Гидравлические машины используют жидкую энергию для выполнения работы. Тяжелая строительная техника является типичным примером. В этом типе машин гидравлическая жидкость закачивается в различные гидравлические двигатели и гидравлические цилиндры по всей машине и становится под давлением в соответствии с имеющимся сопротивлением. Жидкость контролируется напрямую или автоматически регулирующими клапанами и распределяется по шлангам, трубкам или трубкам.
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 своей жидкости несжимаемую жидкость , а не сжимаемый газ.
Популярность гидравлических машин обусловлена большим количеством мощности, которая может передаваться через небольшие трубки и гибкие шланги, высокой плотностью мощности и широким спектром приводов , которые могут использовать эту мощность, а также огромным умножением сил, которое может быть достигнуто путем приложения давления к относительно большим площадям. Один из недостатков, по сравнению с машинами, использующими шестерни и валы, заключается в том, 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 мастерской Брамы, Генри Модсли предложил использовать для набивки чашек кожу. [2] [ необходимо разъяснение ] Поскольку гидравлический пресс давал превосходные результаты, он в конечном итоге вытеснил паровой молот для ковки металла. [3]
Для обеспечения крупномасштабной мощности, которая была непрактична для отдельных паровых двигателей, были разработаны гидравлические системы центральной станции. Гидравлическая энергия использовалась для управления кранами и другими механизмами в британских портах и в других местах Европы. Самая большая гидравлическая система находилась в Лондоне. Гидравлическая энергия широко использовалась в производстве стали Бессемера . Гидравлическая энергия также использовалась для лифтов, для управления шлюзами каналов и вращающимися секциями мостов. [1] [3] Некоторые из этих систем использовались вплоть до двадцатого века.
Ассоциация инженеров-механиков (ASME) назвала Гарри Франклина Виккерса «отцом промышленной гидравлики» . [ почему? ]
Фундаментальной особенностью гидравлических систем является возможность легкого применения силы или умножения крутящего момента, независимо от расстояния между входом и выходом, без необходимости использования механических передач или рычагов, либо путем изменения эффективных площадей в двух соединенных цилиндрах, либо эффективного смещения (см3/об) между насосом и двигателем. В обычных случаях гидравлические соотношения объединяются с механическим соотношением силы или крутящего момента для оптимальных конструкций машин, таких как движения стрелы и гусеничные приводы для экскаватора.
Радиус цилиндра C1 составляет один дюйм, а радиус цилиндра C2 — десять дюймов. Если сила, действующая на C1, составляет 10 фунтов-сил , сила, действующая на C2, составляет 1000 фунтов-сил, поскольку площадь C2 в сто раз больше ( S = π r ²), чем у C1. Недостатком этого является то, что вам нужно переместить C1 на сто дюймов, чтобы переместить C2 на один дюйм. Наиболее распространенным применением для этого является классический гидравлический домкрат , в котором насосный цилиндр с малым диаметром соединен с подъемным цилиндром с большим диаметром.
Если гидравлический роторный насос с рабочим объемом 10 куб. см/об. подключен к гидравлическому роторному двигателю с рабочим объемом 100 куб. см/об., крутящий момент вала, необходимый для привода насоса, составляет одну десятую крутящего момента, доступного на валу двигателя, но скорость вращения вала (об./мин.) для двигателя также составляет только одну десятую скорости вращения вала насоса. Эта комбинация на самом деле является тем же типом умножения силы, что и в примере с цилиндром, только линейная сила в этом случае является вращательной силой, определяемой как крутящий момент.
Оба эти примера обычно называют гидравлической трансмиссией или гидростатической трансмиссией, включающей определенное гидравлическое «передаточное отношение».
Гидравлическая схема — это система, включающая взаимосвязанный набор дискретных компонентов, которые транспортируют жидкость . Целью этой системы может быть управление потоками жидкости (как в сети трубок охлаждающей жидкости в термодинамической системе) или управление давлением жидкости (как в гидравлических усилителях). Например, гидравлическое оборудование использует гидравлические схемы (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 описания жидкостной системы в терминах дискретных компонентов вдохновлен успехом теории электрических цепей . 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 передачи, или активные компоненты, такие как блоки питания или насосы ) являются дискретными и линейными. Обычно это означает, что анализ гидравлической схемы лучше всего работает для длинных тонких трубок с дискретными насосами, как в системах химических технологических потоков или микромасштабных устройствах. [4] [5] [6]
Схема состоит из следующих компонентов:
Чтобы гидравлическая жидкость выполняла работу, она должна течь к приводу и/или двигателям, а затем возвращаться в резервуар. Затем жидкость фильтруется и повторно закачивается. Путь, пройденный гидравлической жидкостью, называется гидравлическим контуром , который бывает нескольких типов.
Открытый контур: впускной патрубок насоса и возвратный патрубок двигателя (через направляющий клапан) подключены к гидравлическому баку. Термин контур относится к обратной связи; более правильный термин - открытый, а не закрытый "контур". Контуры с открытым центром используют насосы, которые подают непрерывный поток. Поток возвращается в бак через открытый центр регулирующего клапана; то есть, когда регулирующий клапан находится в центре, он обеспечивает открытый обратный путь в бак, и жидкость не перекачивается под высоким давлением. В противном случае, если регулирующий клапан приводится в действие, он направляет жидкость в привод и бак и из них. Давление жидкости будет расти, чтобы преодолеть любое сопротивление, поскольку насос имеет постоянный выход. Если давление поднимается слишком высоко, жидкость возвращается в бак через предохранительный клапан. Несколько регулирующих клапанов могут быть соединены последовательно. Этот тип контура может использовать недорогие насосы постоянного объема.
Замкнутый контур: Возврат двигателя напрямую соединен с впускным отверстием насоса. Для поддержания давления на стороне низкого давления контуры имеют зарядный насос (небольшой шестеренный насос), который подает охлажденное и отфильтрованное масло на сторону низкого давления. Замкнутые контуры обычно используются для гидростатических трансмиссий в мобильных приложениях. Преимущества: Отсутствие направляющего клапана и лучшая реакция, контур может работать с более высоким давлением. Угол поворота насоса охватывает как положительное, так и отрицательное направление потока. Недостатки: Насос не может быть использован для какой-либо другой гидравлической функции простым способом, а охлаждение может быть проблемой из-за ограниченного обмена потоком масла. Высокомощные замкнутые системы, как правило, должны иметь «промывочный клапан», установленный в контуре, чтобы обмениваться гораздо большим потоком, чем основной поток утечки из насоса и двигателя, для улучшения охлаждения и фильтрации. Промывочный клапан обычно встроен в корпус двигателя, чтобы получить эффект охлаждения для масла, которое вращается в самом корпусе двигателя. Потери в корпусе двигателя от вращательных эффектов и потери в шарикоподшипниках могут быть значительными, поскольку скорость двигателя достигает 4000-5000 об/мин или даже больше при максимальной скорости транспортного средства. Поток утечки, а также дополнительный поток промывки должны обеспечиваться насосом подпитки. Таким образом, большой насос подпитки очень важен, если трансмиссия рассчитана на высокое давление и высокую скорость двигателя. Высокая температура масла обычно является серьезной проблемой при использовании гидростатических трансмиссий на высоких скоростях транспортного средства в течение длительного времени, например, при транспортировке машины с одного рабочего места на другое. Высокая температура масла в течение длительного времени резко сократит срок службы трансмиссии. Чтобы поддерживать низкую температуру масла, давление в системе во время транспортировки должно быть снижено, что означает, что минимальный рабочий объем двигателя должен быть ограничен разумным значением. Рекомендуется давление в контуре во время транспортировки около 200-250 бар.
Системы замкнутого контура в мобильном оборудовании обычно используются для трансмиссии в качестве альтернативы механическим и гидродинамическим (преобразовательным) трансмиссиям. Преимуществом является бесступенчатое передаточное отношение (непрерывно регулируемая скорость/крутящий момент) и более гибкое управление передаточным отношением в зависимости от нагрузки и условий эксплуатации. Гидростатическая трансмиссия, как правило, ограничена максимальной мощностью около 200 кВт, так как общая стоимость становится слишком высокой при более высокой мощности по сравнению с гидродинамической трансмиссией. Например, большие колесные погрузчики и тяжелые машины обычно оснащаются преобразовательными трансмиссиями. Последние технические достижения для преобразовательных трансмиссий повысили эффективность, а разработки в программном обеспечении также улучшили характеристики, например, выбираемые программы переключения передач во время работы и большее количество ступеней передач, что придает им характеристики, близкие к гидростатической трансмиссии.
Гидростатические трансмиссии для землеройных машин, таких как гусеничные погрузчики, часто оснащаются отдельной « дюймовой педалью », которая используется для временного увеличения оборотов дизельного двигателя при снижении скорости транспортного средства с целью увеличения доступной гидравлической мощности для рабочей гидравлики на низких скоростях и увеличения тягового усилия. Функция аналогична остановке гидротрансформаторной коробки передач при высоких оборотах двигателя. Функция дюймов влияет на заданные характеристики для «гидростатического» передаточного числа в зависимости от оборотов дизельного двигателя.
Контуры с закрытым центром существуют в двух основных конфигурациях, обычно связанных с регулятором переменного насоса, подающего масло:
Системы измерения нагрузки (LS) генерируют меньшие потери мощности, поскольку насос может уменьшать как расход, так и давление для соответствия требованиям нагрузки, но требуют большей настройки, чем система CP, в отношении стабильности системы. Система LS также требует дополнительных логических клапанов и компенсаторных клапанов в направляющих клапанах, поэтому она технически сложнее и дороже, чем система CP. Система LS генерирует постоянную потерю мощности, связанную с регулирующим падением давления для регулятора насоса:
Среднее значение составляет около 2 МПа (290 фунтов на кв. дюйм). Если расход насоса высокий, дополнительные потери могут быть значительными. Потеря мощности также увеличивается, если давление нагрузки сильно меняется. Площади цилиндров, рабочие 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 работают одновременно, а мощность, потребляемая насосом, равна (макс. давление нагрузки + Δ p LS ) x сумма расхода.
Технически компенсатор, установленный ниже по потоку в клапанном блоке, может быть физически установлен «выше по потоку», но работать как компенсатор ниже по потоку.
Тип системы (3) дает преимущество 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 особенность важна для машин, которые часто работают с насосом при максимальном угле поворота и с несколькими активированными функциями, которые должны быть синхронизированы по скорости, например, с экскаваторами. В системе типа (4) функции с компенсаторами, расположенными выше по потоку , имеют приоритет, например, функция рулевого управления для колесного погрузчика. Тип системы с компенсаторами, расположенными ниже по потоку, обычно имеет уникальную торговую марку в зависимости от производителя клапанов, например, «LSC» (Linde Hydraulics), «LUDV» ( Bosch Rexroth Hydraulics) и «Flowsharing» (Parker Hydraulics) и т. д. Официального стандартизированного названия для этого типа системы не установлено, но flowsharing является для нее общим названием.
Гидравлические насосы подают жидкость к компонентам системы. Давление в системе развивается в ответ на нагрузку. Таким образом, насос, рассчитанный на 5000 фунтов на квадратный дюйм, способен поддерживать поток при нагрузке 5000 фунтов на квадратный дюйм.
Насосы имеют плотность мощности примерно в десять раз больше, 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 применения в гидравлических машинах являются:
Поршневые насосы дороже шестеренчатых или лопастных насосов, но обеспечивают более длительный срок службы при работе под более высоким давлением, со сложными жидкостями и более длительными непрерывными рабочими циклами. Поршневые насосы составляют половину гидростатической трансмиссии .
Направляющие клапаны управления направляют жидкость к нужному приводу. Обычно они состоят из золотника внутри чугунного или стального корпуса. Золотник скользит в разные положения в корпусе, 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. Смещение 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 переключаются. Когда золотнику разрешается вернуться в нейтральное (центральное) положение, пути подачи жидкости привода блокируются, фиксируя его в этом положении.
Направленные регулирующие клапаны обычно проектируются с возможностью установки друг на друга, с одним клапаном на каждый гидравлический цилиндр и одним входом для жидкости, снабжающим все клапаны в стопке.
Допуски очень жесткие, чтобы выдерживать высокое давление и избегать утечек, золотники обычно имеют зазор с корпусом менее одной тысячной дюйма (25 мкм). Блок клапанов будет установлен на раме машины по трехточечной схеме , чтобы избежать деформации блока клапанов и заклинивания чувствительных компонентов клапана.
Положение катушки может быть приведено в действие механическими рычагами, гидравлическим пилотным давлением или соленоидами , которые толкают катушку влево или вправо. Уплотнение позволяет части катушки выступать за пределы корпуса, где она доступна для привода.
Основной блок клапанов обычно представляет собой набор готовых направляющих клапанов управления, выбранных по пропускной способности и производительности. Некоторые клапаны спроектированы как пропорциональные (расход пропорционален положению клапана), в то время как другие могут быть просто двухпозиционными. Регулирующий клапан является одной из самых дорогих и чувствительных частей гидравлического контура.
Резервуар гидравлической жидкости удерживает избыточную гидравлическую жидкость для компенсации изменений объема от: расширения и сжатия цилиндра, расширения и сжатия под воздействием температуры и утечек. Резервуар также предназначен для отделения воздуха от жидкости, а также работает как аккумулятор 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 дне бака.
Некоторые конструкции включают динамические каналы потока на обратном пути жидкости, что позволяет использовать резервуар меньшего размера.
Аккумуляторы являются обычной частью гидравлических машин. Их функция заключается в хранении энергии с помощью сжатого газа. Один тип представляет собой трубку с плавающим поршнем. С одной стороны поршня находится заряд сжатого газа, а с другой стороны — жидкость. В других конструкциях используются баллоны. Резервуары хранят жидкость системы.
Примерами использования аккумуляторов являются резервное питание рулевого управления или тормозов, а также их использование в качестве амортизатора для гидравлической системы.
Также известная как тракторная жидкость , гидравлическая жидкость — это срок службы гидравлического контура. Обычно это нефтяное масло с различными присадками. Некоторые гидравлические машины требуют огнестойких жидкостей в зависимости от их применения. На некоторых заводах, где готовят пищу, в качестве рабочей жидкости по соображениям охраны здоровья и безопасности используется либо пищевое масло, либо вода.
Помимо передачи энергии, гидравлическая жидкость должна смазывать компоненты, удерживать загрязняющие вещества и металлические опилки для транспортировки к фильтру, а также нормально функционировать при температурах до нескольких сотен градусов по Фаренгейту или Цельсию.
Фильтры являются важной частью гидравлических систем , которые удаляют нежелательные частицы из жидкости. Металлические частицы постоянно производятся механическими компонентами и должны быть удалены вместе с другими загрязняющими веществами. [8]
Фильтры могут быть расположены во многих местах. Фильтр может быть расположен между резервуаром и впускным отверстием насоса. Засорение фильтра вызовет кавитацию и, возможно, выход насоса из строя. Иногда фильтр располагается между насосом и регулирующими клапанами. [9] Такое расположение более затратно, так как корпус фильтра находится под давлением, но устраняет проблемы кавитации и защищает регулирующий клапан от отказов насоса. Третье распространенное расположение фильтра — непосредственно перед тем, как обратная линия входит в резервуар. Это расположение относительно нечувствительно к засорению и не требует герметичного корпуса, но загрязняющие вещества, которые попадают в резервуар из внешних источников, не фильтруются, пока не пройдут через систему хотя бы один раз. Используются фильтры от 7 микрон до 15 микрон в зависимости от класса вязкости гидравлического масла.
Гидравлические трубы представляют собой бесшовные стальные прецизионные трубы, специально изготовленные для гидравлики. Трубы имеют стандартные размеры для различных диапазонов давления, со стандартными диаметрами до 100 мм. Трубы поставляются производителями длиной 6 м, очищенными, смазанными и заглушенными. Трубы соединяются между собой различными типами фланцев (особенно для больших размеров и давлений), сварочными конусами/ниппелями (с уплотнительным кольцом), несколькими типами соединений с развальцовкой и разрезными кольцами. В больших размерах используются гидравлические трубы. Прямое соединение труб сваркой недопустимо, поскольку внутреннюю часть невозможно осмотреть.
Гидравлическая труба используется в случае, если стандартные гидравлические трубки недоступны. Обычно они используются для низкого давления. Они могут быть соединены резьбовыми соединениями, но обычно сваркой. Из-за больших диаметров трубу обычно можно осмотреть изнутри после сварки. Черная труба не оцинкована и подходит для сварки .
Гидравлические шланги классифицируются по давлению, температуре и совместимости с жидкостью. Шланги используются, когда трубы или трубки не могут быть использованы, обычно для обеспечения гибкости для эксплуатации или обслуживания машины. Шланг состоит из слоев резины и стали. Внутренняя часть резины окружена несколькими слоями плетеной проволоки и резины. Внешняя часть разработана для обеспечения стойкости к истиранию. Радиус изгиба гидравлического шланга тщательно спроектирован в машине, поскольку поломки шланга могут быть смертельными, а нарушение минимального радиуса изгиба шланга приведет к поломке. Гидравлические шланги обычно имеют стальные фитинги, обжатые на концах. Самая слабая часть шланга высокого давления — это соединение шланга с фитингом. Другим недостатком шлангов является более короткий срок службы резины, которая требует периодической замены, обычно с интервалом в пять-семь лет.
Трубы и патрубки для гидравлических n-приложений смазываются изнутри перед вводом системы в эксплуатацию. Обычно стальные трубы красятся снаружи. Там, где используются раструбы и другие соединения, краска удаляется под гайкой, и это место, где может начаться коррозия. По этой причине в морских применениях большинство труб изготавливаются из нержавеющей стали.
Компоненты гидравлической системы [источники (например, насосы), элементы управления (например, клапаны) и приводы (например, цилиндры)] нуждаются в соединениях, которые будут удерживать и направлять гидравлическую жидкость без утечки или потери давления, которое заставляет их работать. В некоторых случаях компоненты могут быть сделаны скрепленными болтами со встроенными жидкостными путями. 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 задействованной жидкости (называемые портами), размер которых зависит от того, сколько жидкости, как ожидается, пройдет через него.
Существует ряд стандартизированных методов, используемых для присоединения шланга или трубки к компоненту. Некоторые предназначены для простоты использования и обслуживания, другие лучше подходят для более высоких давлений в системе или контроля утечки. Наиболее распространенный метод, в общем, заключается в том, чтобы обеспечить в каждом компоненте порт с внутренней резьбой, на каждом шланге или трубке накидную гайку с внутренней резьбой и использовать отдельный переходной фитинг с соответствующей наружной резьбой для соединения двух. Это функционально, экономично в производстве и легко в обслуживании.
Фитинги выполняют несколько функций;
Типичная единица техники или тяжелого оборудования может иметь тысячи герметичных точек соединения и несколько 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 кв. дюйм (41 МПа ).
