735
.pdf
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (НИИЖТ)
Н.В. МОКИН
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ
Учебное пособие
Новосибирск
2012
1
УДК [62-82 + 62-85] (075) ББК 39.9
М749
Мокин, Н.В.
М749 Гидравлические и пневматические приводы: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2012. – 174 с.
ISBN 978-5-93461-566-7
Приведены описания устройства и работы, характеристики и свойства гидравлических и пневматических машин и клапанов. Рассмотрены типовые принципиальные схемы гидравлических и пневматических передач. Изложены оcновы проектирования гидропередач, их тепловой защиты, регулирования скорости гидравлических и пневматических двигателей. Приведены варианты задач для практических занятий и самостоятельной работы.
Предназначено студентам, обучающимся по образовательной программе специалитета – направление 190109 «Наземные транспортнотехнологические средства» (профиль «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные средства и оборудование»).
УДК [62-82 + 62-85] (075) ББК 39.9
Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р д-р техн. наук, проф. В.Н. Анферов
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Проектирование технологических машин» Носибирского государственного технического университета (завкафедрой канд. техн. наук, доц. В.В. Иванцивский)
главный научный сотрудник лаборатории горного машиноведения Института горного дела Сибирского отделения Российской академии наук д-р техн. наук А.Р. Маттис
ISBN 978-5-93461-566-7 |
© Мокин Н.В., 2012 |
|
© Сибирский государственный |
|
университет путей сообщения, 2012 |
2
Позиционные обозначения элементорв гидравлических и пневматических передач
АК – аккумулятор гидравлический АТ – аппарат теплообменный (охладитель)
Б – бак БРС – быстроразъёмное соединение
ВН – вентиль ГМ – гидродинамическая муфта
ГН – гидродродинамический насос ГТ – гидродинамичесий трансформатор ДП – делитель потока (расхода)
ДР – дроссель КМ – компрессор
ИЛИ – логический элемент ИЛИ КБ – клапан байпасный КО – клапан обратный
КОУ – клапан обратный управляемый (гидрозамок)
КП – клапан предохранительный
КПВ – клапан последовательности включения (приоритетный клапан)
КР – клапан редукционный КУ – компрессорная установка М – гидромотор, пневмомотор МН – манометр, мановакууметр Н – насос Р – распределитель
РВД – рукав высокого давления РНД – рукав низкого давления РМ – расходомер РС – ресивер Т – термометр ТС – термостат Ф – фильтр
Ц – гидроцилиндр, пневмоцилиндр
Обозначения физических величин и коэффициентов
А – площадь
с – удельная теплоёмкость
D, d – диаметр
Dу – диаметр условного прохода
Е – энергия, работа, модуль упругости
n – частота вращения, показатель политропы
f – абсолютная влажность воздуха
Н – напор
Р – мощность
р – давление
R – газовая постоянная
Т – температура t – время
Q – расход объёмный
Qm – расход массовый
qн; qм – рабочий объём насоса; мотора
V – объём
v – скорость, удельный объём
– коэффициент теплового расширения
х – бэтта-икс фактор (показатель эффективности фильтра)
ε – степень повышения давления
η – коэффициент полезного действия
k – показатель адиабаты, коэффициент теплопередачи
λ – коэффициент линейных потерь давления μ – динамическая вязкость
ν – кинематическая вязкость
ξ – коэффициент местного сопротивления
ρ– плотность вещества
σ– нормальные напряжения
τ – касательные напряжения
ω – угловая скорость
3
ВВЕДЕНИЕ
Во многих технологических и транспортных машинах энергия от дизельного или электрического двигателя передаётся к рабочему органу (РО) и ходовому оборудованию (ХО) потоком жидкости. Такие передачи и приводы называют гидравлическими.
Ими оснащены, например, автомобильные краны, одноковшовые экскаваторы, погрузчики, машины для строительства и содержания железных дорог, автомобили и тракторы, сельскохозяйственные машины, металлорежущие станки, летательные аппараты и др.
Гидравлические передачи бывают гидростатические (гидрообъёмные) и гидродинамические.
Вгидростатических передачах механическую энергию переносит жидкость (гидравлическое масло) при высоком давлении (до 40 и более МПа) и малой скорости (от 4 до 6 м/с). Выполнены такие передачи в виде совокупности объёмных насосов, трубопроводов, клапанов и объёмных гидродвигателей – гидромоторов и гидроцилиндров.
Основные достоинства гидрообъёмных передач: малые габариты и масса гидро-
двигателей; возможность глубокого регулирования скорости; надёжность защиты от недопустимо большихперегрузоки др.
Вгидродинамических передачах велика скорость масла (десятки метров в секунду) при малом статическом давлении (1 МПа). Выполнены такие передачи в виде гидродинамических муфт и гидродинамических трансформаторов. Их основное достоинство – автоматическое изменение скорости ведомого звена при изменении нагрузки.
Вмобильных и стационарных машинах применяют также пневматические приводы, в которых энергия передаётся потоком сжатого воздуха.
Основные достоинства пневмопривода: доступность воздуха, экологическая чистота; меньшая по сравнению с гидроприводом стоимость. К недостаткам можно отнести малое давление воздуха, большие габариты и масса компрессоров и пневмодвигателей, малый коэффициент полезного действия.
Впособии рассмотрены:
–устройство, работа, характеристики насосов и компрессоров, гидравлических и пневматических двигателей и клапанов;
–типовые принципиальные схемы гидравлических и пневматических передач – защита от недопустимо больших перегрузок; автоматическая разгрузка при выключении рабочих органов; управление клапанами; регулирование скорости гидро- и пневмодвигателей;
–алгоритмы выбора насосов, компрессов, гидравлических и пневматических двигателей и клапанов;
–устройство, работа и характеристики гидродинамических насосов, муфт и трансформаторов;
–алгороитмы расчёта параметров тепловой защиты гидропередач;
–маркировка, свойства, выбор, правила эксплуатации гидравлических масел.
Впоследней главе приведены задания и задачи для практических занятий и самостоятельной работы. Исходные параметры к задачам даны в 20 вариантах.
4
1. ПАРАМЕТРЫ И ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ОБЪЁМНЫХ ГИДРОПЕРЕДАЧ
1.1. Структурная схема объёмного гидропривода
На рис. 1.1 изображены некоторые из подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин с гидравлическими приводами.
а) |
б) |
в) |
г) |
Рис. 1.1. Примеры машин с гидроприводами:
а– автомобильный кран; б – экскаватор; в – погрузчик; г – бульдозер
Вгидравлических приводах энергию на большей части пути от дизельного или электрического двигателя до рабочего или ходового оборудования переносит жидкость – гидравлическое масло (МГ). Гидропривод включает в себя первичный двигатель и гидравлическую передачу (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Структурная схема объёмного гидропривода:
1 – первичный двигатель машины (дизельный или электрический); 2 – механическая передача привода насоса; 3 – насос; 4 – трубопроводы и клапаны; 5 – гидродвигатель (ГД) (гидромотор или гидроцилиндр); 6 – механическая передача привода рабочего органа или ходового обору-
дования; 7 – рабочее или ходовое оборудование; 8 – бак
с гидравлическим маслом; 9 – система управления двигателем, насосом
и клапанами
Объёмная гидропередача (ГП) содержит элементы 3, 4 и 5.
5
На рис. 1.2 и 1.3 обозначено: Tн и Tм – вращающий момент на валу насоса и гидромотора; nн и nм – частота вращения вала насоса и гидромотора; Fшт и vшт – сила на штоке и скорость штока гидроцилиндра; Q и p – расход и давление масла; Рвх = Тн ·2πnн – мощность на входе в ГП (на валу насоса); Рвых = Тм · 2πnм или Рвых = Fшт vшт – мощность на выходе из ГП (на валу гидромотора или штоке гидроцилиндра).
Принцип работы объёмной гидропередачи. Насос вытесняет масло и создаёт в нём нормальное напряжение сжатия. По трубопроводу поток масла доходит до деталей гидродвигателя и заставляет их перемещаться. Мощность гидропередачи зависит от вытесняемого в единицу времени объёма масла и напряжения (давления) в нём. Объём вытесняемого масла в единицу времени называется расходом, нормальное напряжение сжатия – гидростатическим давлением.
1.2.Основные параметры объёмной гидропередачи
Косновным параметрам отнесены:
–объёмный расход масла Q;
–статическое (гидромеханическое) давление масла р;
–мощность потока масла Р;
–коэффициент полезного действия (КПД) η.
Объёмный расход Q, м3/с, равен отношению объёма масла, прошедшего через поперечное сечение потока, ко времени, за которое это произошло:
Q = V/t = vA, |
(1.1) |
где V – объём; t – время; v – средняя по поперечному сечению скорость потока; А – площадь поперечного сечения потока.
Из (1.1) следует, что скорость потока: v = Q/A.
Пример. По трубопроводу с внутренним диаметром 20 мм течёт масло со скоро-
стью 5 м/с. Объёмный расход: Q = vA = vπd2/4 = 5·3,14·(0,02)2/4 = 0,00157 м3/с = = 0,00157·60000 л/мин = 94,2 л/мин.
Гидростатическое давление р, Н/м2, – это отношение нормальной силы F, действующей на площадку, к площади А этой площадки, т.е.: р = F/A.
Гидростатическое давление в жидкости или газе является аналогом механическо-
го напряжения сжатия в твёрдом теле. Отличие от напряжения в том, что статическое давление по всем направлениям одинаково (закон Паскаля).
Единица давления – паскаль (Па). 1 Па = 1 Н/м2.103 Па = 1 кПа (килопаскаль).106 Па =
= 1 МПа (мегапаскаль). 1 МПа = 9,81 атм. |
|
Сила F давления масла на площадь: |
|
F = рA. |
(1.2) |
Пример. На поршень, диаметр которого D = 100 мм, действует давление 20 МПа.
Сила давления на поршень: F = рA = рπD2/4 = 20·106·3,14 (0,1)2 /4= 157 000 Н.
В Европе в качестве единицы давления часто используют bar.
1bar = 100 000 Па ≈ 1 атм.
6
ВСШАкромеПавкачествеединицы давленияиспользуютpsi:1psi =1фунт/кв.дюйм
(pound/square inch) ≈ 6 900 Па.
Для элементов гидропередач и в целом гидросистем различают давления:
–номинальное (максимальное долговременное) давление рном. Его назначают из условия долговременной работы с расчетными нагрузками, скоростями и при высоком КПД. Номинальное давление в гидропередачах от 16 до 32 МПа и имеет тенденцию к увеличению. Повышение номинального давления уменьшает расход масла и, как следствие, размеры насосов, гидродвигателей, трубопроводов и аппаратов, но увеличивает затраты на их изготовление, обслуживание и ремонт;
–максимальное (максимальное кратковременное) давление рmax. Оно может пре-
вышать номинальное значение от 25 до 50 % и допустимо кратковременно, от долей секунды до 5 секунд в течение каждой минуты. Величину максимального давления ограничивают настройкой предохранительных клапанов;
–пробное или испытательное давление. Оно не больше максимального, не долж-
но вызывать остаточных деформаций и повреждений. Необходимо для подтверждения прочности сборки и монтажа элементов гидропередачи;
–разрушающее давление. Оно разрушает наружную оболочку гидроустройства,
масло выходит наружу. Для различных устройств его величина от 2рном до 4рном.
Фактическое или рабочее давле-
ние р при установившейся работе зависит от нагрузки на гидродвигатель и должно быть примерно равно номинальному давлению.
При выключенном гидродвигателе давление в напорной линии насоса минимальное и при оптимальной температуре масла должно быть не
больше 0,06рном.
При включении гидродвигателя,
атакже при активной его перегрузке
давление кратковременно превышает максимальное (рис. 1.4). Предохранительный клапан не успевает открыться одновременно со скачкообразным
ростом давления. |
Рис. 1.4. Изменение давления в напорной линии насоса |
|
в цикле работы гидропередачи |
||
Мощность потока Р, Вт. Мощ- |
||
|
ность можно вычислить умножением силы давления F = pA на скорость потока υ = Q/A,
т.е. Р = Fυ = pA·Q/A. Отсюда:
Р = pQ. |
(1.3) |
Пример.Расход Q = 0,003 м3/с, давление р = 25 МПа. Мощность потока: Р = рQ = = 25 ·106 · 0,003 = 75 000 Вт.
Коэффициент полезного действия (КПД) гидропередачи – это отношение мощ-
ности на её выходе (на валу гидромотора или штоке гидроцилиндра) Рвых к мощности
на её входе (на валу насоса) Рвх: |
|
|
= Рвых /Рвх . |
|
(1.4) |
Величина также равна произведению КПД последовательно соединённых эле- |
||
ментов гидропередачи: н н-гд-Б гд , где н – КПД насоса; |
н-гд-Б |
– КПД, учитываю- |
щий потери энергии на пути от насоса до гидродвигателя и от гидродвигателя до бака;гд – КПД гидродвигателя. КПД новой гидропередачи с аксиально-поршневыми насо-
сом и гидромотором при н = 0,9; н-гд-Б = 0,94 (допустимое значение при оптимальной температуре МГ); гд = 0,9 равен: ≈ 0,9·0,94·0,9 ≈ 0,761.
7
Теряемая в гидропередаче мощность:
Рп = Рвх – Рвых = Рвх(1 – ) = Рвых(1/ – 1). |
(1.5) |
При = 0,75 до вала гидромотора или штока гидроцилиндра доходит 75 % энергии, подведённой к валу насоса (рис. 1.5). 25 % энергии в такой гидропередаче теряется.
Рис. 1.5. Потери мощности в объёмной гидропередаче
Вгидропередаче и её элементах энергия теряется по двум причинам - из-за потери части расхода и из-за потери части давления.
Всоответствии с этими двумя причинами КПД элемента гидропередачи записывают в виде произведения:
= о гм, |
(1.6) |
где о – объемный КПД. Он характеризует потери части расхода из-за утечек масла из напорной линии в сливную и дренажную. Утечки возрастают с увеличением давления масла и зазоров между деталями. При этом полезно используемый расход Q и объёмный КПД уменьшаются и, как следствие, уменьшается скорость выходного звена гидродвигателя; гм – гидромеханический КПД. Он характеризует потери части давления на преодоление сил трения масла о масло, масла о детали и деталей между собой. Как следствие, это уменьшает вращающий момент на валу гидромотора и движущую силу на штоке гидроцилиндра.
В результате износа элементов КПД передачи уменьшается. Допустимо в предремонтном состоянии некоторых машин (например, одноковшовых экскаваторов, автомобильных кранов, буровых установок) уменьшение КПД гидропередач примерно на 20 %. Для гидропередачи, содержащей аксиально-поршневые насос и гидромотор, КПД может понизиться с 0,75 до 0,6. В общем случае допустимое снижение КПД зависит от приемлемого уменьшения производительности машины и допустимого ухудшения качества выполняемой ею работы.
Допустимое снижение КПД отдельных элементов гидропередачи меньше, чем для всей передачи. Это объясняется тем, что КПД передачи равен произведению КПД последовательно соединённых в ней элементов. Снижение КПД насоса и гидромотора допустимо примерно на 10 %.
Примером простейшей гидропередачи может быть домкрат (рис. 1.6).
На рис. 1.6 обозначено: 1 – рычаг; 2 – шатун; 3 – поршень-вытеснитель; 4 – нагне- Рис. 1.6. Схема гидравлического домкрата тательный цилиндр; Б – бак с жидкостью; КО1 и КО2 – клапаны обратные; ВН – вентиль.
Поршень 3 с цилиндром 4 образуют насос. Мускульная сила Fр, прикладываемая к рукоятке 1, передаётся через шатун 2 на поршень 3 и создает на нём силу F1, а под поршнем давление масла р. Это давление по трубопроводу через обратный клапан КО2 передаётся в цилиндр 6. Здесь масло давит на поршень 5, создаёт силу F2 и поднимает груз G.
8
Для опускания груза открывают вентиль ВН, масло из цилиндра 6 весом груза G вытесняется в бак Б.
Давление р, создаваемое в цилиндре 4:
p = F1/A1 |
= 4F1/( d2) , |
(1.7) |
|
1 |
|
где F1 – сила, Н; А1 – площадь поршня 3, м2; d1 – диаметр поршня, м.
Если пренебречь потерей давления при течении масла из цилиндра 4 в цилиндр 6, тогда сила F2, с которой масло давит на поршень 5, равна F2 = рА2 = p d22 /4, где А2 –
площадь поршня 5; d2 – его диаметр.
Отношение сил: F2/F1 = d22 / d12 . К примеру, если d2 = 10d1, то F2 = 100F1. Естественно, что выигрыш в 100 раз в силе приведёт к такому же проигрышу в перемещении. В этом смысле домкрат аналогичен неравноплечему рычагу.
1.3. Перенос механической энергии гидравлическим маслом
Единица объёма масла переносит механическую энергию ЕV:
ЕV = ЕVвн + ЕVp + ЕVк, |
(1.8) |
где ЕVвн, ЕVp, ЕVк – составляющие энергии ЕV.
Единицей величины ЕV является Дж/м3 или Н·м/м3 = Н/м2 = Па, т.е. физические величины ЕV и р имеют одинаковую единицу – паскаль.
ЕVвн – внутренняя потенциальная энергия, сообщённая маслу при сжатии в насосе. Она равна работе, которую необходимо совершить при сжатии масла и увеличении статического давления в единице объёма от начального значения рн до конечного р:
ЕVвн = p2 pн2 / 2Е, |
(1.9) |
где Е – объёмный модуль упругости масла, Па.
Е = 1500 МПа; р = 25 МПа; рн = 0,1 МПа. ЕVвн ≈ (25·106)2/(2·1500·106) = = 0,208 106 Дж/м3. Так как модуль упругости масла велик, энергияЕVвн относительно мала.
ЕVp – потенциальная энергия внешнего статического давления, сообщенная единице объёма масла при вытеснении из насоса. Она равна статическому давлению, т.е. ЕVр= рст. При рст = 25 МПа величина ЕVp = 25·106 Па, что в 120 раз больше величины ЕVвн.
ЕVк – кинетическая энергия, сообщенная единице объёма масла при придании ему скорости v. Численно ЕVк равна скоростному давлению pск:
ЕVк = рск = v2/2, |
(1.10) |
где – плотность масла, кг/м3; v – средняя по поперечному сечению потока скорость масла, м/с; – коэффициент, учитывающий форму эпюры скорости по поперечному сечению ( = 1 – для турбулентного, = 2 для ламинарного течения).
Если пренебречь величиной ЕVвн, то равенство (1.8) можно записать:
ЕV = р = рст + рск , |
(1.11) |
где р, рст и рск — полное, статическое и скоростное давления.
Полное давление р численно равно механической энергии в единице объёма.
В зависимости от того, которая из величин правой части равенства (1.11) преоб-
ладает, гидропередачу называют гидростатической (гидрообъёмной) или гидродинамической.
Для гидростатических передач, выполняемых в виде совокупности объёмных насосов, гидродвигателей и трубопроводов, характерны большое статическое давление
9
(до 40 МПа) и малая скорость масла (около 5 м/с). На долю потенциальной энергии внешнего статического давления в таких передачах приходится до 99 % всей переносимой механической энергии.
В гидродинамических передачах основная доля переносимой энергии приходится на скоростное давление.
1.4. Классификация объёмных гидропередач
А. По виду движения выходного звена гидродвигателя:
–гидропривод вращательного движения: выходное звено гидродвигателя (вал гидромотора) совершает неограниченное вращательное движение;
–гидропривод поворотного движения: выходное звено гидродвигателя совершает
ограниченное возвратно-поворотное движение, например, на угол менее 360 ;
–гидропривод поступательного движения: выходное звено гидродвигателя (шток гидроцилиндра) совершает возвратно-поступательное движение.
Б. По особенностям циркуляции гидравлического масла:
–разомкнутая гидропередача: масло идёт по пути: бак – насос – гидродвигатель –
бак;
–замкнутая гидропередача: масло идёт по пути: насос – гидродвигатель (гидромотор) – насос.
В. По наличи ю связи гидросистемы с атмосферо й:
–открытая (негерметичная) гидропередача. Бак заполнен маслом на 80…90 %
объёма и сообщен с атмосферой через воздушный фильтр (сапун). Через этот фильтр в гидросистему попадают воздух, пары воды, пыль;
–закрытая (герметичная) гидропередача. Бак не имеет сообщения с атмосферой.
Вгидросистему через такой бак не попадают воздух, влага и пыль. Это увеличивает срок службы масла, насосов, гидродвигателей и клапанов.
1.5.Условные графические обозначения элементов гидравлических
ипневматических передач
На рис. 1.7 изображена гидропередача вилочного погрузчика: слева – начертаниями внешнего вида элементов, справа – их условными графическими обозначениями.
Стандартами ГОСТ 2.780–96,
ГОСТ 2.781–96, ГОСТ 2.782–96 уста-
новлены условные графические обозначения элементов на принципиальных гидравлических и пневматических схемах.
На схемах над условным графическим обозначением каждого элемента или с правой стороны пишут буквенно-цифровое позиционное обозначение.
Ниже приведены стандартизованные условные графические обозначения некоторых элементов гидравлических и пневматических передач. Для знакомства с полным перечнем обозначений необходимо обратиться к указанным выше стандартам.
10