Гидравлические машины.
Гидравлические машины в принципе своей работы основываются на применении закона Паскаля, который говорит, что давление, производимое на жидкость, передается внутри неё во все стороны с одинаковой силой.
В этой статье мы собрали для Вас принцип действия и основные схемы наиболее часто применяемых гидростатических машин.
Содержание статьи
Гидравлический пресс применяется для получения больших сжимающих усилий, которые необходимы, например, для деформации металлов при обработке давлением (прессование, ковка, штамповка), при испытании различных материалов, уплотнении рыхлых материалов и т.д.
Схема и принцип действия
Самая простая схема гидравлической машины, такой как гидравлический пресс состоит из двух цилиндров А и В (малого и большого диаметра), соединенных между собой трубкой С. Такая схема похожа на работу сообщающихся сосудов.
В малом цилиндре расположен малый поршень гидравлической машины D, соединенный с рычагом ОКМ, имеющим неподвижную шарнирную опору в точке О, а в большом цилиндре – большой поршень гидравлической машины (плунжер) Е, составляющий одно целое с платформой F, на котором расположено прессуемое тело G.
Рычаг приводится в действие вручную или при помощи специального двигателя. При этом поршень D начинает двигаться вниз и оказывать на находящуюся под ним жидкость давление, которое передается на поршень Е и заставляет его вместе со столом двигаться до тех пор, пока тело G не войдет в соприкосновение с неподвижной плитой Н.
При дальнейшем подъеме стола начинается процесс прессования (сжатия) тела G.
Если данное устройство служит не для прессования, а только для поднятия груза, т.е. представляет собой так называемый гидравлический подъемник, то неподвижная плита Н в этом случае оказывается лишней и из конструкции исключается.
Вместе с указанными на схеме частями гидравлический пресс снабжается всасывающим и нагнетательным клапанами, регулирующими работу пресса, и клапаном, предохраняющим его от разрыва при чрезмерном возрастании давления (на схеме клапаны не показаны).
Работу гидравлического пресса объясняет закон Паскаля. В котором говорится о гидростатическом парадоксе, когда кружка воды, добавленная в бочку, приводит к ее разрыву.
Сила давления, КПД и формула машины
Установим основные соотношения, определяющие работу пресса. Пусть усилие, действующее на конец М рычага ОКМ, будет называться Q, а плечи рычага ОК = a, КМ = b. Тогда, рассматривая равновесие рычага и составляя уравнение моментов относительно его центра вращения О выводим уравнение
Находим силу передаваемую на поршень D малого цилиндра
и создаваемое в жидкости добавочное гидростатическое давление
где d1 – диаметр малого цилиндра.
Давление ρ передается на поршень Е большого цилиндра, в результате чего полная сила давления на этот поршень, обусловленная силой Q, будет
где d2 – диаметр большого цилиндра.
Из этого выражения видно, что сила P2 может быть получена сколько угодно большой путем выбора соответствующих размеров цилиндров и плеч движущего рычага.
На самом деле действительная сила P2, передаваемая на стол и осуществляющая процесс прессования, оказывается несколько меньше из-за неизбежных потерь энергии на преодоление трения в движущихся частях пресса и утечек жидкости через различные неплотности и зазоры.
Эти потери учитываются введением в формулу коэффициента полезного действия – КПД. Таким образом формула гидравлической машины
Практически этот коэффициент имеет значение от 0,75 до 0,85.
Пример расчета
Для наглядного примера того как работают малый и большой поршень гидравлического машины рассмотрим простой пример.
S1=(F1*S2)/F2=(300*50*10 (-2) )/2000=0.075 м 2 =7,5cм 2
В современных гидравлических прессах можно получить очень большие давления (до 25 000 т.). В таких конструкциях малый цилиндр выполняют обычно в виде поршневого насоса высокого давления, подающего рабочую жидкость (воду или масло) в большой цилиндр (собственно пресс), часто с добавлением в схему специального устройства – гидравлического аккумулятора, выравнивающего работу насоса.
Гидравлический аккумулятор
Как показывает название – гидравлический аккумулятор служит для аккумулирования, т.е. накапливания, собирания энергии. Он применяется на практике в тех случаях, когда необходимо выполнить кратковременную работу, требующую значительных механических усилий, например, поднять большую тяжесть, открыть и закрыть ворота шлюзов и т.п.
Наиболее широкое применение гидравлические аккумуляторы получили при работе гидравлических прессов, используемые здесь как установки, накапливающие жидкость в период холостого хода пресса и отдающие ее при рабочем ходе, когда подача насосов оказывается недостаточной.
Гидравлический аккумулятор состоит из цилиндра А, в котором помещен плунжер В, присоединенный своей верхней частью к платформе С, несущей груз большого веса. В аккумулятор по трубе D насосом нагнетается жидкость (вода или масло), которая поднимает вверх плунжер с грузом. При достижении крайнего верхнего положения насос автоматически выключается.
Обозначим вес плунжера с грузом через G, а его полную высоту подъема через Н. Тогда энергия, запасенная аккумулятором при полном подъеме плунжера, будет равна G*H, а создаваемое им в жидкости гидростатическое давление
где F – площадь сечения плунжера
Под таким постоянным давлением находящаяся в аккумуляторе жидкость подводится по трубе Е к гидравлическим машинам – например, прессовым машинам, обеспечивая тем самым их работу с постоянной нагрузкой.
Гидростатическое давление, создаваемой аккумулятором, будет тем больше, чем меньше площадь сечения плунжера.
Однако при чрезмерном уменьшении сечения плунжера последний может оказаться недостаточно прочным. Поэтому при необходимости получения очень больших давлений применяются так называемые дифференциальные аккумуляторы со ступенчатым поршнем.
В этом случае давление на жидкость, находящуюся в цилиндре А, передается через небольшую площадь кольцевого уступа ступенчатого поршня, пропущенного сквозь обе крышки цилиндра (верхнюю и нижнюю), и следовательно, сечение поршня может быть выбрано такого размера, при котором обеспечивается необходимая прочность.
Гидравлическая турбина
Гидравлические двигатели служат для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию, получаемую на валу двигателя и используемую в дальнейшем для различных целей, в основном для привода рабочих машин.
Наиболее распространенным представителем этой группы является гидравлическая турбина. Гидравлические турбины обычно для устанавливаются на гидроэлектрических станциях, где они служат приводом электрических генераторов.
Энергия воды преобразуется в турбине в механическую энергию на валу. Вал приводит в движение ротор электрогенератора и механическая энергия превращается в электрическую.
Насос
В насосах, применяемых для подъема и перемещения жидкости по трубопроводам, происходит обратный процесс. Механическая энергия, подводимая к насосам от двигателей, приводящих насосы в действие, преобразуется в гидравлическую энергию жидкости.
На рисунке схематично изображены
А – турбинная установка
Б – насосная установка
Насосы это самые распространенная разновидность гидравлических машин. Они применяются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Насосы используются в водоснабжении, отоплении, вентиляции, для работы котельной установки и во многих других областях техники.
Подробная схема работы насоса размещена в этой статье
Гидравлические машины весьма широко используются в настоящее время в нефтяной промышленности. Насосы применяются при транспортировке нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, при бурении нефтяных скважин для подачи в них промывочных растворов и т.д.
Гидравлическое оборудование. Виды и сфера использования
Разновидности гидрооборудования
Для работы современной техники требуется различное гидрооборудование, перечень необходимых устройств может быть очень большим. Для эксплуатации и производства гидравлического оборудования удобно разделить это многообразие на несколько групп.
Рассмотрим подробнее гидравлическое оборудование из представленного списка, попробуем разобраться как оно работает, в каких сферах применяется и на какие характеристики стоит обратить внимание при покупке.
Насосы
В аксиально поршневом гидронасосе поршни установлены вдоль оси вала, линейное перемещение поршней осуществляется за счет наклона блока цилиндров или опорной шайбы относительно оси вращения вала.
Величина хода поршней определяется углом наклона шайбы. Если необходимо изменять рабочий объем насоса, то в аксиально поршневом насосе размещают механизм регулирования угла наклона блока или шайбы, такой насос называют регулируемым. Аксиально-поршневые насосы устанавливают на экскаваторы, подъемно-транспортные машины, спецтехнику, пресса, станки. Гидронасос экскаватора может быть как регулируемым, так и нерегулируемым.
Основными характеристиками гидронасосов являются:
Чтобы купить насос необходимо учесть не только основные характеристики (давление, расход), но и особенности применения насоса, рабочие температуры, параметры рабочей жидкости, требования по шумовым и вибрационным характеристикам, присоединительные размеры.
Купить гидронасос для экскаватора, трактора, пресса, станка и другой техники можно в магазине гидравлики на сайте zkmgidro.ru.
Гидромоторы
Гидромоторы используют для получения вращательного движения исполнительных механизмов. Например, гидромотор экскаватора может приводить во вращение ведущий каток гусениц или использоваться в механизме поворота.
Чтобы выбрать и купить гидромотор нужно знать его марку, или выбрать его по основным характеристикам:
Гидроцилиндры
Гидравлический цилиндр позволяет преобразовать гидравлическую энергию в линейное перемещения. Гидроцилиндры применяют для подъема и опускания рабочих органов экскаваторов, стрел кранов и грузоподъемных механизмов, для зажимания деталей и перемещения инструмента в станках.
Основными характеристиками гидравлического цилиндра являются:
Усилие, развиваемое гидроцилиндром также важнейший параметр, оно определяется площадью поршня и давлением в системе.
Распределители
Основными характеристиками распределителями являются:
Подобрать и купить гидрораспределитель с нужными характеристиками помогут специалисты компании ООО «ЗКМ».
Клапаны
Гидравлические клапаны позволяют получить нужные характеристики потока рабочей жидкости регулировать расход, ограничивать давление системе.
Гидравлический обратный клапан пропускает жидкость только в одном направлении. Он может быть управляемым, тогда при наличии сигнала он открывается и пропускает жидкость, такой клапан называют гидрозамком.
Гидравлический предохранительный клапан ограничивает максимальное давление в системе, защищая гидравлическое оборудование от чрезмерно высокого давления. Предохранительные клапаны устанавливают во все гидравлические приводы начиная от прессов и насосных станций, заканчивая экскаваторами, подъемными машинами, самолетами.
Редукционный клапан позволяет регулировать и поддерживать давление в отводимой от основной линии. Его можно использовать для ограничения усилия зажима деталей на станках.
Тормозной гидравлический клапан необходим для ограничения скорости движения исполнительных механизмов при действии попутной нагрузки. Тормозные клапаны используют в гидроприводах подъемно-трансопртных машин, экскаваторов, мобильной техники.
Подбор клапана осуществляется с учетом расхода рабочей жидкости, рабочего и настраиваемого давления, присоединительных размеров.
Фильтры
Гидравлический масляный фильтр удерживает загрязняющие частицы, которые могут вызвать поломку гидравлического оборудования. В корпусе гидравлического фильтра устанавливается фильтрующий элемент, который и удерживает загрязнения. Со временем фильтроэлемент загрязняется и его необходимо заменить.
Фильтры могут устанавливаться с линиях нагнетания, всасывания, слива. Гидравлический фильтр МТЗ устанавливается в линию слива.
Компания ООО «ЗКМ» поставляет фильтры и фильтрующие элементы во все регионы России, купить гидравлический фильтр можно непосредственно на сайте компании.
Гидравлические машины и оборудование
Гидравлическими машинами называются машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидродвигатель).
Насосы и гидромоторы применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости.
Гидропередачи по сравнению с механическими передачами (муфты, коробки скоростей, редукторы и т.д.) имеют следующие преимущества.
1. Плавность работы.
2. Возможность бесступенчатого регулирования скорости.
3. Меньшая зависимость момента на выходном валу от нагрузки, приложенной к исполнительному органу.
4. Возможность передачи больших мощностей.
5. Малые габаритные размеры.
6. Высокая надежность.
Эти преимущества привели к большому распространению гидропередач, несмотря на их несколько меньший, чем у механических передач КПД.
В современной технике применяется большое количество разновидностей машин. Наибольшее распространение для водоснабжения населения получили лопастные насосы. Рабочим органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо, снабженное лопастями. Лопастные насосы делятся на центробежные и осевые.
В центробежном лопастном насосе жидкость под действием центробежных сил перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.
В осевом лопастном насосе жидкость перемещается в основном вдоль оси вращение рабочего колеса (рис. 7.2). Рабочее колесо осевого насоса похоже на винт корабля. Оно состоит из втулки 1, на которой закреплено несколько лопастей 2. Отводом насоса служит осевой направляющий аппарат 3, с помощью которого устраняется закрутка жидкости, и кинетическая энергия ее преобразуется в энергию давления. Осевые насосы применяют при больших подачах и малых давлениях.
Осевые насосы могут быть жестколопастными, в которых положение лопастей рабочего колеса не изменяется, и поворотно-лопастными, в которых положение рабочего колеса может регулироваться.
Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытеснителями. Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса. Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкости из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).
Классифицируются поршневые насосы по следующим показателям:
1) по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные;
2) по характеру движения ведущего звена: возвратно-поступательное движение ведущего звена; вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы);
3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего действия; двухстороннего действия.
4) по количеству поршней: однопоршневые; двухпоршневые; многопоршневые.
Насос простого действия. Схема насоса простого действия изображена на рис. 7.3. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 3, в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. Поршень при ходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего всасывающий клапан 6 поднимается и жидкость из расходного резервуара 4 по всасывающему трубопроводу 5 поступает в рабочую камеру 7. При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 8 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 9.
Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая производительность в одну секунду будет
Для повышения производительности поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен.
Действительная производительность насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, неплотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры.
Отношение действительной подачи Q к теоретической QT называется объемным КПД поршневого насоса:
Насос двойного действия. Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 7.4), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны. Теоретическая производительность насоса двойного действия будет
т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.
При движении поршня слева направо (см. рис. 7.3) (процесс всасывания) давление в цилиндре насоса резко падает до давления всасывания Pвс по линии аб. Из-за податливости стенок цилиндра и сжимаемости жидкости линия аб не вертикальна, а слегка наклонена и переходит затем в волнистую линию бв. Далее на всасывающей линии поддерживается постоянное давление и линия вг остается практически горизонтальной на протяжении всего хода всасывания. При обратном движении поршня (ход нагнетания) давление в цилиндре от Pвс поднимается до давления Pнагн по прямой гд, наклон которой влево от вертикали объясняется теми же самыми причинами, что и для линии аб. Начало сжатия жидкости сопровождается колебаниями давления в цилиндре (линия де). В дальнейшем давление Pнагн остается неизменным на протяжении всего хода нагнетания (линия еа). При повторном рабочем цикле этот график будет повторяться.
Неисправности, возникающие в гидравлической части поршневого насоса изменяют характер индикаторной диаграммы. Анализируя различные индикаторные диаграммы с теми или иными аномалиями, можно безошибочно сказать о неисправности насоса.
Баланс мощности в насосе наглядно можно представить в виде схемы, представленной на рис 7.7.
Мощность, которая подводится к валу насоса называется подведенной. Она равна произведению крутящего момента на валу на его угловую скорость
Мощность, которую мы получаем от насоса в виде потока жидкости под давлением называется полезной мощностью насоса (в дальнейшем просто мощностью)
Отношение мощности насоса к подведенной мощности называется общим КПД насоса
Потери мощности на внутренние утечки и неполное заполнение камер насоса
Объемный КПД насоса определится из соотношения
Для современных насосов объемный КПД находится в пределах 0,92…0,96. Значения КПД приведены в технических характеристиках насосов.
Механические КПД характеризует потери на терние в подвижных соединениях между деталями насоса. При относительном перемещении соприкасающихся поверхностей в зоне их контакта всегда возникает сила трения, которая направлена в сторону, противоположную движению. Эта сила расходуется на деформацию поверхностного слоя, пластическое оттеснение и на преодоление межмолекулярных связей соприкасающихся поверхностей.
Мощность, затраченная на преодоление сил трения, определяется
Механический КПД определяется из соотношения
Для современных насосов механический КПД также находится в пределах 0,92…0,96.
Гидравлический КПД характеризует потери на деформацию потока рабочей жидкости в напорной камере и на трение жидкости о стенки сосуда. Эти потери примерно на порядок ниже механических потерь на трение и часто в инженерных расчетах не учитываются или объединяются с механическими потерями на трение. В этом случае объединенный КПД называется гидромеханическим.
Мощность, затраченная на гидравлические потери, определится
где PК — давление в напорной камере насоса;
PН — давление в напорной гидролинии на выходе из насоса.
Гидравлический КПД определяется из соотношения
Общий КПД насоса равен произведению КПД объемного, гидравлического и механического
Таким образом, баланс мощности насоса дает представление о потерях, возникающих в насосе, общем КПД и всех его составляющих.
Кроме насосов и гидромоторов существуют и другие разнообразные по конструкции и назначению гидроэлементы. Одни управляют потоком рабочей жидкости, другие служат для обеспечения безотказной работы гидросистем и т.д. Совокупность этих устройств называется гидроприводом и требует отдельного изучения. Все гидроэлементы имеют свое условное обозначение, из которых составляются гидросхемы по аналогии с электрическими схемами.
Ниже приводятся условные обозначения основных гидроэлементов.
На рис. 7.8 изображен составленный из условных обозначений пример гидравлической схемы привода поворота стрелы челюстного погрузчика.
Схема состоит из бака, нерегулируемого гидромотора, трехпозиционного гидрораспределителя, двух регулируемых дросселей с параллельно подключенными к ним обратными клапанами, двух гидроцилиндров, фильтра и предохранительного клапана.
Принцип работы гидропривода заключается в следующем. Из бака рабочая жидкость (масло) забирается насосом и подается к гидрораспределителю. В нейтральном положении золотника гидрораспределителя при работающем насосе на участке трубопровода между насосом и распределителем начинает увеличиваться давление, при этом срабатывает предохранительный клапан и жидкость сливается обратно в бак. При смене позиции золотника (нижняя позиция на схеме) открываются проходные сечения в гидрораспределителе, и жидкость начинает поступать в полости нагнетания гидродвигателей (поршневые полости гидроцилиндров). Из штоковой полости гидроцилиндров масло по гидролинии слива проходит через регулируемые дроссели, гидрораспределитель и, очищаясь фильтром, попадает на слив в бак.
Скорость поступательного движения штоков гидроцилиндров регулируется дросселями. Реверсирование движения штоков осуществляется путем переключения позиций гидрораспределителя. При обратном движении штоков без нагрузки их скорость не регулируется и зависит от расхода рабочей жидкости в штоковые полости. При аварийной остановке штоков (например, непреодолимое усилие) давление в системе возрастает, вызывая тем самым открытие предохранительного клапана и сброс рабочей жидкости в бак.