Гидравлические машины используют энергию жидкости для выполнения работы. Типичным примером являются тяжелые строительные машины . В машинах этого типа гидравлическая жидкость подается к различным гидравлическим двигателям и гидравлическим цилиндрам по всей машине и находится под давлением в зависимости от имеющегося сопротивления. Жидкость контролируется напрямую или автоматически с помощью регулирующих клапанов и распределяется по шлангам, трубкам или трубам.
Гидравлические системы, как и пневматические , основаны на законе Паскаля , который гласит, что любое давление, приложенное к жидкости внутри закрытой системы, будет передавать это давление одинаково везде и во всех направлениях. Гидравлическая система использует в качестве жидкости несжимаемую жидкость , а не сжимаемый газ.
Популярность гидравлических машин объясняется большим количеством энергии, которая может передаваться через небольшие трубки и гибкие шланги, высокой плотностью мощности и широким набором приводов , которые могут использовать эту мощность, а также огромным увеличением сил, которые могут быть достигнуто путем приложения давления на относительно большие площади. Одним из недостатков по сравнению с машинами , использующими шестерни и валы, является то, что любая передача мощности приводит к некоторым потерям из-за сопротивления потоку жидкости через трубопровод.
Джозеф Брама запатентовал гидравлический пресс в 1795 году. [1] Работая в магазине Брамы, Генри Модслей предложил кожаную упаковку для чашек. [2] [ необходимы разъяснения ] Поскольку гидравлический пресс давал превосходные результаты, он в конечном итоге вытеснил паровой молот для ковки металла. [3]
Для подачи большой мощности, что было непрактично для отдельных паровых машин, были разработаны гидравлические системы центральной станции. Гидравлическая энергия использовалась для управления кранами и другой техникой в британских портах и других странах Европы. Самая крупная гидравлическая система находилась в Лондоне. Гидравлическая энергия широко использовалась при производстве стали в Бессемере . Гидравлическая энергия также использовалась в лифтах, для управления шлюзами каналов и вращающимися секциями мостов. [1] [3] Некоторые из этих систем использовались и в двадцатом веке.
ASME назвал Гарри Франклина Викерса «отцом промышленной гидравлики» . [ почему? ]
Фундаментальной особенностью гидравлических систем является способность легко прикладывать силу или умножать крутящий момент, независимо от расстояния между входом и выходом, без необходимости использования механических передач или рычагов, либо путем изменения эффективных площадей в двух соединенных цилиндрах, либо путем изменения эффективных площадей в двух соединенных цилиндрах. эффективный рабочий объем (см3/об) между насосом и двигателем. В обычных случаях передаточные числа гидравлики сочетаются с передаточными числами механической силы или крутящего момента для достижения оптимальных конструкций машин, таких как движения стрелы и приводы гусениц экскаватора.
Цилиндр C1 имеет радиус один дюйм, а цилиндр C2 — десять дюймов в радиусе. Если сила, действующая на C1, равна 10 фунтам-силам , сила, действующая на C2, равна 1000 фунтам-силам, потому что площадь C2 в сто раз больше ( S = π r² ), чем C1. Обратной стороной этого является то, что вам придется переместить C1 на сто дюймов, чтобы переместить C2 на один дюйм. Наиболее распространенным применением для этого является классический гидравлический домкрат , в котором насосный цилиндр малого диаметра соединен с подъемным цилиндром большого диаметра.
Если гидравлический ротационный насос с рабочим объемом 10 см3/об соединен с гидравлическим ротационным двигателем с производительностью 100 см3/об, крутящий момент на валу, необходимый для привода насоса, составляет одну десятую крутящего момента, доступного на валу двигателя, но вал Скорость (об/мин) двигателя также составляет лишь одну десятую скорости вала насоса. Эта комбинация на самом деле представляет собой тот же тип умножения силы, что и пример с цилиндром, только линейная сила в этом случае представляет собой вращательную силу, определяемую как крутящий момент.
Оба эти примера обычно называют гидравлической трансмиссией или гидростатической трансмиссией с определенным гидравлическим «передаточным числом».
Гидравлический контур — это система, состоящая из взаимосвязанного набора дискретных компонентов, транспортирующих жидкость . Целью этой системы может быть контроль потока жидкости (как в сети трубок охлаждающей жидкости в термодинамической системе) или контроль давления жидкости (как в гидравлических усилителях). Например, в гидравлическом оборудовании используются гидравлические контуры (в которых гидравлическая жидкость проталкивается под давлением через гидравлические насосы , трубы, трубки, шланги, гидравлические двигатели , гидравлические цилиндры и т. д.) для перемещения тяжелых грузов. Подход к описанию жидкостной системы с помощью дискретных компонентов вдохновлен успехом теории электрических цепей . Точно так же, как теория электрических цепей работает, когда элементы дискретны и линейны, теория гидравлических цепей работает лучше всего, когда элементы (пассивные компоненты, такие как трубы или линии электропередачи, или активные компоненты, такие как силовые агрегаты или насосы ) дискретны и линейны. Обычно это означает, что анализ гидравлического контура лучше всего работает для длинных тонких трубок с дискретными насосами, например, в системах химических процессов или микромасштабных устройствах. [4] [5] [6]
Схема состоит из следующих компонентов:
Чтобы гидравлическая жидкость выполняла работу, она должна поступать к приводу и/или двигателям, а затем возвращаться в резервуар. Затем жидкость фильтруют и повторно перекачивают. Путь, по которому движется гидравлическая жидкость, называется гидравлическим контуром , который бывает нескольких типов.
Разомкнутый контур: вход насоса и возврат двигателя (через гидрораспределитель) соединены с гидравлическим баком. Термин «петля» применяется к обратной связи; более правильный термин - «разомкнутая» или «замкнутая цепь». В контурах с открытым центром используются насосы, обеспечивающие непрерывный поток. Поток возвращается в резервуар через открытый центр регулирующего клапана; то есть, когда регулирующий клапан центрирован, он обеспечивает открытый обратный путь в резервуар, и жидкость не перекачивается под высоким давлением. В противном случае, если регулирующий клапан приводится в действие, он направляет жидкость к приводу и резервуару и обратно. Давление жидкости будет расти, преодолевая любое сопротивление, поскольку производительность насоса постоянна. Если давление поднимается слишком высоко, жидкость возвращается в резервуар через клапан сброса давления. Несколько регулирующих клапанов могут быть установлены последовательно. В контуре этого типа можно использовать недорогие насосы постоянной производительности.
Замкнутый контур: обратка двигателя подключена непосредственно к входу насоса. Для поддержания давления на стороне низкого давления в контурах имеется подпиточный насос (небольшой шестеренный насос), который подает охлажденное и отфильтрованное масло на сторону низкого давления. Схемы с обратной связью обычно используются для гидростатических передач в мобильных устройствах. Преимущества: Нет распределительного клапана и лучший отклик, контур может работать при более высоком давлении. Угол поворота насоса охватывает как положительное, так и отрицательное направление потока. Недостатки: Насос невозможно легко использовать для какой-либо другой гидравлической функции, а охлаждение может стать проблемой из-за ограниченного обмена потока масла. Мощные системы с замкнутым контуром обычно должны иметь «промывочный клапан», установленный в контуре, чтобы обменивать гораздо больший поток, чем основной поток утечки из насоса и двигателя, для улучшения охлаждения и фильтрации. Промывочный клапан обычно встроен в корпус двигателя, чтобы обеспечить охлаждающий эффект масла, вращающегося в самом корпусе двигателя. Потери в корпусе двигателя от вращающихся эффектов и потери в шарикоподшипниках могут быть значительными, поскольку при максимальной скорости автомобиля скорость двигателя будет достигать 4000-5000 об/мин и даже более. Поток утечки, а также дополнительный поток промывки должен обеспечиваться подпиточным насосом. Поэтому большой подкачивающий насос очень важен, если трансмиссия рассчитана на высокое давление и высокую скорость вращения двигателя. Высокая температура масла обычно является серьезной проблемой при длительном использовании гидростатических трансмиссий на высоких скоростях автомобиля, например, при транспортировке машины с одного рабочего места на другое. Высокие температуры масла в течение длительного времени резко сокращают срок службы трансмиссии. Чтобы снизить температуру масла, давление в системе во время транспортировки должно быть снижено, а это означает, что минимальный рабочий объем двигателя должен быть ограничен разумным значением. Рекомендуемое давление в контуре во время транспортировки составляет около 200-250 бар.
Системы с замкнутым контуром в мобильном оборудовании обычно используются для передачи в качестве альтернативы механическим и гидродинамическим (преобразовательным) трансмиссиям. Преимуществом является бесступенчатое передаточное число (бесступенчатое регулирование частоты вращения/крутящего момента) и более гибкое управление передаточным числом в зависимости от нагрузки и условий эксплуатации. Максимальная мощность гидростатической трансмиссии обычно ограничена примерно 200 кВт, поскольку общая стоимость становится слишком высокой при более высокой мощности по сравнению с гидродинамической трансмиссией. Поэтому, например, большие колесные погрузчики и тяжелые машины обычно оснащаются гидротрансформаторными трансмиссиями. Последние технические достижения в области преобразовательных трансмиссий повысили эффективность, а разработки в программном обеспечении также улучшили характеристики, например, выбираемые программы переключения передач во время работы и большее количество ступеней передачи, что придает им характеристики, близкие к гидростатическим трансмиссиям.
Гидростатические трансмиссии землеройных машин, например гусеничных погрузчиков, часто оборудуются отдельной « дюймовой педалью », которая используется для временного увеличения оборотов дизельного двигателя при одновременном снижении скорости транспортного средства с целью увеличения доступной выходной гидравлической мощности для работы. гидравликой на малых скоростях и увеличить тяговое усилие. Функция аналогична остановке гидротрансформатора на высоких оборотах двигателя. Функция дюймов влияет на заданные характеристики «гидростатического» передаточного числа в зависимости от частоты вращения дизельного двигателя.
Контуры с закрытым центром существуют в двух основных конфигурациях, обычно связанных с регулятором регулируемого насоса, подающего масло:
Системы измерения нагрузки (LS) генерируют меньшие потери мощности, поскольку насос может снижать как расход, так и давление в соответствии с требованиями нагрузки, но требуют большей настройки, чем система CP, в отношении стабильности системы. Система LS также требует дополнительных логических клапанов и компенсационных клапанов в гидрораспределителях, поэтому она технически сложнее и дороже, чем система CP. Система LS генерирует постоянные потери мощности, связанные с падением давления регулирования на регуляторе насоса:
Среднее значение составляет около 2 МПа (290 фунтов на квадратный дюйм). Если расход насоса высок, дополнительные потери могут быть значительными. Потери мощности также увеличиваются, если давление нагрузки сильно различается. Площади цилиндров, объемы двигателя и механические моментные рычаги должны быть спроектированы так, чтобы соответствовать давлению нагрузки, чтобы снизить потери мощности. Давление насоса всегда равно максимальному давлению нагрузки, когда несколько функций выполняются одновременно, а потребляемая мощность насоса равна (максимальное давление нагрузки + Δ p LS ) x сумма расхода.
Технически компенсатор, установленный на выходе в блоке клапанов, физически может быть установлен «вверх по потоку», но работать как компенсатор на выходе.
Тип системы (3) дает преимущество, заключающееся в том, что активированные функции синхронизируются независимо от производительности насоса. Соотношение потоков между двумя или более активированными функциями остается независимым от давления нагрузки, даже если насос достигает максимального угла поворота. Эта функция важна для машин, которые часто работают с насосом при максимальном угле поворота и с несколькими активированными функциями, которые должны быть синхронизированы по скорости, например, для экскаваторов. В системе типа (4) приоритет имеют функции с входными компенсаторами, например, функция рулевого управления колесного погрузчика. Тип системы с компенсаторами на выходе обычно имеет уникальный товарный знак в зависимости от производителя клапанов, например «LSC» (Linde Hydraulics), «LUDV» ( Bosch Rexroth Hydraulics) и «Flowsharing» (Parker Hydraulics) и т. д. Нет Было установлено официальное стандартизированное название для этого типа системы, но общим названием для него является разделение потоков.
Гидравлические насосы подают жидкость к компонентам системы. Давление в системе развивается в ответ на нагрузку. Следовательно, насос, рассчитанный на давление 5000 фунтов на квадратный дюйм, способен поддерживать поток при нагрузке в 5000 фунтов на квадратный дюйм.
Насосы имеют удельную мощность примерно в десять раз большую, чем электродвигатель (по объему). Они приводятся в действие электродвигателем или двигателем, соединенным через шестерни, ремни или гибкую эластомерную муфту для снижения вибрации.
Распространенными типами гидравлических насосов для гидравлического оборудования являются:
Поршневые насосы дороже, чем шестеренные или лопастные насосы, но обеспечивают более длительный срок службы при более высоком давлении, с трудными жидкостями и более длительными непрерывными рабочими циклами. Поршневые насосы составляют половину гидростатической трансмиссии .
Распределительные клапаны направляют жидкость к нужному приводу. Обычно они состоят из катушки внутри чугунного или стального корпуса. Золотник перемещается в разные положения корпуса, а пересекающиеся канавки и каналы направляют жидкость в зависимости от положения золотника.
Золотник имеет центральное (нейтральное) положение, поддерживаемое пружинами; в этом положении подача жидкости блокируется или возвращается в бак. Сдвиг золотника в одну сторону направляет гидравлическую жидкость к приводу и обеспечивает обратный путь от привода к баку. Когда золотник перемещается в противоположном направлении, пути подачи и возврата меняются местами. Когда золотнику разрешено вернуться в нейтральное (центральное) положение, пути жидкости привода блокируются, фиксируя его в этом положении.
Распределительные клапаны обычно проектируются так, чтобы их можно было штабелировать: по одному клапану на каждый гидравлический цилиндр и один вход жидкости, питающий все клапаны в группе.
Допуски очень малы, чтобы выдерживать высокое давление и избегать утечек. Катушки обычно имеют зазор с корпусом менее тысячной доли дюйма (25 мкм). Блок клапанов будет прикреплен к раме машины по трехточечной схеме, чтобы избежать деформации блока клапанов и заклинивания чувствительных компонентов клапана.
Положение золотника может управляться механическими рычагами, гидравлическим управляющим давлением или соленоидами , которые толкают золотник влево или вправо. Уплотнение позволяет части золотника выступать за пределы корпуса, где она доступна для привода .
Главный блок клапанов обычно представляет собой набор имеющихся в наличии гидрораспределителей, выбранных по пропускной способности и производительности. Некоторые клапаны спроектированы как пропорциональные (расход пропорционален положению клапана), тогда как другие могут быть просто двухпозиционными. Регулирующий клапан — одна из самых дорогих и чувствительных частей гидравлического контура.
Резервуар с гидравлической жидкостью удерживает избыток гидравлической жидкости для компенсации изменений объема в результате расширения и сжатия цилиндра, температурного расширения и сжатия, а также утечек. Резервуар также предназначен для отделения воздуха от жидкости, а также для работы в качестве аккумулятора тепла для покрытия потерь в системе при использовании пиковой мощности. Резервуары также могут помочь отделить грязь и другие частицы от масла, поскольку частицы обычно оседают на дно резервуара.
Некоторые конструкции включают динамические каналы потока на пути возврата жидкости, что позволяет использовать резервуар меньшего размера.
Аккумуляторы являются распространенной частью гидравлического оборудования. Их функция — хранить энергию с помощью газа под давлением. Один тип представляет собой трубку с плавающим поршнем. С одной стороны поршня находится заряд сжатого газа, а с другой стороны — жидкости. Пузыри используются и в других конструкциях. Резервуары хранят жидкость системы.
Примерами использования аккумулятора являются резервное питание для рулевого управления или тормозов, а также в качестве амортизатора для гидравлического контура.
Гидравлическая жидкость, также известная как тракторная жидкость , обеспечивает срок службы гидравлического контура. Обычно это нефтяное масло с различными присадками. Для некоторых гидравлических машин требуются огнестойкие жидкости, в зависимости от их применения. На некоторых фабриках, где готовятся продукты питания, в качестве рабочей жидкости по соображениям здоровья и безопасности используется пищевое масло или вода.
Помимо передачи энергии, гидравлическая жидкость должна смазывать компоненты, суспендировать загрязнения и металлические опилки для транспортировки в фильтр, а также хорошо работать при температуре до нескольких сотен градусов по Фаренгейту или Цельсию.
Фильтры являются важной частью гидравлических систем , которая удаляет нежелательные частицы из жидкости. Металлические частицы постоянно производятся механическими компонентами, и их необходимо удалять вместе с другими загрязнениями. [8]
Фильтры могут быть расположены в разных местах. Фильтр может располагаться между резервуаром и всасывающим патрубком насоса. Засорение фильтра приведет к кавитации и, возможно, выходу из строя насоса. Иногда фильтр располагается между насосом и регулирующими клапанами. [9] Такая конструкция более дорогая, поскольку корпус фильтра находится под давлением, но устраняет проблемы кавитации и защищает регулирующий клапан от отказов насоса. Третье обычное расположение фильтра находится непосредственно перед входом возвратной линии в резервуар. Это место относительно нечувствительно к закупорке и не требует герметичного корпуса, но загрязнения, попадающие в резервуар из внешних источников, не фильтруются до тех пор, пока не пройдут через систему хотя бы один раз. Фильтры используются от 7 микрон до 15 микрон в зависимости от класса вязкости гидравлического масла.
Гидравлические трубы представляют собой прецизионные бесшовные стальные трубы, специально изготовленные для гидравлики. Трубки имеют типоразмеры для разных диапазонов давления, стандартный диаметр до 100 мм. Трубки поставляются производителями длиной 6 м, очищенными, смазанными и заглушенными. Трубки соединяются между собой различными типами фланцев (особенно для больших размеров и давлений), приварными конусами/ниппелями (с уплотнительным кольцом), несколькими типами развальцовочных соединений и врезными кольцами. В больших размерах используются гидравлические трубы. Прямое соединение труб сваркой недопустимо, поскольку внутреннюю часть невозможно осмотреть.
Гидравлическая труба используется в случае отсутствия стандартных гидравлических трубок. Обычно они используются для низкого давления. Их можно соединять резьбовыми соединениями, но обычно сваркой. Из-за большего диаметра трубу обычно можно осмотреть изнутри после сварки. Черная труба не оцинкована и пригодна для сварки .
Гидравлический шланг классифицируется по давлению, температуре и совместимости с жидкостью. Шланги используются, когда нельзя использовать трубы или трубки, обычно для обеспечения гибкости при эксплуатации или обслуживании машины. Шланг состоит из слоев резины и стали. Резиновая внутренняя часть окружена несколькими слоями плетеной проволоки и резины. Внешняя поверхность рассчитана на устойчивость к истиранию. Радиус изгиба гидравлического шланга тщательно просчитан в машине, поскольку выход из строя шланга может быть смертельным, а нарушение минимального радиуса изгиба шланга приведет к выходу из строя. Гидравлические шланги обычно имеют на концах стальные фитинги . Самым слабым местом шланга высокого давления является соединение шланга с фитингом. Еще одним недостатком шлангов является более короткий срок службы резины, которая требует периодической замены, обычно каждые пять-семь лет.
Трубы и трубки для гидравлических систем перед вводом системы в эксплуатацию смазываются изнутри. Обычно стальные трубы окрашивают снаружи. При использовании раструба и других муфт краска удаляется под гайкой, и это место, где может начаться коррозия. По этой причине в морских применениях большая часть трубопроводов изготовлена из нержавеющей стали.
Компоненты гидравлической системы [источники (например, насосы), органы управления (например, клапаны) и приводы (например, цилиндры)] нуждаются в соединениях, которые будут удерживать и направлять гидравлическую жидкость без утечек или потери давления, обеспечивающего их работу. В некоторых случаях компоненты могут быть соединены болтами со встроенными каналами для жидкости. Однако в большинстве случаев для направления потока от одного компонента к другому используются жесткие трубки или гибкие шланги. Каждый компонент имеет точки входа и выхода для используемой жидкости (называемые портами), размер которых зависит от ожидаемого количества жидкости, которое через него пройдет.
Существует ряд стандартизированных методов крепления шланга или трубки к компоненту. Некоторые из них предназначены для простоты использования и обслуживания, другие лучше подходят для более высокого давления в системе или контроля утечек. Самый распространенный метод, как правило, состоит в том, чтобы предусмотреть в каждом компоненте порт с внутренней резьбой, на каждом шланге или трубке невыпадающую гайку с внутренней резьбой и использовать отдельный переходной фитинг с соответствующей наружной резьбой для их соединения. Он функционален, экономичен в производстве и прост в обслуживании.
Фитинги служат нескольким целям;
Типичная машина или тяжелое оборудование может иметь тысячи герметичных точек соединения нескольких различных типов:
Эластомерные уплотнения (уплотнительное кольцо и торцевое уплотнение) являются наиболее распространенными типами уплотнений в тяжелом оборудовании и способны надежно герметизировать давление жидкости более 6000 фунтов на квадратный дюйм (41 МПа ).
