книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.И. Квашнин
ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2011
УДК 62-82:681.521.3(075.8) К32
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент В.С. Кошман (Пермская государственная сельскохозяйственная академия);
канд. техн. наук, доцент В.И. Моисеев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Квашнин, А.И.
Элементы гидравлических систем и объемного гидроприК32 вода: учеб. пособие / А.И. Квашнин. – Пермь: Изд-во Перм.
нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. – 274 с. ISBN 978-5-398-00661-2
Приведены основные сведения о рабочих жидкостях гидросистем, о гидроаппаратах и элементах автоматики, применяемых в гидравлических приводах и системах различного назначения. Дана классификация гидроаппаратов, рассмотрены конструктивные схемы, принцип действия и статические характеристики гидроаппаратов.
Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС подготовки бакалавров по направлению 141100 «Энергетическое машиностроение» и предназначено для студентов, обучающихся по профилю «Автоматизированные гидравлические и пневматические системы и агрегаты».
УДК 62-82:681.521.3(075.8)
ISBN 978-5-398-00661-2 |
© ПНИПУ, 2011 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................... |
5 |
1. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ........ |
9 |
1.1. Основные физические свойства рабочих жидкостей ........... |
10 |
1.2. Эксплуатационные свойства рабочих жидкостей................. |
23 |
1.3. Классификация и система обозначений рабочих |
|
жидкостей........................................................................................ |
32 |
2. ГИДРОАППАРАТЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕМНЫМ |
|
ПРИВОДОМ........................................................................................ |
66 |
2.1. Направляющие гидравлические аппараты ............................ |
71 |
2.1.1. Направляющие гидрораспределители............................ |
71 |
2.1.2. Обратные клапаны............................................................ |
86 |
2.1.3. Гидрозамки ....................................................................... |
88 |
2.1.4. Клапаны выдержки времени............................................ |
93 |
2.1.5. Клапаны последовательности.......................................... |
94 |
2.2. Регулирующие гидроаппараты............................................... |
96 |
2.2.1. Клапаны давления............................................................ |
96 |
2.2.2. Аппараты управления расходом..................................... |
114 |
2.2.3. Дросселирующие гидрораспределители........................ |
130 |
2.3. Гидроаппараты с пропорциональным управлением............. |
147 |
2.3.1. Гидрораспределители с пропорциональным |
|
управлением................................................................................ |
152 |
2.3.2. Напорные клапаны с пропорциональным |
|
управлением................................................................................ |
156 |
2.3.3. Редукционные клапаны с пропорциональным |
|
управлением................................................................................ |
158 |
2.3.4. Дроссели с пропорциональным управлением................ |
161 |
2.3.5. Регуляторы расхода с пропорциональным |
|
управлением................................................................................ |
162 |
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ГИДРАВЛИЧЕСКИХ |
|
ПРИВОДАХ ........................................................................................ |
164 |
3.1. Электромеханические преобразователи................................ |
164 |
3.2. Электрогидравлические усилители мощности...................... |
170 |
3.3. Реле давления........................................................................... |
177 |
3 |
|
3.4. Датчики давления.................................................................... |
179 |
3.4.1. Тензометрический метод................................................. |
181 |
3.4.2. Пьезорезистивный метод................................................. |
186 |
3.4.3. Емкостный метод ............................................................. |
188 |
3.4.4. Резонансный метод .......................................................... |
189 |
3.4.5. Индукционный метод ...................................................... |
191 |
3.4.6. Ионизационный метод..................................................... |
192 |
4. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ |
|
СИСТЕМ.............................................................................................. |
196 |
4.1. Кондиционеры рабочей жидкости......................................... |
196 |
4.2. Гидробаки................................................................................. |
205 |
4.3. Уплотнения.............................................................................. |
208 |
4.3.1. Уплотнения неподвижных соединений.......................... |
211 |
4.3.2. Уплотнения подвижных соединений.............................. |
221 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................... |
270 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................. |
271 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Гидравлическим приводом называется совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости под давлением. Одновременно выполняется функция регулирования и реверсирования скорости выходного элемента гидродвигателя. Гидропривод состоит из гидропередачи объемного типа, гидроаппаратов управления, вспомогательных и дополнительных устройств. К элементам гидропривода относят также рабочую жидкость [11, 19, 20, 24].
Привод обеспечивает реализацию движений, положений и усилий на исполнительном органе машины или механизма, в том числе при дистанционном, полуавтоматическом и автоматическом управлении. Под управлением потоком рабочей жидкости подразумевается изменение или поддержание заданных значений давления или расхода, а также открытие, перекрытие и изменение направления потока.
Элементную базу автоматизированных гидроприводов составляют устройства автоматики, предназначенные для управления потоком рабочей жидкости и называемые гидравлическими аппаратами
[14, 22].
К гидравлическим аппаратам относят направляющие и регулирующие элементы автоматики, дросселирующие гидрораспределители, гидравлические вычислительные устройства, гидравлические регуляторы. Кроме гидравлических приводов гидроаппараты входят в состав различных автоматических управляющих устройств, регуляторов, следящих и технологических систем, систем дистанционного управления и автоматической защиты. Применение маломощных электрических сравнивающих и управляющих устройств позволяет воздействовать на исполнительную силовую гидравлическую часть гидроаппарата с использованием таких элементов, как электромеханические преобразователи, усилители мощности, корректирующие и логические устройства. Электронные системы управления в сочетании с гидроприводом образуют мощные быстродействующие электрогидравлические приводы.
5
Принцип действия и устройство многих гидроаппаратов основаны на использовании фундаментальных законов механики жидкости и газов, а также механики твердого тела.
Гидравлические приводы современных машин комплектуются элементами, узлами и агрегатами, позволяющими создавать сложные системы функционально различного назначения. На рис. 1 представлены основные элементы гидропривода.
Гидропривод, основу которого составляет объемная гидропередача, называется объемным [1, 2, 3, 9, 11, 17]. Гидропередача – силовая часть привода, состоящая из насоса объемного типа, соединительных гидролиний и объемного гидродвигателя. Она предназначена для согласования параметров и характеристик приводящего двигателя и исполнительного органа машины или механизма. В объемных гидропередачах механическая энергия приводящего двигателя преобразуется в основном в потенциальную энергию давления, передача которой от генератора к потребителю осуществляется посредством рабочей жидкости, и реализуется в виде работы, совершаемой выходным элементом гидродвигателя. В объемных гидропередачах кинематические и нагрузочные показатели режима функционирования гидродвигателя рассматриваются раздельно. Кинематическая связь между насосом и гидродвигателем обеспечивается достаточной герметичностью системы и малой сжимаемостью рабочей жидкости. Давление, развиваемое насосом, зависит от нагрузки, приложенной к выходному элементу гидродвигателя, и от сопротивления гидролиний.
В состав некоторых объемных гидропередач могут входить, наряду с насосом или автономно, пневмогидроаккумуляторы или гидропреобразователи, используемые в качестве дополнительных источников гидравлической энергии. Пневмогидроаккумуляторы обеспечивают энергией гидропередачи с ограниченным временем действия или в периоды наибольших расходов. Гидропреобразователи – объемные гидромашины для преобразования энергии одного потока рабочей жидкости в энергию второго потока с другим значением давления и расхода.
6
7
Рис. 1. Состав гидропривода
7
Гидроаппараты позволяют управлять потоком жидкости или другими устройствами привода. Под управлением потоком понимается изменение или поддержание определенных значений давления и расхода, а также изменение направления движения потока рабочей жидкости. Гидроаппараты включают в себя регулирующие и направляющие элементы, а также гидроусилители. Гидроусилители предназначены для преобразования сигнала управления в виде перемещения, усилия или момента в перемещение (линейное или угловое) выходного элемента гидродвигателя посредством жидкости. Рабочая жидкость к гидроусилителю дроссельного или объемного регулирования подводится под давлением с целью управления различными компонентами гидропривода.
Вспомогательные устройства обеспечивают функционирование гидропривода в целом. К ним относятся гидробаки, кондиционеры рабочей жидкости (фильтры и теплообменники), гидродемпферы, реле давления, уплотнители и др.
Гидролинии (трубопроводы) предназначены для прохождения рабочей жидкости в процессе работы объемного гидропривода.
8
1. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Гидравлическая система не может функционировать без основного своего элемента – рабочей жидкости. Рабочая жидкость в системах гидравлического привода является самым энергоемким компонентом, посредством которого осуществляется передача управляющих команд и реализация задаваемых перемещений, усилий и моментов. Она определяет рабочие параметры, характеристики, ресурс и надежность гидравлического привода. Рабочая жидкость служит смазочным и охлаждающим агентом пар трения, средой, удаляющей продукты изнашивания и коррозии, а также обеспечивающей защиту от коррозии при длительной эксплуатации [12, 16].
Совершенствование гидроприводов связано с повышением рабочих давлений, что требует увеличения верхних предельных температур эксплуатации рабочих жидкостей. Наблюдается тенденция интенсификации эксплуатации рабочих жидкостей при уменьшении массы и увеличении удельной мощности привода. Ужесточаются требования по чистоте рабочей жидкости, что обусловлено уменьшением зазоров в сопрягаемых подвижных деталях гидроаппаратов, гидромашин и гидроагрегатов. Рабочая жидкость должна хорошо фильтроваться при наличии фильтрующих устройств в гидросистеме.
Условия, в которых работают гидравлические приводы, и требования, предъявляемые к ним, могут быть самыми разнообразными. Давление, определяемое нагрузкой, составляет от десятых долей до десятков мегапаскалей, расходы рабочей жидкости для обеспечения
заданных скоростей выходного элемента гидродвигателя – от 1 10−5 до 1 10−2 м3/с. Температура окружающей среды колеблется от отрицательной в зимних условиях до 50 °C и выше.
Высокие требования при движении выходных элементов гидродвигателей и подвижных деталей гидроаппаратов предъявляются к точности, которая во многом определяется параметрами рабочей жидкости и их стабильностью в течение срока эксплуатации.
9
Выбор рабочей жидкости обусловливается диапазоном температур, давлением в гидросистеме, скоростями движения исполнительных механизмов, конструкционными материалами и материалами уплотнений, особыми условиями эксплуатации гидросистемы.
От физических, химических и эксплуатационных свойств рабочей жидкости зависят конструктивное исполнение, статические и динамические характеристики гидроаппаратов.
При выборе типа и марки рабочей жидкости необходимо знать ее свойства, параметры и характеристики, а также показатели качества, методы их оценки и диагностирования рабочей жидкости [5, 12].
1.1. Основные физические свойства рабочих жидкостей
Жидкость как любое физическое тело обладает свойством инерционности. Мерой инерции служит масса. Отношение массы тела к его объему определяет физическую величину, называемую плотностью.
Для модели жидкости, сплошь заполняющей пространство (континуум), плотность является функцией координат точки этого пространства и выражается зависимостью
ρ = lim |
∆M |
, |
(1) |
∆V →0 |
∆V |
|
|
где ρ – плотность жидкости; ∆M – приращение массы; ∆V – при-
ращение объема.
Принимая рабочую жидкость гидроприводов практически однородной, зависимость (1) преобразуется к виду
ρ = M /V , |
(2) |
где M – масса; V – объем.
Для сравнения по плотности различных жидкостей используется безразмерная величина относительной плотности δ, равная отноше-
нию плотности ρ данной жидкости к плотности ρв дистиллированной воды при температуре 4 °C:
10