигателях, по трубкам дренажной системы 13 стекает в резервуар 1. Для пополнения рабочей жидкостью преобразователь имеет систему подпитки, насос 4 которой нагнетает ее в магистраль 9 через правый предохранительный клапан 6. Гидронасос плунжерного типа (рисунок 1, б), получивший наибольшее распространение, состоит из статора 14, эксцентрично относительно него расположенного ротора 15 с цилиндрами 16 и плунжерами 17 и распределителя 18 с перегородкой, разделяющей магистрали высокого и низкого давления. Цилиндры ротора каналами соединены с полостями распределителя. Точно такое же устройство и у плунжерного гидродвигателя. Если вращать ротор гидронасоса, то последний начинает работать на режиме насоса. При этом одни плунжеры, выдвигаясь под действием центробежных сил и пружин в серповидную полость, засасывают жидкость в цилиндры из магистрали низкого давления, а другие, утапливаясь из-за эксцентриситета  , вытесняют ее из цилиндров в магистраль высокого давления. Для перехода гидронасоса на режим двигателя нужно нагнетать жидкость в одну из полостей распределителя. При этом действующая на плунжер сила гидростатического давления (рисунок 1, в) создает при эксцентриситете  реакцию N со стороны статора, которую можно разложить на составляющие Z и T. Составляющую Z уравновешивает сила гидростатического давления, а составляющая T создает крутящий момент, поворачивающий ротор против часовой стрелки. Обычно в гидрообъемной трансмиссии регулируемым является гидронасос. Подача гидронасоса зависит от вытесняемого им за один оборот ротора объема жидкости Vн, который изменяют автоматически, уменьшая или увеличивая эксцентриситет  . Так, в случае его уменьшения снижается угловая скорость гидродвигателя, т.е. повышается передаточное число (коэффициент трансформации) гидрообъемного преобразователя: V К го т р  д , Vн где Vд = const - объем жидкости, вытесняемой за один оборот ротора гидродвигателя. При этом плавно и непрерывно по гиперболической зависимости в случае установки соответствующего регулятора увеличивается тяговый момент на ведущих колесах. Если эксцентриситет  =0, то мощность от двигателя к ним не передается. Если же изменить его в противоположном направлении по сравнению с рассмотренным выше, то в результате изменения направления тягового момента автомобиль начинает двигаться назад. В трансмиссиях тракторов уже более 15 лет используются как простейшие схемы гидрообъемных трансмиссий с нерегулируемыми гидромашинами и дроссельным регулированием скорости, так и современные передачи с объемным регулированием. 3 Конструкция и особенности эксплуатации гидрообъемного привода ГСТ-90 На зерноуборочных комбайнах «Дон-1500» и «Дон-2600» мощность от двигателя к ведущим колесам передаётся через трехступенчатую механическую трансмиссию и объёмный реверсивный гидропривод ГСТ-90. Гидрообъемный регулируемый реверсивный привод ГСТ-90 применяется в гидромеханических трансмиссиях для передачи мощности от двигателя к коробке диапазонов механической части трансмиссии, что обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения и силы тяги при ручном управлении. Принципиальная гидравлическая схема привода ГСТ-90 изображена на рисунке 2. Привод содержит три основных системы: главную (гидропередачу), подпитки, регулирования. Главная система ГСТ предназначена для передачи мощности от входного вала насоса к выходному валу мотора. Система подпитки обеспечивает компенсацию утечек масла, минимальное давление при нейтральном положении главной системы, непрерывную замену масла в ней из резервуара, а также подачу масла в систему регулирования. Система регулирования (ручная сервосистема) предназначена для изменения подачи масла в мотор. Рисунок 2 – Гидравлическая схема привода ГСТ-90 с подключенными контрольными манометрами: 1, 9 – основная магистраль; 2, 7 – основной предохранительный клапан; 3 – переливной клапан; 4 – перекидной золотник; 5 – аксиально-плунжерный мотор; 6 – гидромоторный блок МП-90; 8 – дренажная магистраль; 10 – бак; 11- датчик температуры; 12 – теплообменник; 13 – сливная магистраль; 14 – фильтр; 15 – магистраль всасывания; 16 – вакуумметр; 17 – предохранительный клапан вспомогательного насоса; 18 – насосный блок НП-90; 19, 20 – обратный клапан; 21 – вспомогательный насос (систем управления и подпитки) НШ-10; 22 – основной аксиально-плунжерный насос; 23, 24 – сервоцилиндр; 25, 26, 27 – дроссель; 28 – гидрораспределитель системы управления; А – манометр до 4 МПа; Б, В – манометры до 60 МПа; Г – манометр до 0,6 МПа; Д – вакуумметр до 0,06 МПа Рабочая жидкость поступает из масляного бака 10. Температура жидкости контролируется по показаниям датчика 11. Отбираемая из бака 10 жидкость очищается фильтром 14. Жидкость, поступающая в бак, охлаждается в теплообменнике 12. Вакуумметр 16 показывает разрежение на входе вспомогательного насоса (насоса систем управления и подпитки). Главные элементы гидропередачи – насосный 18 и моторный 6 блоки. Они соединены основными магистралями 1 и 9. Так как привод реверсивный, каждая из основных магистралей в зависимости от направления вращения выходного вала мотора может быть как высоконапорной, так и низконапорной. Дополнительно элементы передачи связаны линиями низкого давления 13, 15 и 8. Насосный блок 18 состоит из основного регулируемого аксиальноплунжерного насоса 22, с валом которого соединен вал вспомогательного насоса 21. Гидравлический привод изменения угла наклона люльки основного насоса включает в себя распределитель 28, золотник которого имеет обратную механическую связь по положению люльки, а также силовые цилиндры 23 и 24. Расход жидкости, поступающей в распределитель и сервоцилиндры, определяется проходными сечениями дросселей 25, 26 и 27. Предохранительный клапан 17 ограничивает давление на выходе вспомогательного насоса 21. Обратные клапаны 19 и 20 обеспечивают подачу жидкости (в режиме подпитки при работе основного насоса) вспомогательным насосом 21 в ту основную магистраль, в которой давление ниже, чем определяемое предохранительным клапаном 17. Поскольку передача реверсивная, для функционирования системы подпитки необходимо иметь два обратных клапана. Моторный блок 6 состоит из нерегулируемого аксиально-плунжерного гидромотора 5 и расположенной на его корпусе клапанной коробки. В клапанной коробке размещен перекидной золотник 4, к торцам которого подводится жидкость из основных магистралей. Золотник соединяет магистраль низкого давления с входом переливного клапана 3, который определяет уровень давления в дренажной магистрали 8. Клапанная коробка содержит два основных предохранительных клапана 2 и 7, каждый из которых обеспечивает защиту одной из основных магистралей (1 или 9) от чрезмерного повышения давления. Функционирование гидрообъёмной трансмиссии на основных режимах (заполнение системы, движение вперёд и назад, остановка) удобно рассматривать по принципиальной схеме (рисунок 3). Рассмотрим режим заполнения системы и холостого хода, а остальные режимы будут изучены на лабораторном занятии. При включении двигателя комбайна клиноременной передачей приводятся во вращение вал 40 основного насоса 66 с блоком цилиндров 60 и вал вспомогательного насоса 27. Сервоцилиндры 31 и 42 привода изменения положения люльки 38 основного насоса оборудованы пружинами 32, которые при отсутствии управляющего воздействия на гидрораспределитель 52 обеспечивают нейтральное положение люльки. По каналу 57 масло от насоса 27 поступает в распределитель 52. Поскольку золотник 56 распределителя находится в нейтральном положении, масло не попадает в полости сервоцилиндров 31, 42 и люлька 38 находится в положении, перпендикулярном оси вала 40. При вращении блока цилиндров подпятники 37 плунжеров 36 скользят по опорной пластине люльки 38, не вызывая осевого перемещения плунжеров и перекачивания жидкости. При этом подача основного насоса 66 равна нулю. Вал 17 гидромотора вращаться не будет, так как по обеим основным гидролиниям 25 и 64 на все плунжеры будет передаваться одинаковое давление. Рисунок 3 - Принципиальная схема привода ГСТ-90: 1 - теплообменник, 2 - манометр (вакуумметр); 3 - магистраль всасывания; 4 -бак; 5 - мерное стекло; 6 - фильтр; 7 - переливной клапан; 8, 21 - основной предохранительный клапан; 9, 10, 20, 22, 24, 26, 41, 55, 57, 61, 65 - каналы подачи масла; 11 - гидромоторный блок МП-90; 12, 29 - запорнораспределительное устройство; 13 - рабочая камера 14, 60 - блок цилиндров; 15, 36 - плунжер, 16 - наклонная шайба; 17, 40 - валы; 18- датчик температуры; 19 - дренажная магистраль; 23 - перекидной золотник; 25, 64 - основная магистраль; 27 - вспомогательный насос (насос систем управления и подпитки) НШ-10; 28, 63 - обратный клапан; 30 - полость сервоцилиндра; 31, 42 – сервоцилиндр; 32 - пружина сервоцилиндра; 33, 43 - поршень сервоцилиндра; 34 - серьга; 35, 46, 58 дроссель; 37 - подпятник; 38 - наклонная люлька; 39 -насосный блок НП-90; 44 - рычаг люльки; 45, 53 - тяга; 47 - пружина; 48 - дифференцирующий рычаг; 9 - корпус распределителя; 50 - рычаг; 51 - сливная магистраль; 52 гидрораспределитель системы управления; 54, 59 - ось; 5 6 – золотник; 62- предохранительный клапан вспомогательного насоса; 66 основной аксиально-плунжерный насос Поскольку подача насоса 66 отсутствует, и вал 17 гидро мотора не вращается, то жидкость, подаваемая вспомогательным насосом 27, заполнит основные магистрали 25 и 64, а также поступит в полости 10 и 20 блока цилиндров 14 гидромомтора и каналы 9 и 22 клапанной коробки гидромотора. Так как золотник 23 с обеих сторон испытывает одинаковое давление масла, он не сместится, и каналы 9 и 22 клапанной коробки не соединятся с каналом 24 переливного клапана 7. После заполнения указанных элементов системы давление на выходе насоса 27 возрастает до давления открытия предохранительного клапана 62. Вспомогательный насос начинает подавать жидкость через указанный клапан в корпус основного насоса, а затем через дренажную магистраль 19 в корпус гидромотора. Избыток жидкости после заполнения корпусов основных гидромашин поступает по сливной магистрали 51 через теплообменник 1 в бак 4. Таким образом, вспомогательный насос обеспечивает циркуляцию рабочей жидкости через предохранительный клапан 62, теплообменник 1 и фильтр 6, а также заполнение основных 25 и 64, дренажной 19 и сливной 51 магистралей и прокачку корпусов гидромашин. Особенностью конструкции ГСТ-90 является наличие большого количества пар скольжения, которые смазываются рабочей жидкостью, поэтому ее количество и состояние значительно влияет на работоспособность гидросистемы. Рабочей жидкостью могут служить только специальные гидравлические масла, обладающие необходимыми смазывающими свойствами и включающие особые присадки, повышающие срок службы масла в условиях многократного дросселирования высоким давлением, то есть препятствующие старению масла Последнее связано с выделением из жидкости смолистых веществ, осаждающихся на деталях гидромашин и засоряющих каналы устройств управления. Присутствие в рабочей жидкости воды резко снижает смазывающие свойства, приводит к коррозии металлических деталей. Наличие в масле воздуха снижает объемный КПД гидромашин, увеличивает шум гидропередачи, ухудшает несущую способность масляной пленки и вызывает кавитационные явления. Большую опасность представляют механические примеси в рабочей жидкости. Важным является не только показатель относительного массового содержания примесей, но и их состав, определяемый распределением количества частиц различных размеров, содержащихся в определенном объеме рабочей жидкости. Это распределение характеризует класс чистоты масла. Механические примеси состоят из металлических и неметаллических частиц, среди которых встречаются частицы большой твердости. Попадая в зазоры пар скольжения, они внедряются в мягкие стенки латунных деталей, что приводит к абразивному износу пар скольжения. Опыт эксплуатации гидроприводов показывает, что наибольшее число отказов связано с выходом из строя пар скольжения из-за абразивного износа. Это приводит к росту утечек до значений, превышающих подачу вспомогательного насоса. Механические примеси, попадая в каналы и на рабочие кромки регулирующей управляющей и предохранительной гидроаппаратуры, могут привести к отказам этих элементов и всего гидропривода. Следует учитывать, что фильтр тонкой очистки не гарантирует отсутствие в рабочей жидкости частиц, превышающих размером номинальную тонкость фильтрации. Решающую роль играет контроль чистоты рабочей жидкости, выполнение всех требований по ее заправке, эксплуатации и техническому обслуживанию гидроаппаратов. Особенностью гидротрансмиссий является наличие фильтра на входе вспомогательного насоса, что ухудшает условия всасывания. Засорение фильтроэлемента приводит к увеличению гидравлического сопротивления фильтра и снижению давления на входе вспомогательного насоса, что связано с опасностью возникновения кавитации, снижения и срыва подачи вспомогательного насоса. Поэтому в процессе эксплуатации необходимо следить за вакуумметром, замеряющего разрежение на входе вспомогательного насоса. В случае недопустимо большого его значения необходимо заменить фильтроэлемент. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ Надежность и безотказность гидропривода в значительной мере зависит от того, как грамотно и четко будут выполняться правила эксплуатации Главные из них следующие: применять в ГСТ масла следующих марок А (ТУ 38 Ю1.179-71), МГЗОУ или МГЕ-46В (ТУ 38.461 285-80), запрещается использовать другие масла или смесь названных масел; верхний температурный предел, обеспечивающих работоспособность элементов гидропривода, составляет + 80°С; нижний температурный предел эксплуатации гидротрансмиссии определяется маркой используемого масла: для масла А допускается работа при температуре не ниже -10°С, а для других - не ниже -30°С; постоянно следить за чистотой узлов и масла; при разборке агрегатов исключить попадание грязи внутрь узлов; разбирать узлы гидропривода в условиях хозяйства только для устранения мелких неисправностей: отказов механизма управления, подтекания масла, подтягивания резьбовых соединений, замены фильтра. Другие ремонтные операции выполнять в специализированной мастерской; при перегрузке ГСТ переключать коробку диапазонов на пониженную передачу (срабатывание предохранительного клапана высокого давления определяется по характерному шуму высокого тона); категорически запрещается пуск двигателя комбайна с буксира. Это приведет к разрыву рукавов высокого давления, быстрому износу деталей и поломкам ГСТ. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ГСТ-90 При эксплуатации, а также ремонтных работах и техническом обслуживании гидрообъемного привода необходимо соблюдать следующие требования: рукава высокого давления и маслопроводы должны быть закрыты экранами, исключающими попадание масла при повреждении трубопроводов на обслуживающий персонал; нельзя прикасаться к трубопроводам, агрегатам и масляному радиатору, т.к. во время работы они имеют температуру 70…80°С; запрещается подтягивать соединения на маслопроводах при работающем двигателе; запрещается эксплуатация гидропривода с самопроизвольным включением золотника распределителя насоса из нейтрального положения в рабочее. 4 Перспективы применения гидрообъемных трансмиссий ОАО «Инновационная фирма «НАМИ-Сервис» при активном участии АМО ЗИЛ разработало транспортное средство высокой проходимости с полнопоточной гидрообъемной «интеллектуальной» трансмиссией, обеспечивающей бесступенчатый и плавный подвод мощности к колесам. Первый «выход в свет» она совершила в конце лета прошлого года, и сразу стала одним из самых интересных экспонатов специализированной выставки автомобилей двойного применения в Бронницах, проходившей в рамках Российского автосалона. Уникальный автомобиль назвали «Гидроход». Его основой послужило шасси ЗИЛ-49061, которое оснастили двигателем легкового автомобиля ЗИЛ-115, оригинальной трансмиссией, кабиной от грузовика ЗИЛ-4331 с новой передней частью и грузопассажирским кузовом (рисунок 4). Рисунок 4 - Гидроход Прежде, чем познакомиться с опытным автомобилем, попытаемся разобраться, что же такое гидрообъемная трансмиссия и чем же она привлекла внимание создателей «Гидрохода». Гидрообъемной (или гидростатической) передачей называют сочетание объемного гидронасоса с аналогичным по конструкции гидромотором (одним или несколькими). Первые попытки применить ее в трансмиссии автомобилей относятся к концу XIX века. Однако низкий КПД, высокая стоимость, связанная со сложностью конструкции и необходимостью высокой точности изготовления, большие габариты и вес, трудности, связанные с созданием надежных уплотнителей, заставили отказаться от этой идеи на долгие годы. Однако в последнее время ситуация в корне изменилась: гидрообъемные приводы и трансмиссии стали обычным явлением на бульдозерах, а на автокранах и экскавато рах просто вытеснили все остальные схемы. Произошло это в результате усовершенствования конструкций гидрообъемных насосов и гидромоторов, а главным образом – уплотнений в них. Ведь гидравлическая мощность равна произведению рабочего давления на расход жидкости, и если 20 лет назад 200 кг/см2 (бар) казались пределом возможного, то теперь 45–50 МПа (450–500 бар) никого не удивишь. И хотя до серийных автомобилей гидрообъемные передачи еще не добрались, во всех странах ведутся работы по их внедрению в автомобилестроении. Преимущества гидрообъемных передач по сравнению с традиционными: бесступенчатое изменение передаточного числа трансмиссии в целом в очень широких пределах; возможность замены всех механизмов механической трансмиссии (а не только коробки передач и сцепления) одной-двумя парами «гидронасос– гидромотор»; компоновочные, связанные с возможностью размещения гидромоторов на любом расстоянии от гидронасоса, в результате чего гидромоторы можно располагать непосредственно в колесах; легкость реверсирования передачи и получения одинаковых скоростей при движении автомобиля вперед и назад. К недостаткам современных гидрообъемных передач следует отнести более низкий, чем у механических передач КПД, и более высокую стоимость изготовления. Принцип работы простейшей гидрообъемной передачи следующий. Насос, связанный непосредственно с двигателем автомобиля, создает гидростатический напор (отсюда второе название передачи) рабочей жидкости и подает ее по магистральным трубопроводам к гидромотору или моторам, которые преобразовывают его в механическую работу на своем выходном валу (валах). Для исключения кавитационных явлений и пополнения рабочей жидкости, количество которой может уменьшиться из-за утечек, в систему включается специальный насос, подающий жидкость через фильтр и специальные клапаны в магистраль низкого давления, где поддерживается избыточное давление до 10–12 бар (современный аналог запрещенных к употреблению кг/см2). Для ограничения максимального давления в контуре циркуляции предусмотрен редукционный клапан. В автомобильных гидростатических трансмиссиях могут применяться гидрообъемные агрегаты разных типов: шестеренные (винтовые), лопастные (шиберные) и поршневые (радиально- или аксиально-). Для регулирования числа оборотов ведущих колес автомобиля и подводимого к ним крутящего момента при постоянном режиме работы двигателя может использоваться изменение производительности насоса, установка регулируемого гидромотора, или одновременно и то, и другое. Проще всего изменять производительность насоса. В этом случае при постоянной мощности двигателя между скоростью автомобиля и моментами на ведущих колесах существует гиперболическая зависимость, обуславливающая наилучшие динамические качества автомобиля. Специалисты КБ компании «НАМИ-Сервис» реализовали идею гидропривода на трехосном вездеходе (рисунок 5), справедливо считая, что на многоосных машинах повышенной проходимости недостатки такой системы будут наименее заметны, а преимущества станут максимально ощутимы. Управляет работой гидронасосов и гидромоторов электронная система, без какого-либо вмешательства водителя, работа которого предельно упрощается. Гидрообъемная трансмиссия позволила повысить проходимость и тягово-динамические свойства автомобиля ЗИЛ-49061, увеличила среднюю эксплуатационную скорость при движении по местности. Максимальная скорость «Гидрохода» достигает 82 км/ч (минимально устойчивая 0,9 км/ч). Улучшилась топливная экономичность вездехода. Причина кроется в лучшем использовании мощности двигателя. «Гидроход» отличается также снижением уровня разрушающего воздействия на почву и растительный покров. Рисунок 5 – Гидротрансмиссия гидрохода 1 – микропроцессоры управления гидронасосами и гидромоторами; 2 - микропроцессор управления двигателем; 3 – редуктор насосной станции; 4 - двигатель внутреннего сгорания; 5 – гидронасос; 6 – гидромотор; 7 – согласующий редуктор гидромотора; 8 – бортовой редуктор; 9 – колесный редуктор Тема: «Гидрообъёмное рулевое управление» 1 Общие сведения о рулевом управлении Рулевое управление предназначено для изменения и поддержания направления движения трактора или автомобиля по требуемой траектории. Наибольшее распространение получили две схемы рулевого управления: поворотом передних колёс относительно переднего моста (рисунок 1) или полурам вместе с мостами и колёсами относительно шарнира, соединяющего эти полурамы (рисунок 2). Рисунок 1 – Передний мост трактора Рисунок 2 - Гидрообъёмное рулевое управление Первая схема применена на всех автомобилях и универсальнопропашных тракторах, вторая - на колесных тракторах общего назначения с четырьмя ведущими колесами одинакового размера. Основное условие поворота - качение направляющих колёс без бокового скольжения. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы геометрические оси всех колёс пересекались в мгновенном центре вращения - точке О, называемой центром поворота. Расстояние от центра поворота до середины заднего моста называют радиусом поворота. Геометрические оси всех колес пересекутся в одной точке в том случае, если передние управляемые колёса при повороте будут поворачиваться на разные углы: внутреннее колесо на больший угол, наружное на меньший. Соблюдение этого условия достигается применением в конструкции рулевого управления четырёехзвенного шарнирного механизма - рулевой трапеции. Предотвращение пробуксовывания ведущих колёс при повороте достигается установкой дифференциала в ведущем мосту. Рулевое управление тракторов и автомобилей с передними управляемыми колёсами состоит из: рулевого колеса с валом; рулевого механизма, включающего в себя червяк, сектор и вал с рулевой сошкой; рулевого привода, состоящего из продольной тяги и рулевой трапеции. Рулевой механизм преобразует вращательное движение рулевого колеса в ограниченный поворот рулевой сошки. Для удобства управления передаточное число рулевого механизма выбирают с таким расчётом, чтобы отклонение управляемых колёс от нейтрального положения на максимальный угол 35.. .40° происходило за 1,25...2,0 оборота рулевого колеса в каждую сторону. Передаточное число рулевого механизма у многих тракторов и автомобилей составляет 15...25. Чем больше это передаточное число, тем меньшее окружное усилие требуется для поворота, меньше угол отклонения управляемых колёс за один оборот рулевого колеса и больше время поворота. Последнее существенно влияет на безопасность дорожного движения. Если максимально возможное передаточное число рулевого механизма не обеспечивает требуемой лёгкости управления, применяют усилители. Наибольшее распространение получили гидравлические усилители рулевого механизма. По месту расположения рулевой трапеции относительно управляемого моста различают рулевые приводы с передним и задним расположением трапеции. Правильная установка управляемых колёс обеспечивает курсовую устойчивость движения тракторов и автомобилей, лёгкость поворота, качение колёс с меньшей затратой мощности и минимальным износом шин. Под стабилизацией управляемых колес понимают их способность сохранять прямолинейное движение и автоматически возвращаться в исходное положение после поворота. Стабилизацию колёс достигают с помощью поперечного и продольного наклонов шкворней. Причинами ухудшения курсовой устойчивости трактора или автомобиля могут быть не только неисправность в рулевом управлении, но также и недостаточное или различное давление в шинах, зазор в подшипниках ступиц колёс, неправильная установка управляемых колёс, неисправности амортизаторов, неправильная балансировка колёс. Состояние рулевого управления влияет не только на работоспособность трактора и автомобиля, но в большей степени на безопасность работы на них. В самоходных сельскохозяйственных машинах часто применяется гидрообъёмное рулевое управление (рисунок 1), в котором связь управляющего рулевого колеса с направляющими колёсами осуществляется только гидравлически, без механической обратной связи. Регулирование положения выходного звена в этих гидроприводах осуществляется по принципу дозирования рабочей жидкости пропорционально углу поворота рулевого колеса. В аварийном режиме (при неработающем насосе) гидромашина действует как ручной насос. Гидрообъёмное рулевое управление имеет следующие преимущества перед механическим управлением с гидроусилителем, применяемым на тракторах: меньше габариты и масса; отсутствуют длинные продольные тяги со сложной конфигурацией, системы рычагов и шарнирных соединений, что упрощает компоновку и конструкцию машин; значительно меньше люфт рулевого управления за счёт уменьшения количества шарнирных соединений; более лёгкое управление и высокая устойчивость против автоколебаний; меньше требуется времени на техническое обслуживание и регулировки. 2 Механические рулевые приводы с гидроусилителем Усилители рулевого привода служат для: облегчения поворота управляемых колес; повышают безопасность движения на высоких скоростях, так как позволяют сохранить прямолинейное движение машины при повреждении пневматической шины. Гидроусилитель рулевого привода является следящим гидрообъемным приводом, обеспечивающим определённую зависимость угла поворота управляемых колёс от угла поворота рулевого колеса. Каждому фиксированному углу поворота рулевого колеса соответствует пропорциональное ему фиксированное положение управляемых колес. Таким образом, гидрораспределитель обеспечивает кинематическое следящее действие. В рулевых управлениях без усилителей увеличение сопротивления повороту управляемых колес сопровождается возрастанием усилия, которое требуется приложить к рулевому колесу. Это создает у водителя «чувство дороги» (следящее действие по силе). Существует несколько схем компоновки элементов гидроусилителей, каждой их которых присущи как достоинства, так и недостатки, по которым оценивают возможность применения гидроусилителей в серийных рулевых механизмах, чувствительность и надёжность системы, размеры и стоимость. Практическое применение, в том числе и на отечественных тракторах и автомобилях, получили четыре схемы. В схеме № 1 (рисунок 3) рулевой механизм (РМ), гидрораспределитель (ГР) и гидроцилиндр (ГЦ) объединены в единый агрегат, который называют усилителем интегрального типа (гидроруль). Гидронасос (ГН) и бачок с рабочей жидкостью «Б» располагаются отдельно. Рисунок 3 – Компоновка гидроусилителя по схеме 1: Б – бак масляный; ГН – гидронасос; РМ – рулевой механизм; ГЦ – гидроцилиндр; ГР – гидрораспределитель Достоинством схемы является компактность, малая длина трубопроводов. При расположении гидрораспределителя перед рулевым механизмом сокращается время срабатывания усилителя. К недостаткам схемы следует отнести нагружение всех деталей рулевого управления усилием гидроцилиндра. Нагружается также кронштейн (или рама) в месте крепления картера гидроруля. В усилителе, выполненном по схеме № 2 (рисунок 4), гидрораспределитель (ГР) смонтирован в одном блоке с силовым цилиндром (ГЦ) отдельно от рулевого механизма (РМ). Достоинством схемы является возможность применения рулевого механизма любой конструкции, меньшая сложность и стоимость по сравнению со схемой 1, несколько меньшее число нагруженных гидроусилителем деталей. Рисунок 4 – Компоновка гидроусилителя по схеме 2: Б – бак масляный; ГН – гидронасос; РМ – рулевой механизм; ГЦ – гидроцилиндр; ГР – гидрораспределитель При компоновке по схеме № 3 (рисунок 5) распределитель (ГР) располагается перед рулевым механизмом (РМ), а силовой цилиндр (ГЦ) – отдельно. Рисунок 5 – Компоновка гидроусилителя по схеме 3: Б – бак масляный; ГН – гидронасос; РМ – рулевой механизм; ГЦ – гидроцилиндр; ГР – гидрораспределитель При установке гидрораспределителя перед рулевым механизмом увеличивается чувствительность гидроусилителя – это достоинство данной схемы. Недостатком схемы является большая длина трубопроводов, особенно если гидроцилиндр располагается на удалении от рулевого механизма. Отличительная особенность схемы № 4 (рисунок 6) – раздельное размещение всех элементов гидроусилителя. Рисунок 6 – Компоновка гидроусилителя по схеме 4: Б – бак масляный; ГН – гидронасос; РМ – рулевой механизм; ГЦ – гидроцилиндр; ГР – гидрораспределитель; Рш – усилие на штоке силового гидроцилиндра; Рs – усилие на продольной тяге; S – плечо поворотного рычага Достоинством схемы является свободная компоновка, возможность применения рулевого механизма любой конструкции. Основной недостаток – большая длина трубопроводов. Следует отметить, что большая длина трубопроводов между гидрораспределителем и гидроцилиндром в любой конструкции гидроусилителя часто приводит к пульсации давления в системе и возбуждению колебаний управляемых колес. Принцип действия основан на том, что гидрораспределитель обеспечивает силовое следящее действие в результате того, что момент сопротивления повороту управляемых колес уравновешивается суммарным моментом сил, действующих на продольную тягу и шток цилиндра. Рассмотрим это на примере компоновки гидроусилителя по схеме № 4 (см. рисунок 6). Указанный баланс моментов реализуется уравнением М с  ( Рщт  Рs )  S  рп где , (1) М с – момент сопротивления повороту, Нм; Рщт – усилие на штоке гидроцилиндра, Н; Рs – усилие на продольной тяге, Н; S – плечо поворотного рычага, м;  рп – КПД рулевого привода. Усилие на штоке поршня гидроцилиндра Рщт   ж  Fгц ; (2)  ж – давление жидкости в напорной гидролинии за вычетом давления где в магистрали слива, Па; Fгц – рабочая площадь поршня гидроцилиндра, м2. Усилие на продольной тяге Рs  Р р.к.  R р.к.  u р. м.   р. м. lсош ; (3) Р р.к. где . – усилие на рулевом колесе без усилителя, Н; R р.к. – радиус рулевого колеса, м; u р.м. – передаточное число рулевого механизма;  р.м. – КПД рулевого механизма; lсош – плечо рулевой сошки, м. Рассматривая равновесие золотника без учета сил трения имеем Рs   ж  Fз ; (4) где Fз – площадь торца золотника, обращенного к реактивной камере, находящейся под давлением, м2. Р Подставив значения щт и Рs из уравнений (2) и (4) в (1), получим М с   ж  ( Fгц  Fз )  S   р. м. . (5) Подставив выражение (3) в (4), найдем  ж  Р р.к.  R р.к.  u р. м.   р. м. ( lсош  Fз ) . (6) Полученное значение ж подставим в (5): М с  Р р.к.  R р.к.  u р. м.   р. м.  S  ( Fгц  Fз ) ( lсош  Fз ) . Таким образом, рассмотрение в статике силовых связей позволяет установить, что момент сопротивления повороту управляемых колес связан с усилием на рулевом колесе прямо пропорциональной зависимостью. 3 Гидрообъемное рулевое управление без следящего действия Гидрообъемное рулевое управление (ГОРУ) без следящего действия характерно тем, что положение управляемых колёс не соответствует положению рулевого колеса ввиду отсутствия обратной механической связи между ними. ГОРУ этого типа ввиду сравнительно невысокой точности кинематического слежения, что особенно характерно для рулевых управлений с усилителями потока, могут применяться только на сравнительно тихоходных машинах. Удобство компоновки элементов управления в наибольшей степени реализуется на самоходных комбайнах и уборочных машинах. Принципиальная схема гидросистемы рулевого комбайна представлена на рисунке 7. Принцип действия гидросистемы РУ аналогичен рассмотренным выше. Ввиду более высокой производительности насос-дозатор непосредственно обеспечивает заполнение и опорожнение соответствующих полостей цилиндров. Увеличение рабочего давления в системе до 16 МПа позволило уменьшить диаметр силовых цилиндров, что положительно сказалось на быстродействии системы. Из бака 1, который является общим с основной гидросистемой, масло подается шестеренным насосом НШ-10 на вход «Н» (нагнетания) насосадозатора, который распределяет его в зависимости от одного из трех режимов работы системы управления: - переливной (нейтральный) – когда масло уходит на слив от выхода «С» по трубопроводу в бак 1, и в полостях гидроцилиндров 4 и 5 поддерживается стабилизированное давление (0,3…0,5 МПа), не позволяющее колесам отклоняться от заданного направления; - рабочий – когда масло по трубопроводам от выходов насоса «Л» или «П» подводится к соответствующим полостям правого или левого гидроцилиндров, осуществляя поворот колес влево или вправо; - аварийный – когда отказал нагнетательный насос НШ-10 и при отсутствии серводействия рулевого управления, поворот управляемых колес осуществляется за счет циркуляции потоков масла через насос-дозатор между полостями гидроцилиндров 4 и 5. Вход «Н» и выход «С» при этом перекрыты во избежании перетекания рабочей жидкости в бак 1. Рисунок 7 – Гидравлическая схема рулевого управления комбайна с насосом-дозатором НДМ-125 : 1 – масляный бак; 2 – насос-дозатор НДМ-125; 3 – насос шестеренный НШ10; 4, 5 – соответственно левый и правый гидроцилиндры поворота управляемых колес; С – выход слива из насоса-дозатора в бак; Л, П – выходы подачи масла в левый и правый силовые цилиндры соответственно; Н – вход подачи масла от насоса питания в насос-дозатор. Тема: «Гидродинамические передачи» 1 Краткие сведения о гидродинамических передачах Гидропередача (объёмная). Её действие основано на использовании гидростатического напора жидкости. В гидродинамических агрегатах рабочий процесс осуществляется за счёт кинетической энергии потока движущейся жидкости. По кинематике их различают на: возвратно-поступательного, возвратно-поворотного и вращательного движения. Гидропередача состоит из: объёмного насоса (ведущее звено) и объёмного гидравлического двигателя (ведомое звено), резервуара для рабочей жидкости и трубопроводов с элементами защиты и пр. Гидродинамический привод отличается от объёмного тем, что в нём, кроме потенциальной энергии давления, используется кинетическая энергия потока жидкости. Силовой частью гидродинамического привода является гидропередача, осуществляющая преобразование механической энергии двигателя в энергию потока, а затем преобразующая энергию потока жидкости в механическую энергию рабочего органа. В качестве преобразователей энергии в гидродинамических передачах применяются лопастные насосы и гидродвигатели (гидротурбины). Принцип работы заключается в том, что жидкость от насоса, приводимого в действие каким-либо двигателем, поступает через направляющий аппарат (часто называют реактором) и трубопровод в турбину, а от турбины по трубопроводу возвращается к насосу. Подобная конструкция гидродинамической передачи была громоздкой и приводила к большим гидравлическим потерям энергии жидкости в трубопроводах. В 1902 г. Г. Феттингер объединил основные элементы гидропередачи (насос, турбину и реактор) в одном корпусе, в результате чего её конструкция существенно упростилась, а КПД значительно увеличился. Такую гидропередачу стали называть гидротрансформатором. Жидкость в рабочей полости гидротрансформатора циркулирует по замкнутому контуру. Рисунок 1 – Внешний вид современной гидропередачи Развитие машиностроения, внедрение быстроходных двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин вместо тихоходных паровых машин потребовали изменения конструкции механических передач. Впервые гидродинамическая передача была применена на морском флоте в 1907 г. Гидротрансформатор, используемый в приводе судовой установки, имел высокий КПД (85%). Для повышения экономичности гидропередачи позднее из гидротрансформатора был изъят реактор. Так появилась новая гидродинамическая передача, названная гидромуфтой. Отсутствие реактора снизило потери энергии при гидропередаче, в результате чего КПД гидромуфты увеличился до 98%, однако, она потеряла способность преобразовывать крутящий момент. 2 Гидромуфты Гидромуфта – это гидродинамическая передача с двумя лопастными колёсами (насосным и турбинным). Имеет одинаковые крутящие моменты на ведущем и ведомом валах (без учёта потерь в самой гидромуфте). Гидродинамической муфтой называется передача, обеспечивающая гибкое соединение ведущего и ведомого валов и передающая крутящий момент без изменения его значения в результате взаимодействия рабочей жидкости с лопатками насосного и турбинного колёс. Гидродинамические муфты (гидромуфты) нашли широкое применение в качестве составной части привода различных машин. Трудно назвать какую-либо отрасль промышленности и техники, в которых не использовались бы гидромуфты. В первую очередь гидромуфты используются в приводах широкого класса машин. Принцип работы гидромуфты можно пояснить, если образно представить два рядом стоящих вентилятора. Если струю с одного из них направить на лопасти другого, то второй вентилятор тоже начнёт вращаться. Насаженное на вал двигателя подобно ведущему диску сцепления насосное колесо вращается внутри герметичного картера гидромуфты, приводя направляющими лопатками в движение заполняющее гидромуфту масло. Вязкое масло попадает на турбинные лопатки ведомого колеса, передавая им кинетическую энергию насосного колеса, в результате чего ведомое колесо приходит во вращение. При увеличении оборотов двигателя движение масла внутри гидромуфты усложняется. Оно складывается из переносного и относительного движений. При этом переносное движение масла возникает при воздействии вращающихся лопаток насосного колеса. А относительное движение возникает под действием центробежных сил - масло перемещается от центра насосного колеса к его периферии. Таким образом суммарная скорость движения масла, отбрасываемого лопатками насосного колеса на турбинные лопатки ведомого колеса определяется векторной суммой скоростей переносного и относительного движения. На практике это означает, что при повышении частоты вращения ведущего колеса гидромуфты повышаются обе составляющие суммарной скорости движения масла, но при этом возрастающая скорость относительного движения снижает КПД гидромуфты, поскольку часть кинетической энергии лопаток насосного колеса расходуется на центробежное перемещение масла. На рисунке 2 схематично в меридиональном сечении показана гидромуфта, имеющая ведущее лопастное насосное колесо центробежного типа 1(насос) и ведомое лопастное колесо, выполняющее функцию реактивной турбины 2 (турбина). Оба колеса имеют, как правило, плоские радиальные лопатки 3 и 4. К насосу 1 присоединен вращающийся при работе корпус 5. Диски 6 и 7 насоса и турбины выполнены в виде чаш с криволинейными образующими. В совокупности с межлопастными каналами торообразная часть полости гидромуфты, заключённая между чашами насоса и турбины, является рабочей полостью. Между торцами колёс имеется небольшой осевой зазор 3…10 мм, благодаря чему возможно вращение одного колеса относительно другого. Замкнутая полость гидромуфты заполняется примерно на 4/5 рабочей жидкостью, в качестве которой используются чаще всего минеральные маловязкие масла. В пожароопасных условиях применяются вода и водные эмульсии, а также трудновоспламеняемые синтетические масла. В приводном блоке насос соединяется валом 8 с двигателем, а турбина валом 9 с механической передачей. При включении двигателя насос своей лопастной системой увлекает во вращение рабочую жидкость и, отбрасывая к периферии рабочей полости, направляет её на лопатки турбины. В турбине кинетическая энергия рабочей жидкости, запасённая в насосе, преобразуется в механическую энергию вращения, необходимую для преодоления сил сопротивления движению и инерции маховых масс машины. Рабочая жидкость, протекая в направлении оси вращения вдоль лопаток, воздействует на них и, отдав энергию, всасывается насосом на его наименьшем радиусе. И вновь рабочая жидкость «заряжается» в насосе новой порцией энергии. Процесс передачи и преобразования энергии от насоса к турбине происходит при работе гидромуфты непрерывно, и замкнутая циркуляция рабочей жидкости постоянно обеспечивает при этом силовую связь между колёсами. Рисунок 2 – Гидромуфта При преобразовании энергии некоторая её часть расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений. Кроме того, происходят утечки жидкости. Поэтому в гидромуфте не может быть полного равенства между частотой вращения ведущего и ведомого валов. Таким образом, передача энергии в гидромуфте может иметь место только при относительном проскальзывании лопастных колёс, когда между лопастями насосного и турбинного колёс обеспечивается циркуляция жидкости. Момент на турбинном колесе всегда равен моменту на насосном: Мт  Мн , (1) где М т и М н – соответственно крутящие моменты на турбинном и насосном колёсах, Нм. Разница угловых скоростей обуславливает то, что мощности на турбинном и насосном колёсах не равны: N т  т  М т / 1000; (2) N н  н  М н / 1000 , (3) где N т и N н – соответственно мощности на турбинном и насосном колёсах, кВт;  т и  н – соответственно угловые скорости вращения турбинного и насосного колёс, 1/с. Таким образом, КПД гидромуфты  гм  N т N н  т  М т (н  М н ), (4) где  гм – КПД гидромуфты. При остановленной турбине момент на ней максимален, а  гм  0. Кинематическое передаточное отношение агрегата iгм   т  н . (5) При установке на самоходной машине гидромуфта: обеспечивает страгивание с места с нулевыми значениями начального момента и ускорения, а также плавный разгон машин до рабочей скорости; обеспечивает предохранение приводного двигателя и механической трансмиссии от недопустимых перегрузок при резком торможении и пуске; обеспечивает возможность замены сложных электродвигателей с фазным ротором на простые и более надёжные короткозамкнутые двигатели с обеспечением благоприятных условий их пуска под нагрузкой, в том числе и при большом моменте инерции машины; обеспечивает суммирование мощности нескольких двигателей, работающих на общий исполнительный орган при равномерном распределении нагрузки на эти двигатели, и возможность их поочередного запуска; обеспечивает стабильность и автоматичность срабатывания при заданном значении предельного момента и самовосстанавливаемость рабочего режима при устранении перегрузки; обеспечивает возможность гидродинамического и генераторного торможения машины, а также её торможения противовращением при реверсировании двигателя; обеспечивает демпфирование и гашение крутильных колебаний, крутящего момента и скорости вращения широкого спектра частот, имеющих место при работе многих машин; обеспечивает автоматическое разобщение двигателя и трансмиссии в процессе торможения при снижении скорости движения, что не позволяет двигателю остановиться. К этому целесообразно добавить также такие особенности как высокий КПД гидромуфты (0,96…0,98), простота конструкции и настройки, отсутствие силовых пар трения, передающих крутящий момент. Изменение наполнения рабочей жидкостью и введение в полость гидромуфты простого дросселирующего диска позволяют расширить диапазон передаваемой мощности. Включением гидромуфты в состав привода достигается существенное улучшение его статических и динамических характеристик, что способствует повышению эксплуатационной надёжности машин. Гидромуфты не получили широкого применения потому, что при их установке снижается топливная экономичность вследствие неизбежного проскальзывания, вызывающего потери мощности (1…3%), сопровождающиеся нагревом рабочей жидкости. К тому же, гидромуфты обладают худшими эксплуатационными характеристиками, чем трехэлементные гидродинамические машины (гидротрансформаторы) при близких к ним металлоёмкости и сложности трансмиссии. 3 Гидротрансформаторы Гидротрансформатор – это гидродинамическая передача с тремя лопастными колёсами (насосное, реактор и турбинное) или более (рисунок 3). В отличие от гидромуфты циркулирующая жидкость дополнительно проходит через реактор, который изменяет направление потока и позволяет бесступенчато регулировать крутящий момент или частоту вращения ведомого (турбинного) вала. Рисунок 3 – Гидротрансформатор Простейший гидротрансформатор (рисунок 4,а), состоящий из трёх лопастных колёс (насосного 4, соединенного с входным валом 1, турбинного 3, соединённого с выходным валом 6, и реактора 5, закреплённого в корпусе 2 агрегата) представляет собой преобразователь, плавно автоматически изменяющий величину передаваемого крутящего момента в зависимости от нагрузки. Работает простейший гидротрансформатор следующим образом. При вращении коленчатого вала масло, находящееся между лопатками насосного колеса 4, под действием центробежных сил перемещается от внутренних краёв лопаток к внешним. Ударяясь о лопатки турбинного колеса 3, масло отдает им часть накопленной кинетической энергии, вследствие чего турбина начинает вращаться в том же направлении, что и насосное колесо. Из турбины масло поступает к лопаткам реактора 5, изменяющим направление струй, а затем – к внутренним краям лопаток насосного колеса 4. Таким образом, масло циркулирует по замкнутому контуру «насос– турбина–реактор–насос». Анализ развёртки лопаток рабочих колёс гидротрансформатора и изменения направления потока жидкости (рисунок 4,б) показывает, что поток масла выходит из насосного колеса 4 по направлению абсолютной скорости Vа, которая равна геометрической сумме переносной (окружной) скорости Vn и относительной Vо перемещения масла вдоль лопаток. Рисунок 4 – Простейший гидротрансформатор: а – схема; б – развёртка лопаток колёс и изменение направления потока жидкости; 1 – входной вал; 2 – корпус; 3 – турбинное колесо; 4 – насосное колесо; 5 – реакторное колесо; 6 – выходной вал; 7 – перепускной клапан фильтра; 8 – фильтр; 9 –переливной клапан круга циркуляции; 10 – радиатор; 11 – предохранительный клапан насоса; 12 – насос подпитки; 13 – фильтр- заборник; 14 – поддон корпуса (масляная ванна); 15 – пеноразрушающая сетка; Vа, Vn и Vо – соответственно абсолютная, переносная (окружная) и относительная скорости перемещения масла вдоль лопаток, м/с; н, т и р – соответственно угловые скорости вращения насосного, турбинного и реакторного колёс, 1/с; Мн, Мт и Мр – соответственно крутящие моменты на насосном, турбинном и реакторном колёсах, Нм Поток масла, сходящий с лопаток насосного колеса 4, воздействует на профилированную поверхность лопаток турбинного колеса 3 и передаёт часть энергии этому колесу. Направление абсолютной скорости потока жидкости Va', сходящего с лопаток турбинного колеса, не остаётся постоянным и зависит от частоты вращения турбинного колеса. С лопаток турбины масло поступает на лопатки реакторного колеса 5. Способность гидротрансформатора преобразовывать момент объясняется на основании закона равенства моментов количества движения dк dt  М н  М р  М т , (6) где dк dt – главный момент количества движения системы, Нм; Мр – крутящий момент на колесе реактора, Нм. Следовательно, при установившемся движении ( dк dt  0 ) Мт  Мн  М р. (7) М р  0, М т  М н При , что характерно для гидромуфты. Для функционирования гидротрансформатора необходимо заполнить его жидкостью, что обеспечивается системой подпитки. Рассмотрим её конструкцию и работу на примере агрегата ЛГ-400-35 трактора ДТ-175С. Рабочая жидкость (масло) забирается из поддона 14 через фильтрзаборник 13 насосом подпитки 12, приводимым во вращение от входного вала 1. Максимальное давление в системе подпитки ограничивается предохранительным клапаном 11. Дополнительная очистка масла, поступающего в гидротрансформатор, осуществляется фильтром 8. При его засорении и понижении пропускной способности открывается включенный параллельно с фильтром перепускной клапан 7, обеспечивая поступление необходимого количества масла в гидротрансформатор, однако, без его очистки. Переливной клапан круга циркуляции 9 поддерживает необходимое давление масла во внутренних полостях гидротрансформатора, заполнение которых осуществляется через канал в выходном валу 6. После достижения необходимого давления подпитки открывается переливной клапан 9 и часть масла через радиатор 10 возвращается в поддон 14. Циркуляция масла по этому контуру снижает тепловую напряженность агрегата. Из внутренних полостей гидротрансформатора масло через зазоры поступает в корпус агрегата 2 и сливается в поддон, снабженный пеноразрушающей сеткой 15. Основными параметрами, по которым оценивают гидротрансформатор, являются: передаточное отношение, коэффициент трансформации, КПД, коэффициент прозрачности. Передаточное отношение агрегата аналогично гидромуфте iгм   т  н . (8) Коэффициент трансформации моментов на валах турбины и насоса. К  Мт Мн . К характеризуется отношением (9) Максимальное значение К соответствует остановленной турбине и лежит в пределах 2…4 (в зависимости от конструкции). По мере увеличения передаточного отношения коэффициент К уменьшается. КПД определяет экономичность работы гидротрансформатора и обычно определяется выражением  гт  N т N н  т  М т (н  М н )  К  iгт . (10) Коэффициент прозрачности П характеризует свойство трансформатора нагружать двигатель. Непрозрачный гидротрансформатор (П = 1) не изменяет нагрузочный режим двигателя, но сложен по конструкции и имеет невысокий КПД. Наиболее распространенные гидротрансформаторы с прямой прозрачностью (П > 1) увеличивают нагрузку на двигатель при увеличении загрузки турбины. Обычно применяются агрегаты с П = 1,2…2,5. В ряде случаев это позволяет использовать приспосабливаемость двигателя для преодоления повышенного сопротивления движению. Внешняя характеристика гидротрансформатора, представляющая собой совокупность зависимостей крутящих моментов на насосе и турбине (или коэффициента трансформации), а также КПД от передаточного отношения при постоянной частоте вращения вала насоса, изображена на рисунке 5. Она состоит из трёх зон. Зона «А» является рабочей. В ней крутящие моменты на насосном колесе и реакторе направлены в одну сторону, коэффициент К изменяется от максимального значения при iгт = 0 до К = 1 при iгт = 0,6…0,8. Чем больше нагрузка, тем меньше угловая скорость турбины т по сравнению с угловой скоростью насоса н, тем больше момент Мт. КПД гидротрансформатора изменяется по закону, близкому к квадратичной параболе. Для сравнения на внешней характеристике штриховой линией приведен также закон изменения КПД гидромуфты, для которой К = 1, и, следовательно,  гм  iгт . Из сравнения характеристик следует, что до тех пор, пока K > 1,  гт   гм . Следовательно, гидротрансформатор на рабочем режиме обеспечивает не только лучшие тягово-скоростные качества, но и топливную экономичность. В зоне «Б» ( iгт > 0,6…0,8) поток масла, сходящего с лопаток турбины, воздействует на выпуклые (тыльные) стороны лопаток (Va''') и момент реактора меняет направление по отношению к моменту на насосном колесе, делая К < 1. Из сравнения характеристик следует, что  гт   гм и желательно перейти на режим гидромуфты, исключив реактор из рабочего процесса. Это достигается путём соединения реактора с корпусом агрегата при помощи муфты свободного хода. Такой агрегат называется комплексным. В зоне «А» муфта заклинивается и соединяет реактор с корпусом, включая его в работу. В зоне «Б» муфта свободного хода расклинивается, реактор начинает вращаться в том же направлении, что и турбина, не участвуя в рабочем процессе. Трансформатор переходит на режим гидромуфты, при этом величина передаваемого момента не изменяется. Рисунок 5 – Внешняя характеристика простейшего гидротрансформатора В зоне «В» по мере сближения угловых скоростей турбинного и насосного колёс циркулирующий между ними поток жидкости начинает исчезать, прекращая передачу агрегатом крутящего момента при iгт  0. Для устранения этого явления гидротрансформатор в зоне «В» блокируют, соединяя насосное и турбинное колёса с помощью фрикционных или зубчатых муфт для повышения КПД агрегата до 1 (рисунок 6,а). В рабочем диапазоне гидротрансформатора его максимальный КПД составляет 0.85…0,92. На режиме гидромуфты он достигает 0,97. Однако область высоких значений КПД (более 0,7) в рабочем диапазоне гидротрансформатора относительно невелика. Для ее расширения агрегат выполняется одноступенчатым с двумя реакторами (рисунок 6,а), каждый из которых установлен на отдельной муфте свободного хода, или двухступенчатыми (с двумя турбинами). Внешняя характеристика агрегата с двумя реакторами приведена на рисунке 6,б. Рисунок 6 – Одноступенчатый гидротрансформатор с двумя реакторами и зубчатой муфтой блокировки: а – схема гидротрансформатора, б – внешняя характеристика В агрегате с двумя реакторами при малых iгт значениях оба колеса неподвижны. Одно колесо дополняет другое, при этом функционально образуется единый реактор, сильно закручивающий поток, в результате чего достигаются высокие значения коэффициента трансформации и КПД. Если бы при iгт  iб оба колеса работали как один реактор, то переход на режим гидромуфты происходил при меньшем значении iгт (iгт  iмб ) с ощутимым снижением КПД. При средних значениях iгт первая ступень реактора под действием потока освобождается и свободно вращается, не воздействуя на поток. Вторая ступень реактора продолжает изменять направление движения жидкости. При этом из-за меньших потерь максимум КПД смещается в зону средних значений iгт на место прежнего снижения. При дальнейшем увеличении iгт до i мв отключается вторая ступень реактора, и тогда гидротрансформатор переходит в режим гидромуфты. При iгт  i мах включается блокировочная муфта и тогда КПД скачком достигает единицы (если пренебречь механическими потерями в гидротрансформаторе). К достоинствам гидротрансформатора следует отнести: способность автоматически изменять передаточное отношение при изменении сопротивления движению, что облегчает управление и повышает средние скорости движения; способность гасить крутильные колебания в трансмиссии и снижать возможность передачи ударных нагрузок; повышение проходимости в тяжёлых дорожных условиях; малые габариты и масса. Однако некоторые недостатки, присущие гидротрансформатору, не позволяют пока применять его достаточно широко. К ним относятся: сравнительно более низкий, чем у ступенчатых коробок передач, КПД. Причём высокие значения КПД гидротрансформатора лежат в узких пределах, что приводит к снижению топливно-экономических свойств машины в некоторых условиях; невозможность автономного использования гидротрансформатора изза сравнительно малого диапазона и сложности реверсирования, вследствие чего гидротрансформатор всегда применяется совместно со ступенчатой механической коробкой передач; гидротрансформаторы (как и гидромуфты) не обеспечивают необходимой быстроты и чистоты кинематического разъединение ведущих и ведомых частей. Вследствие чего при работе с коробкой передач, в которой переключение осуществляется с разрывом потока мощности, между двигателем и гидротрансформатором устанавливается фрикционное сцепление; сложность конструкции, а, следовательно, и более высокая стоимость. Тема: «Пневматический привод» 1 Общие сведения о применении газов в технике Любой объект, в котором используется газообразное вещество, можно отнести к газовым системам. Поскольку наиболее доступным газом является воздух, состоящий из смеси множества газов, то его широкое применение для выполнения различных процессов обусловлено самой природой. В переводе с греческого pneumatikos - воздушный, чем и объясняется этимологическое происхождение названия пневматические системы. В технической литературе часто используется более краткий термин - пневматика. Пневматические устройства начали применять еще в глубокой древности (ветряные двигатели, музыкальные инструменты, кузнечные меха и пр.), но самое широкое распространение они получили вследствие создания надежных источников пневматической энергии - нагнетателей, способных придавать газам необходимый запас потенциальной и (или) кинетической энергии. Пневматический привод, состоящий из комплекса устройств для приведения в действие машин и механизмов, является далеко не единственным направлением использования воздуха (в общем случае газа) в технике и жизнедеятельности человека. В подтверждение этого положения кратко рассмотрим основные виды пневматических систем, отличающихся как по назначению, так и по способу использования газообразного вещества. По наличию и причине движения газа все системы можно разделить на три группы. К первой группе отнесем системы с естественной конвекцией (циркуляцией) газа (чаще всего воздуха), где движение и его направление обусловлено градиентами температуры и плотности природного характера, например, атмосферная оболочка планеты, вентиляционные системы помещений, горных выработок, газоходов и т.п. Ко второй группе отнесем системы с замкнутыми камерами, не сообщающимися с атмосферой, в которых может изменяться состояние газа вследствие изменения температуры, объема камеры, наддува или отсасывания газа. К ним относятся различные аккумулирующие емкости (пневмобаллоны), пневматические тормозные устройства (пневмобуферы), всевозможные эластичные надувные устройства, пневмогидравлические системы топливных баков летательных аппаратов и многие другие. Примером устройств с использованием вакуума в замкнутой камере могут быть пневмозахваты (пневмоприсоски), которые наиболее эффективны для перемещения штучных листовых изделий (бумага, металл, пластмасса и т.п.) в условиях автоматизированного и роботизированного производства. К третьей группе следует отнести такие системы, где используется энергия предварительно сжатого газа для выполнения различных работ. В таких системах газ перемещается по магистралям с относительно большой скоростью и обладает значительным запасом энергии. Они могут быть циркуляционными (замкнутыми) и бесциркуляционными. В циркуляционных системах отработавший газ возвращается по магистралям к нагнетателю для повторного использования (как в гидроприводе). Применение систем весьма специфично, например, когда недопустимы утечки газа в окружающее пространство или невозможно применение воздуха из-за его окислительных свойств. Примеры таких систем можно найти в криогенной технике, где в качестве энергоносителя используются агрессивные, токсичные газы или летучие жидкости (аммиак, пропан, сероводород, гелий, фреоны и др.). В бесциркуляционных системах газ может быть использован потребителем как химический реагент (например, в сварочном производстве, в химической промышленности) или как источник пневматической энергии. В последнем случае в качестве энергоносителя обычно служит воздух. Выделяют три основных направления применения сжатого воздуха. К первому направлению относятся технологические процессы, где воздух выполняет непосредственно операции обдувки, осушки, распыления, охлаждения, вентиляции, очистки и т.п. Очень широкое распространение получили системы пневмотранспортирования по трубопроводам, особенно в легкой, пищевой, горнодобывающей отраслях промышленности. Штучные и кусковые материалы транспортируются в специальных сосудах (капсулах), а пылевидные в смеси с воздухом перемещаются на относительно большие расстояния аналогично текучим веществам. Второе направление - использование сжатого воздуха в пневматических системах управления (ПСУ) для автоматического управления технологическими процессами (системы пневмоавтоматики). Это направление получило интенсивное развитие с 60-х годов благодаря созданию универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА). Широкая номенклатура УСЭППА (пневматические датчики, переключатели, преобразователи, реле, логические элементы, усилители, струйные устройства, командоаппараты и т.д.) позволяет реализовать на ее базе релейные, аналоговые и аналого-релейные схемы, которые по своим параметрам близки к электротехническим системам. Благодаря высокой надежности они широко используются для циклового программного управления различными машинами, роботами в крупносерийном производстве, в системах управления движением мобильных объектов. Третьим направлением применения пневмоэнергии, наиболее масштабным по мощности, является пневматический привод, который в научном плане является одним из разделов обшей механики машин. У истоков теории пневматических систем стоял И.И. Артоболевский. Он был руководителем Института машиноведения (ИМАШ) в Ленинграде, где под его руководством в 40 - 60-х годах систематизировались и обобщались накопленные сведения по теории и проектированию пневмосистем. Одной из первых работ по теории пневмосистем была статья А.П. Германа "Применение сжатого воздуха в горном деле", опубликованная в 1933 г., где впервые движение рабочего органа пневмоустройства решается совместно с термодинамическим уравнением состояния параметров воздуха. Значительный вклад в теорию и практику пневмоприводов внесли ученые Б.Н. Бежанов, К.С. Борисенко, И.А. Бухарин, А.И. Вощинин, Е.В. Герц, Г.В. Крейнии, А.И. Кудрявцев, В.А. Марутов, В.И. Мостков, Ю.А. Цейтлин и другие. 2 Особенности пневматического привода, достоинства и недостатки Область и масштабы применения пневматического привода обусловлены его достоинствами и недостатками, вытекающими из особенностей свойств воздуха. В отличие от жидкостей, применяемых в гидроприводах, воздух, как и все газы, обладает высокой сжимаемостью и малой плотностью в исходном атмосферном состоянии (около 1,25 кг/м 3), значительно меньшей вязкостью и большей текучестью, причем его вязкость существенно возрастает при повышении температуры и давления. Отсутствие смазочных свойств воздуха и наличие некоторого количества водяного пара, который при интенсивных термодинамических процессах в изменяющихся объемах рабочих камер пневмомашин может конденсироваться на их рабочих поверхностях, препятствует использованию воздуха без придания ему дополнительных смазочных свойств и влагопонижения. В связи с этим в пневмоприводах имеется потребность кондиционирования воздуха, т.е. придания ему свойств, обеспечивающих работоспособность и продляющих срок службы элементов привода. С учетом вышеописанных отличительных особенностей воздуха рассмотрим достоинства пневмопривода в сравнении с его конкурентами гидро- и электроприводом. 1. Простота конструкции и технического обслуживания. Изготовление деталей пневмомашин и пневмоаппаратов не требует такой высокой точности изготовления и герметизации соединений, как в гидроприводе, т.к. возможные утечки воздуха не столь существенно снижают эффективность работы и КПД системы. Внешние утечки воздуха экологически безвредны и относительно легко устраняются. Затраты на монтаж и обслуживание пневмопривода несколько меньше из-за отсутствия возвратных пневмолиний и применения в ряде случаев более гибких и дешевых пластмассовых или резиновых (резинотканевых) труб. В этом отношении пневмопривод не уступает электроприводу. Кроме того, пневмопривод не требует специальных материалов для изготовления деталей, таких как медь, алюминий и т.п., хотя в ряде случаев они используются исключительно для снижения веса или трения в подвижных элементах. 2. Пожаро- и взрывобезопасность. Благодаря этому достоинству пневмопривод не имеет конкурентов для механизации работ в условиях, опасных по воспламенению и взрыву газа и пыли, например в шахтах с обильным выделением метана, в некоторых химических производствах, на мукомольных предприятиях, т.е. там, где недопустимо искрообразование. Применение гидропривода в этих условиях возможно только при наличии централизованного источника питания с передачей гидроэнергии на относительно большое расстояние, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно. 3. Надежность работы в широком диапазоне температур, в условиях пыльной и влажной окружающей среды. В таких условиях гидро- и электропривод требуют значительно больших затрат на эксплуатацию, т.к. при температурных перепадах нарушается герметичность гидросистем из-за изменения зазоров и изолирующих свойств электротехнических материалов, что в совокупности с пыльной, влажной и нередко агрессивной окружающей средой приводит к частым отказам. По этой причине пневмопривод является единственным надежным источником энергии для механизации работ в литейном и сварочном производстве, в кузнечно-прессовых цехах, в некоторых производствах по добыче и переработке сырья и др. Благодаря высокой надежности пневмопривод часто используется в тормозных системах мобильных и стационарных машин. 4. Значительно больший срок службы, чем гидро- и электропривода. Срок службы оценивают двумя показателями надежности: гамма-процентной наработкой на отказ и гамма-процентным ресурсом. Для пневматических устройств циклического действия ресурс составляет от 5 до 20 млн. циклов в зависимости от назначения и конструкции, а для устройств нециклического действия около 10-20 тыс. часов. Это в 2 - 4 раза больше, чем у гидропривода, и в 10-20 раз больше, чем у электропривода. 5. Высокое быстродействие. Здесь имеется в виду не скорость передачи сигнала (управляющего воздействия), а реализуемые скорости рабочих движений, обеспечиваемых высокими скоростями движения воздуха. Поступательное движение штока пневмоцилиндра возможно до 15 м/с и более, а частота вращения выходного вала некоторых пневмомоторов (пневмотурбин) до 100 000 об/мин. Это достоинство в полной мере реализуется в приводах циклического действия, особенно для высокопроизводительного оборудования, например в манипуляторах, прессах, машинах точечной сварки, в тормозных и фиксирующих устройствах, причем увеличение количества одновременно срабатывающих пневмоцилиндров (например в многоместных приспособлениях для зажима деталей) практически не снижает время срабатывания. Большая скорость вращательного движения используется в приводах сепараторов, центрифуг, шлифовальных машин, бормашин и др. Реализация больших скоростей в гидроприводе и электроприводе ограничивается их большей инерционностью (масса жидкости и инерция роторов) и отсутствием демпфирующего эффекта, которым обладает воздух. 6. Возможность передачи пневмоэнергии на относительно большие расстояния по магистральным трубопроводам и снабжение сжатым воздухом многих потребителей. В этом отношении пневмопривод уступает электроприводу, но значительно превосходит гидропривод, благодаря меньшим потерям напора в протяженных магистральных линиях. Электрическая энергия может передаваться по линиям электропередач на многие сотни и тысячи километров без ощутимых потерь, а расстояние передачи пневмоэнергии экономически целесообразно до нескольких десятков километров, что реализуется в пневмосистемах крупных горных и промышленных предприятий с централизованным питанием от компрессорной станции. Известен опыт создания городской компрессорной станции в 1888 г. одним из промышленников в Париже. Она снабжала заводы и фабрики по магистралям протяженностью 48 км при давлении 0,6 МПа и имела мощность до 18500 кВт. С появлением надежных электропередач ее эксплуатация стала невыгодной. Максимальная протяженность гидросистем составляет около 250-300 м в механизированных комплексах шахт для добычи угля, причем в них используется обычно менее вязкая водно-масляная эмульсия. 7. Отсутствие необходимости в защитных устройствах от перегрузки давлением у потребителей. Требуемый предел давления воздуха устанавливается общим предохранительным клапаном, находящимся на источниках пневмоэнергии. Пневмодвигатели могут быть полностью заторможены без опасности повреждения и находиться в этом состоянии длительное время. 8. Безопасность для обслуживающего персонала при соблюдении общих правил, исключающих механический травматизм. В гидро- и электроприводах возможно поражение электрическим током или жидкостью при нарушении изоляции или разгерметизации трубопроводов. 9. Улучшение проветривания рабочего пространства за счет отработанного воздуха. Это свойство особенно полезно в горных выработках и помещениях химических и металлообрабатывающих производств. 10. Нечувствительность к радиационному и электромагнитному излучению. В таких условиях электрогидравлические системы практически непригодны. Это достоинство широко используется в системах управления космической, военной техникой, в атомных реакторах и т.п. Несмотря на вышеописанные достоинства, применяемость пневмопривода ограничивается в основном экономическими соображениями из-за больших потерь энергии в компрессорах и пневмодвигателях, а также других недостатков, описанных ниже. 1. Высокая стоимость пневмоэнергии. Если гидро- и электропривод имеют КПД, соответственно, около 70 % и 90 %, то КПД пневмопривода обычно 5-15 % и очень редко до 30 %. Во многих случаях КПД может быть 1 % и менее. По этой причине пневмопривод не применяется в машинах с длительным режимом работы и большой мощности, кроме условий, исключающих применение электроэнергии (например, горнодобывающие машины в шахтах, опасных по газу). 2. Относительно большой вес и габариты пневмомашин из-за низкого рабочего давления. Если удельный вес гидромашин, приходящийся на единицу мощности, в 5-10 раз меньше веса электромашин, то пневмомашины имеют примерно такой же вес и габариты, как последние. 3. Трудность обеспечения стабильной скорости движения выходного звена при переменной внешней нагрузке и его фиксации в промежуточном положении. Вместе с тем мягкие механические характеристики пневмопривода в некоторых случаях являются и его достоинством. 4. Высокий уровень шума, достигающий 95-130 дБ при отсутствии средств для его снижения. Наиболее шумными являются поршневые компрессоры и пневмодвигатели, особенно пневмомолоты и другие механизмы ударно- циклического действия. Наиболее шумные гидроприводы (к ним относятся приводы с шестеренными машинами) создают шум на уровне 85-104 дБ, а обычно уровень шума значительно ниже, примерно как у электромашин, что позволяет работать без специальных средств шумопонижения. 5. Малая скорость передачи сигнала (управляющего импульса), что приводит к запаздыванию выполнения операций. Скорость прохождения сигнала равна скорости звука и, в зависимости от давления воздуха, составляет примерно от 150 до 360 м/с. В гидроприводе и электроприводе, соответственно, около 1000 и 300 000 м/с. Перечисленные недостатки могут быть устранены применением комбинированных пневмоэлектрических или пневмогидравлических приводов. 3 Течение воздуха Инженерные расчеты пневмосистем сводятся к определению скоростей и расходов воздуха при наполнении и опорожнении резервуаров (рабочих камер двигателей), а также с его течением по трубопроводам через местные сопротивления. Вследствие сжимаемости воздуха эти расчеты значительно сложнее, чем расчеты гидравлических систем, и в полной мере выполняются только для особо ответственных случаев. Полное описание процессов течения воздуха можно найти в специальных курсах газодинамики. Основные закономерности течения воздуха (газа) такие же, как и для жидкостей, т.е. имеют место ламинарный и турбулентный режимы течения, установившийся и неустановившийся характер течения, равномерное и неравномерное течение из-за переменного сечения трубопровода и все остальные кинематические и динамические характеристики потоков. Вследствие низкой вязкости воздуха и относительно больших скоростей режим течения в большинстве случаев турбулентный. Для промышленных пневмоприводов достаточно знать закономерности установившегося характера течения воздуха. В зависимости от интенсивности теплообмена с окружающей средой расчеты параметров воздуха выполняются с учетом вида термодинамического процесса, который может быть от изотермического (с полным теплообменом и выполнением условия Т = const) до адиабатического (без теплообмена). При больших скоростях исполнительных механизмов и течении газа через сопротивления процесс сжатия считается адиабатическим с показателем адиабаты k = 1,4. В практических расчетах показатель адиабаты заменяют на показатель политропы (обычно принимают n = 1,3…1,35), что позволяет учесть потери, обусловленные трением воздуха, и возможный теплообмен. В реальных условиях неизбежно происходит некоторый теплообмен между воздухом и деталями системы и имеет место так называемое политропное изменение состояния воздуха. Весь диапазон реальных процессов описывается уравнениями этого состояния pVn = const где n - показатель политропы, изменяющийся в пределах от n = 1 (изотермический процесс) до n = 1,4 (адиабатический процесс). В основу расчетов течения воздуха положено известное уравнение Бернулли движения идеального газа Слагаемые уравнения выражаются в единицах давления, поэтому их часто называют "давлениями": z - весовое давление; p - статическое давление; - скоростное или динамическое давление. На практике часто весовым давлением пренебрегают и уравнение Бернулли принимает следующий вид Сумму статического и динамического давлений называют полным давлением P0. Таким образом, получим При расчете газовых систем необходимо иметь в виду два принципиальных отличия от расчета гидросистем. Первое отличие заключается в том, что определяется не объемный расход воздуха, а массовый. Это позволяет унифицировать и сравнивать параметры различных элементов пневмосистем по стандартному воздуху (ρ = 1,25 кг/ м3, υ = 14,9 м2/с при p = 101,3 кПа и t = 20°C). В этом случае уравнение расходов записывается в виде Qм1 = Qм2 или υ1V1S1 = υ2V2S2 Второе отличие заключается в том, что при сверхзвуковых скоростях течения воздуха изменяется характер зависимости расхода от перепада давлений на сопротивлении. В связи с этим существуют понятия подкритического и надкритического режимов течения воздуха. Смысл этих терминов поясняется ниже. Рассмотри истечение газа из резервуара через небольшое отверстие при поддержании в резервуаре постоянного давления (рис.1). Будем считать, что размеры резервуара настолько велики по сравнению с размерами выходного отверстия, что можно полностью пренебрегать скоростью движения газа внутри резервуара, и, следовательно, давление, температура и плотность газа внутри резервуара будут иметь значения p0, ρ 0 и T0. Рисунок 1 - Истечение газа из отверстия в тонкой стенке Скорость истечения газа можно определять по формуле для истечения несжимаемой жидкости, т.е. Массовый расход газа, вытекающего через отверстие, определяем по формуле где ω0 - площадь сечения отверстия. Отношение p/p0 называется степенью расширения газа. Анализ формулы показывает, что выражение, стоящее под корнем в квадратных скобках, обращается в ноль при p/p0 = 1 и p/ p0 = 0. Это означает, что при некотором значении отношения давлений массовый расход достигает максимума Qmax. График зависимости массового расхода газа от отношения давлений p/p0 показан на рис. 2. Рисунок 2 - Зависимость массового расхода газа от отношения давлений Отношение давлений p/p0, при котором массовый расход достигает максимального значения, называется критическим. Можно показать, что критическое отношение давлений равно Как видно из графика, показанного на рис. 2, при уменьшении p/p0 по сравнению с критическим расход должен уменьшаться (пунктирная линия) и при p/p0 = 0 значение расхода должно быть равно нулю (Qm = 0). Однако в действительности это не происходит. В действительности при заданных параметрах p0, ρ0 и T0 расход и скорость истечения будут расти с уменьшением давления вне резервуара p до тех пор, пока это давление меньше критического. При достижении давлением p критического значения расход становится максимальным, а скорость истечения достигает критического значения, равного местной скорости звука. Критическая скорость определяется известной формулой После того, как на выходе из отверстия скорость достигла скорости звука, дальнейшее уменьшение противодавления p не может привести к увеличению скорости истечения, так как, согласно теории распространения малых возмущений, внутренний объем резервуара станет недоступен для внешних возмущений: он будет "заперт" потоком со звуковой скоростью. Все внешние малые возмущения не могут проникнуть в резервуар, так как им будет препятствовать поток, имеющий ту же скорость, что и скорость распространения возмущений. При этом расход не будет меняться, оставаясь максимальным, а кривая расхода примет вид горизонтальной линии. Таким образом, существует две зоны (области) течения: подкритический режим, при котором надкритический режим, при котором В надкритической зоне имеет место максимальная скорость и расход, соответствующие критическому расширению газа. Исходя из этого при определении расходов воздуха предварительно определяют по перепаду давления режим истечения (зону), а затем расход. Потери на трение воздуха учитывают коэффициентом расхода μ, который с достаточной точностью можно вычислить по формулам для несжимаемой жидкости (μ = 0,1...0,6). Окончательно скорость и максимальный массовый расход в подкритической зоне, с учетом сжатия струи определятся по формулам 4 Подготовка сжатого воздуха В промышленности используются различные конструкции машин для подачи воздуха под общим названием воздуходувки. При создании избыточного давления до 0,015 МПа они называются вентиляторами, а при давлении свыше 0,115 МПа - компрессорами. Вентиляторы относятся к лопастным машинам динамического действия и кроме своего основного назначения - проветривания - применяются в пневмотранспортных системах и низконапорных системах пневмоавтоматики. В пневмоприводах источником энергии служат компрессоры с рабочим давлением в диапазоне 0,4…1,0 МПа. Они могут быть объемного (чаще поршневые) или динамического (лопастные) действия. Теория работы компрессоров изучается в специальных дисциплинах. По виду источника и способу доставки пневмоэнергии различают магистральный, компрессорный и аккумуляторный пневмопривод. Магистральный пневмопривод характеризуется разветвленной сетью стационарных пневмолиний, соединяющих компрессорную станцию с цеховыми, участковыми потребителями в пределах одного или нескольких предприятий. Компрессорная станция оборудуется несколькими компрессорными линиями, обеспечивающими гарантированное снабжение потребителей сжатого воздуха с учетом возможной неравномерной работы последних. Это достигается установкой промежуточных накопителей пневмоэнергии (ресиверов) как на самой станции, так и на участках. Пневмолинии обычно резервируются, чем обеспечивается удобство их обслуживания и ремонта. Типовой комплект устройств, входящих в систему подготовки воздуха, показан на принципиальной схеме компрессорной станции (рис.4.3). Рисунок 4.3 - Принципиальная схема компрессорной станции Компрессор 2 с приводным двигателем 3 всасывает воздух из атмосферы через заборный фильтр 1 и нагнетает в ресивер 7 через обратный клапан 4, охладитель 5 и фильтр-влагоотделитель 6. В результате охлаждения воздуха водяным охладителем 5 происходит конденсация 70-80 % содержащейся в воздухе влаги, улавливаемой фильтром-влагоотделителем и со 100процентной относительной влажностью воздух поступает в ресивер 7, который аккумулирует пневмоэнергию и сглаживает пульсацию давления. В нем происходит дальнейшее охлаждение воздуха и конденсация некоторого количества влаги, которая по мере накопления удаляется вместе с механическими примесями через вентиль 10. Ресивер обязательно оборудуется одним или несколькими предохранительными клапанами 8 и манометром 9. Из ресивера воздух отводится к пневмолиниям 12 через краны 11. Обратный клапан 4 исключает возможность резкого падения давления в пневмосети при отключении компрессора. Компрессорный пневмопривод отличается от вышеописанного магистрального своей мобильностью и ограниченностью числа одновременно работающих потребителей. Передвижные компрессоры наиболее широко используются при выполнении различных видов строительных и ремонтных работ. По комплекту устройств, входящих в систему подготовки воздуха, он практически не отличается от вышеописанной компрессорной станции (водяной охладитель заменяется на воздушный). Подача воздуха к потребителям осуществляется через резинотканевые рукава. Аккумуляторный пневмопривод ввиду ограниченного запаса сжатого воздуха в промышленности применяется редко, но широко используется в автономных системах управления механизмов с заданным временем действия. На рис.11.4 показаны несколько примеров аккумуляторного питания пневмосистем. Для бесперебойной подачи жидкости в гидросистему или топлива в двигатели внутреннего сгорания аппаратов с переменной ориентацией в пространстве применяется наддув бака с жидкостью (рис. 4, а) от пневмобаллона 1. Вытеснение жидкости из бака 5, разделенного мембраной на две части, обеспечивается постоянным давлением воздуха, зависящим от настройки редукционного клапана 3 при включении электровентиля 2. Предельное давление ограничивается клапаном 4. Система ориентации летательного аппарата (рис. 4, б) состоит из управляющих реактивных пневмодвигателей 4, питающихся от шарового пневмобаллона 1 через редукционный клапан 2 и электровентили 3. Рисунок 4 - Принципиальные схемы аккумуляторного питания пневмосистем (а, б, в) и замкнутой пневмосистемы (г) Для питания систем промышленной пневмоавтоматики часто используется не только средний (нормальный) диапазон давления воздуха (0,118…0,175 МПа), а и низкий диапазон (0,0012…0,005 МПа). Это позволяет уменьшить расход сжатого воздуха, увеличить проходное сечение элементов и, следовательно, снизить вероятность засорения дросселирующих устройств, а в некоторых случаях получить ламинарный режим течения воздуха с линейной зависимостью Q = f(Δp), что весьма важно в устройствах пневмоавтоматики. При наличии источника высокого давления можно обеспечить питание пневмосистемы низкого давления с большим расходом воздуха при помощи эжектора (рис. 4,в). От пневмобаллона высокого давления 1, оборудованного редукционным клапаном 4, манометром 2 и зарядным клапаном 3 воздух поступает на питающее сопло 5 эжектора. При этом внутри корпуса эжектора создается пониженное давление, и из окружающей среды через фильтр 6 подсасывается воздух, который поступает в приемное сопло 7 большего диаметра. После эжектора воздух вторично очищается от пыли фильтром 8 и поступает к устройствам 10 пневмоавтоматики. Манометром 9 контролируется рабочее давление, величина которого может корректироваться редуктором 4. Все вышеописанные пневмосистемы относятся к разомкнутым (бесциркуляционным). На рис. 4,г показана замкнутая схема питания системы пневмоавтоматики, используемая в условиях пыльной атмосферы. Подача воздуха к блоку пневмоавтоматики 3 осуществляется вентилятором 1 через фильтр 2, причем всасывающий канал вентилятора соединен с внутренней полостью герметичного кожуха блока 3, которая одновременно через фильтр тонкой очистки 4 сообщается с атмосферой. Часто в качестве вентилятора используются бытовые электропылесосы, способные создавать давление до 0,002 МПа. Воздух, поступающий к потребителям, должен быть очищен от механических загрязнений и содержать минимум влаги. Для этого служат фильтры-влагоотделители, у которых в качестве фильтрующего элемента обычно используется ткань, картон, войлок, металлокерамика и другие пористые материалы с тонкостью фильтрации от 5 до 60 мкм. Для более глубокой осушки воздуха его пропускают через адсорбенты, поглощающие влагу. Чаще всего для этого используется силикагель. В обычных пневмоприводах достаточную осушку обеспечивают ресиверы и фильтрывлагоотделители, но вместе с тем воздуху необходимо придавать смазочные свойства, для чего служат маслораспылители фитильного или эжекторного типа. На рис.5 показан типовой узел подготовки воздуха, состоящий из фильтра-влагоотделителя 1, редукционного клапана 2 и маслораспылителя 3. Рисунок 5 - Типовой узел подготовки воздуха: а - принципиальная схема; б - условное обозначение Поступающий на вход фильтра воздух получает вращательное движение за счет неподвижной крыльчатки Kр. Центробежной силой частицы влаги и механических примесей отбрасываются к стенке прозрачного корпуса и оседают в его нижнюю часть, откуда по мере необходимости удаляются через сливной кран. Вторичная очистка воздуха происходит в пористом фильтре Ф, после которого он поступает на вход редуктора, где происходит дросселирование через зазор клапана Кл, величина которого зависит от выходного давления над мембраной М. Увеличение усилия сжатия пружины П обеспечивает увеличение зазора клапана Кл и, следовательно, выходного давления. Корпус маслораспылителя 3 делается прозрачным и заполняется через пробку смазочным маслом. Создаваемое на поверхности масла давление вытесняет его через трубку T вверх к соплу С, где масло эжектируется и распыляется потоком воздуха. В маслораспылителях фитильного типа вместо трубки Т установлен фитиль, по которому масло поступает в распылительное сопло за счет капиллярного эффекта. 5 Исполнительные пневматические устройства Исполнительными устройствами пневмоприводов называются различные механизмы, обеспечивающие преобразование избыточного давления воздуха или вакуума в рабочее усилие. Если при этом рабочий орган совершает движение относительно пневмоустройства, то он называется пневмодвигателем, а если движения нет или оно происходит совместно с пневмоустройством, то оно называется пневмоприжимом или пневмозахватом. На рис.6,а показана схема радиально-поршневого мотора с передачей крутящего момента на вал через кривошипно-шатунный механизм. Рисунок 6 - Схемы пневмомоторов объемного (а) и динамического (б) действия На рис.6, б показана схема пневмопривода колеса вентилятора, состоящего из ступицы 9 с лопаток 10, к которым жестко прикреплен вращающийся обод с лопатками пневмомотора 11. Поток сжатого воздуха, вытекающий из сопла 12 по касательной к изогнутым лопаткам 11, отдает свою энергию и заставляет вращаться колесо вентилятора с большой скоростью. Описанное устройство можно назвать пневмопреобразователем, преобразующим поток воздуха высокого давления в поток низкого давления с гораздо большим расходом. В корпусе 1 симметрично расположены цилиндры 2 с поршнями 3. Усилие от поршней передается на коленчатый вал 5 через шатуны 4, прикрепленные шарнирно к поршням и кривошипу коленчатого вала. Сжатый воздух подводится к рабочим камерам по каналам 8, которые поочередно сообщаются с впускным Вп и выхлопным Вх каналами распределительного золотника 6, вращающегося синхронно с валом мотора. Золотник вращается в корпусе распределительного устройства 7, к которому подведены магистрали впуска и выхлопа воздуха. Пневмопривод отличается большим разнообразием оригинальных исполнительных устройств с эластичными элементами в форме мембран, оболочек, гибких нитей, рукавов и т.н. Они широко используются в зажимных, фиксирующих, переключающих и тормозных механизмах современных автоматизированных производств. К ним относятся мембранные и сильфонные пневмоцилиндры с относительно малой величиной рабочего хода штока. Плоская резиновая мембрана позволяет получить перемещение штока на 0,1...0,5 от ее эффективного диаметра. При выполнении мембраны в форме гофрированного чулка рабочий ход увеличивается до нескольких диаметров мембраны. Такие пневмоцилиндры называются сильфонными. Они могут быть с внешним и внутренним подводом воздуха. В первом случае длина гофрированной трубки под действием давления уменьшается, во втором увеличивается за счет деформации гофров. В качестве эластичного элемента применяется резина, резинотканевые и синтетические материалы, а также тонколистовая сталь, бронза, латунь. Увеличение скорости выполнения операций во многих случаях достигается применением пневмозахватов, схемы которых показаны на рис.7. Для перемещения листовых изделий используются пневмоприсоски, относящиеся к вакуумным захватам безнасосного и насосного типа. В захватах безнасосного типа (рис.7,а) вакуум в рабочей камере К создается при деформации самих элементов захвата, выполненных в виде гибкой тарелки, прилегающей своей кромкой к детали и подвижным поршнем, к которому прикладывается внешнее усилие. Величина вакуума при подъеме детали пропорциональна ее весу и обычно бывает не более 55 кПа. Для обеспечения лучшего притяжения, особенно для недостаточно гладкой поверхности детали, применяют захваты насосного типа, у которых воздух из рабочей камеры отсасывается насосом до глубины вакуума 70…95 кПа. Часто применяют простые устройства эжекторного типа (рис.7,б), в которых кинетическая энергия струи жидкости, пара или воздуха используется для отсасывания воздуха из рабочей камеры К, находящейся между присоской П и деталью. Сжатый воздух, поступающий на вход А, проходит с большой скоростью через сопло Б эжектора и создает пониженное давление в камере В и канале Г, сообщающимся с рабочей камерой К. Для зажима деталей цилиндрической формы применяют пневмозахваты, выполненные по схемам в и г (рис.4.7). При подводе воздуха в рабочую камеру К упругий цилиндрический колпачок охватывает шейку вала и создает усилие, достаточное для его зажима. На схеме г показан двухсторонний пневмозахват, рабочими элементами которого служат сильфоны с односторонним гофром. При создании избыточного давления внутри сильфона гофрированная сторона растягивается на большую длину, чем гладкая, что вызывает перемещение незакрепленной (консольной) стороны трубки в направлении охватываемой детали. Такими устройствами можно фиксировать детали не только круглой формы, но и с любыми фасонными поверхностями. В ряде случаев возникает потребность в перемещении рабочих органов на большие расстояния до 10…20 м и более по прямолинейной или искривленной траектории. Применение обычных штоковых пневмоцилиндров ограничено рабочим ходом до 2 м. Конструкции бесштоковых пневмоцилиндров, удовлетворяющих этим требованиям, показаны на рис. 8. Рисунок 7- Схемы пневмозахватов а; б; в Рисунок 8 - Схемы бесштоковых пневмодвигателей поступательного движения Отсутствие жесткого штока позволяет практически в два раза уменьшить длину цилиндра в выдвинутом положении. На схеме 8,а показан длинноходовой пневмоцилиндр с передачей усилия через сильный постоянный магнит. Абсолютно герметичная гильза цилиндра выполнена из немагнитного материала, а ее внутренняя полость разделяется поршнем на две камеры, к которым подводится сжатый воздух. В поршне и каретке К, соединенной с рабочим органом, встроены противоположные полюса магнита S и N, взаимодействие которых обеспечивает передачу движущего усилия на каретку, скользящую по направляющим на внешней поверхности гильзы. Ход каретки ограничивается конечными упорами У. Практически неограниченную длину хода имеют пневмоцилиндры с эластичной гильзой (рис.8,б), охватываемой двумя роликами, соединенными кареткой К. Такие пневмоцилиндры очень эффективны для перемещения штучных грузов по сложной траектории и в приводах с небольшими рабочими усилиями. Пневмоцилиндр с гибким штоком показан на схеме рис.8,в. В такой конструкции тяговое усилие передается на каретку К от поршня через гибкий элемент (обычно стальной трос, облицованный эластичной пластмассой), охватывающий обводной и натяжной ролики, расположенные на крышках цилиндра.