Гидропривод

   * более низкий КПД чем у сопоставимых механических передач;

   * необходимость обеспечения  в процессе эксплуатации чистоты  рабочей жидкости, поскольку наличие  большого количества абразивных  частиц в рабочей жидкости  приводит к быстрому износу  деталей гидрооборудования, увеличению зазоров и утечек через них, и, как следствие, к снижению объёмного КПД;

   * необходимость защиты  гидросистемы от проникновения в неё воздуха, наличие которого приводит к нестабильной работе гидропривода, большим гидравлическим потерям и нагреву рабочей жидкости;

   * пожароопасность в случае применения горючих рабочих жидкостей, что налагает ограничения, например, на применение гидропривода в горячих цехах;

   * зависимость вязкости рабочей жидкости, а значит и рабочих параметров гидропривода, от температуры окружающей среды;

   * в сравнении с пневмоприводом — невозможность эффективной передачи гидравлической энергии на большие расстояния вследствие больших потерь напора в гидролиниях на единицу длины.

 

   9. Гидравлический  двигатель 

Гидравлический двигатель (гидродвигатель) — гидравлическая машина, предназначенная для преобразования гидравлической энергии в механическую. К гидродвигателям относят гидромоторы, гидроцилиндры и поворотные гидродвигатели.

Гидромоторы используют для сообщения выходному звену вращательного движения на неограниченный угол поворота.

Гидроцилиндры сообщают выходному звену возвратно-поступательного движения.

Поворотные гидродвигатели предназначены для сообщения выходному звену вращательного движения на ограниченный угол поворота меньший 360°.

Гидравлические двигатели  бывают объёмными и гидродинамическими. На практике чаще используют объёмные гидродвигатели, так при той же преобразуемой мощности они компактнее и меньше по массе. Конструкции объёмных гидромоторов подобны конструкциям соответствующих объёмных насосов. Кроме того, объёмные гидромоторы имеют свои аналоги среди пневмомоторов. Однако не каждый насос может использоваться в режиме гидромотора. Например, поршневые насосы (которые не следует путать с роторно-поршневыми) могут работать только в качестве насоса из-за наличия клапанной системы распределения.

 

9.1.  Гидромотор

 

Гидромотор (гидравлический мотор) — гидравлический двигатель, предназначенный для сообщения выходному звену вращательного движения на неограниченный угол поворота.

 

Условное графическое  обозначение реверсивного

 нерегулируемого гидромотора

 

9.2. Конструкция и принцип  работы.

Конструкции гидромоторов аналогичны конструкциям соответствующих насосов. Некоторые конструктивные отличия связаны с обратным потоком мощности через гидромашину, работающую в режиме гидромотора. В отличие от насосов, в гидромоторе на вход подаётся рабочая жидкость под давлением, а на выходе снимается с вала крутящий момент.

Наибольшее распространение  получили шестерённые, пластинчатые, аксиально-плунжерные и радиально-плунжерные гидромоторы.

Управление движением  вала гидромотора осуществляется с помощью гидрораспределителя, либо с помощью средств регулирования гидропривода.

9.2.1.  Шестерённый гидромотор

a) Шестерё́нная гидромаши́на — один из видов объёмных гидравлических машин.

Так же как и другие виды объёмных роторных гидромашин принципиально может работать как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора. В том случае, если к валу гидромашины прикладывается вращательный момент, то машина работает в режиме насоса. Если на вход гидромашины подаётся под давлением рабочая жидкость, то с вала снимается вращающий момент, и машина работает в режиме гидромотора.

 

Шестерённый насос с внешним  зацеплением: Drive Gear — ведущая шестерня; Idler Gear — ведомая шестерня; Seal — уплотнение; Drive Shaft — ведущий вал; Pressure Port — выходное отверстие, которое сочетается с полостью высокого давления; Suction Port — всасывающее отверстие, которое сочетается с полостью низкого давления.

 

b)  Виды конструкций

Шестерённые гидромашины выпускаются с внешним и внутренним зацеплением (одним из вариантов последней является героторная гидромашина со специальнымтрохоидальным зацеплением). Гидромашины с внутренним зацеплением более компактны, но из-за сложности изготовления применяются редко. Кроме того, машины с внутренним зацеплением способны работать при намного меньших давлениях (порядка 7 МПа [1], реже до 14 МПа[2]), чем машины с внешним зацеплением. Иногда для снижения шумности и неравномерности подачи применяют шестерни с косыми зубьями.

 

Шестерённая гидромашина с внешним зацеплением

 

Шестерённая гидромашина с внутренним зацеплением

 

Героторная гидромашина

 

В этом насосе с внутренним зацеплением жидкость перемещается слева направо

 

с)  Принцип действия

Шестерённый насос с внешним  зацеплением работает следующим образом. Ведущая шестерня находится в постоянном зацеплении с ведомой и приводит её во вращательное движение. При вращении шестерён насоса в противоположные стороны в полости всасывания зубья, выходя из зацепления, образуют разрежение (вакуум). За счёт этого из гидробака в полость всасывания поступает рабочая жидкость, которая, заполняя впадины между зубьями обеих шестерён, перемещается зубьями вдоль цилиндрических стенок колодцев в корпусе и переносится из полости всасывания в полость нагнетания, где зубья шестерён, входя в зацепление, выталкивают жидкость из впадин в нагнетательный трубопровод. При этом между зубьями образуется плотный контакт, вследствие чего обратный перенос жидкости из полости нагнетания в полость всасывания невозможен.

   d) Рабочий объем

Рабочий объём шестерённой гидромашины с внешним зацеплением может быть определён по формуле:

 

где

m — модуль зубчатого зацепления;

b — ширина шестерни;

z — число зубьев шестерённой гидромашины, под которым понимается число зубьев на одной шестерне.

 

   e) Запертые объемы

Одной из технических проблем  в шестерённых гидромашинах является проблема запертых объёмов, которые являются нежелательныи явлением. Вследствие малой сжимаемости жидкости, возникновение запертых объёмов в процессе работы гидромашины, если не предусмотреть меры борьбы с ними, может привести к возникновению большого момента сопротивления. Для борьбы с ними выполняют специальные канавки, по которым жидкость из запертых объёмов уходит либо в полость высокого давления, либо в полость низкого давления.

   f)  Область применения

Данный вид машин широко используется в системах объёмного гидропривода, в системах смазки и др. Например, гидроприводбульдозеров на базе тракторов Т-100, Т-130 и Т-180 имеет силовой шестерённый насос НШ-100.

Шестерённые насосы применяются  для получения давлений до 21 МПа[3] (теоретически при очень чистой жидкости и высокой точности изготовления).

Героторные насосы применяют для подачи цементной и бетонной смеси от бетономешалки до места заливки.

   g) Преимущества

   * простота конструкции;

   * высокая надёжность  в сравнении, например, с аксиально-плунжерными гидромашинами;

   * низкая стоимость;

   * способность работать  при высокой частоте вращения, поэтому их можно соединять  непосредственно с валами тепловых  или электрических двигателей.

   h) Недостатки

   * нерегулируемость  рабочего объёма;

   * неспособность работать  при высоких давлениях;

   * в сравнении с пластинчатыми гидромашинами — бо́льшая неравномерность подачи.

 

9.2.2. Пластинчатая гидромашина

a)   Пластинчатая гидромашина (шиберная гидромашина) — роторная объёмная гидромашина, вытеснителями в которой являются две и более пластин (шиберов). Термин «пластинчатые гидромашины» не следует путать с термином «лопастные гидромашины», поскольку, согласно принятой в настоящее время терминологии, термин «лопастные гидромашины» закреплён за машинами гидродинамического типа.

 

Пластинчатая гидромашина с двумя пластинами. Такая гидромашина может быть только нерегулируемой, поскольку ротор обязательно должен быть прижат к статору для изоляции друг от друга полостей высокого и низкого давления

b) Устройство и принцип действия

Изготавливают пластинчатые гидромашины однократного действия и двукратного действия. Известны также гидромашины многократного действия. В машинах однократного действия за один оборот вала гидромашины процесс всасывания и нагнетания осуществляется один раз, в машинах двукратного действия - два раза.

Пластинчатые насосы могут  использоваться в режиме гидромотора только в том случае, если в пространстве под пластинами расположены пружины, осуществляющие прижим пластин к корпусу статора. При отсутствии таких пружин насос не является обратимым.

Принцип работы насоса однократного действия состоит в следующем. При  сообщении вращающего момента валу насоса ротор гидромашины приходит во вращение. Под действием центробежной силы (или под действием силы упругости пружин, находящихся под пластинами) пластины прижимаются к корпусу статора, в результате чего образуется две полости, герметично отделённых друг от друга. Объём одной из полостей постепенно увеличивается (в эту полость происходит всасывание), а одновременно с этим объём другой полости постепенно уменьшается (из этой полости осуществляется нагнетание рабочей жидкости).

Анимационный файл, поясняющий принцип работы гидромашины с несколькими пластинами, можно посмотреть здесь.

Изменение рабочего объёма в процессе работы возможно осуществлять только в машинах однократного действия. Однако в таких гидромашинах со стороны полости высокого давления на ротор действует постоянная радиальная сила, что приводит к более быстрому износу деталей гидромашины. В машинах двукратного действия полостей высокого давления — две, и радиальные силы скомпенсированы друг другом.

Изменение рабочего объёма (регулирование гидромашины) осуществляется путём изменения эксцентриситита — величины смещения оси ротора относительно оси статора.

Пластинчатые гидромашины способны работать при давлениях до 14 МПа , рекомендуемые частоты вращения обычно лежат в пределах 1000—1500 об/мин.

В сравнении с шестерёнными, пластинчатые гидромашины создают более равномерную подачу , а в сравнении с роторно-поршневыми и поршневыми гидромашинами — дешевле, проще по конструкции и менее требовательны к фильтрации рабочей жидкости.

Пластинчатые гидромашины широко применяются в системах объёмного гидропривода (например, в приводе металлорежущих станков).

 

Рисунок, поясняющий принцип  работы пластинчатой гидромашины с двумя пластинами

 

Пластинчатый насос двукратного  действия. Пластины направлены немного  вперёд по направлению вращения ротора для уменьшения изгибающих моментов, действующих на пластины; такая конструктивная особенность позволяет уменьшить  вероятность заклинивания пластин  и увеличить их максимальный ход, а значит и рабочий объём

с) Достоинства

   * сравнительно низкая  пульсация подачи (для насосов)  и расхода (для гидромотора);

   * достаточно низкий  уровень шума;

   * принципиальная  возможность реализовать регулируемость  рабочего объёма;

   * хорошие характеристики  всасывания (для насоса).

   d) Недостатки

   * сложность конструкции  и низкая ремонтопригодность;

   * довольно низкие  рабочие давления.

 

9.2.3. Аксиально- плунжерная гидромашина

a) Аксиально-плунжерная гидромашина — один из видов роторно-поршневых    гидромашин. Последние не следует относить к поршневым гидромашинам.

b) Область применения

Являются одним из наиболее распространённых типов гидромашин. Применяются как в качестве насосов, так и в качестве гидромоторов. Их устанавливают, например, в гидросистемах многих одноковшовых экскаваторов, привод некоторых бульдозеров, в которых управление построено по принципу джойстика, также осуществляется аксиально-плунжерными насосами и гидромоторами. Широкое распространение данный вид гидромашин получил в гидроприводе станков.

с)  Технические и технологические  параметры

У аксиально-плунжерных гидромашин диапазон регулирования частот вращения шире (500-4000 об/мин), чем у радиально-плунжерных. Тогда как у большинства радиально-поршневых гидромашин частота вращения ограничена величиной 1500 об/мин.

Данный вид гидромашин способен работать при давлениях до 40 МПа. Это несколько больше, чем у радиально-плунжерных гидромашин (до 35 МПа). Однако, есть данные, что как аксиально-плунжерные гидромашины, так и радиально-плунжерные способны работать при давлениях до 100 МПа.

   d)  Конструктивные особенности

Аксиально-плунжерные и аксиально-поршневые  гидромашины отличаются тем, что в первых в качестве вытеснителей используются плунжеры, а во вторых — поршни. Наибольшее распространение получили аксиально-плунжерные гидромашины.

Выпускают гидромашины с наклонным диском (шайбой) и с наклонным блоком цилиндров.

дним из достоинств аксиально-плунжерных гидромашин является возможность регулирования рабочего объёма. Изменение рабочего объёма осуществляется путём изменения угла наклона диска или угла наклона оси блока цилиндров. Максимальный угол наклона у машин с наклонным диском ограничен 15-18°. Это ограничение связано с ростом контактных нагрузок между деталями гидромашины. В то же время, в машинах с наклонным блоком рост угла наклона ограничен только конструктивными параметрами, и может достигать 40° (обычно до 25°). Но насосы с наклонным диском имеют то преимущество, что при их регулировании легко осуществлется реверс подачи (при работе в режиме насоса) или реверс направления вращения вала (при работе в режиме гидромотора); в гидромашинах с наклонным блоком реверс осуществить нельзя.

Во избежание резонансных  явлений и для снижения пульсаций  подачи и расхода количество плунжеров  всегда выполняют нечётным.