Тема 4. Гідроапарати, кондиціонери, гідролінії і робочі рідини.

Класифікація гідроапаратів

Гідроапаратом називають пристрій, за допомогою якого можна змінювати параметри потоку робочої рідини (тиск, витрату, напрямок руху), або підтримувати їх у заданих межах. За принципом дії гідроапарати поділяють на гідроклапани і гідроапарати неклапанної дії - гідророзподільники і гідродроселі. Якщо гідроапарат змінює параметри потоку робочої рідини за рахунок часткового відкривання, або закривання прохідного перерізу, то його називають регулюючим, а якщо за рахунок повного відкривання, або закривання - то направляючим. За конструкцією запірно регулюючого елемента гідроапарати бувають золотниковими, крановими і клапанними. Залежно від здатності регулювання гідроапарати поділяють на регульовані і нерегульовані, за призначенням - на клапани тиску, дроселі, розподільники, зворотні клапани тощо.

Гідравлічні розподільники

Розподільниками називають гідроапарати, призначені для зміни напрямку потоку робочої рідини. За кількістю позицій запірно-регулюючого елемента їх поділяють на дво-, три- і чотирипозиційні, за конструкцією на золотникові, кранові, клапанні.

З олотникові розподільники

За конструкцією регулюючого елемента розподільники бувають з циліндричними і плоскими золотниками (рис. 1.24 а, б). Циліндричний золотник - це плунжер із проточками.

Р озмір зазора між золотником і корпусом розподільника, в якому є спеціальні отвори для підключення гідроліній, не перевищує 4...10 мкм. Двопозиційний розподільник (рис.1.25) призначено для керування гідроциліндром односторонньої дії, три- і чотирипозиційний - гідроциліндром двосторонньої дії. В трипозиційному розподільнику (рис. 1.24) крім нейтрального є ще два крайніх положення золотника, при яких робоча рідина спрямовується в ту чи іншу порожнину гідроциліндра. Чотирипозиційний розподільник відрізняється від трипозиційного тим, що в четвертому положенні золотника штокова та безштокова порожнини гідроциліндра сполучаються між собою і з гідробаком. У цьому положенні масло може перетікати з однієї порожнини гідроциліндра в іншу.

Золотникові розподільники прості за конструкцією, зрівноважені статичними силами тиску, мають невелике тертя, надійні та малочутливі до забруднення масла. Зусилля на рукояті розподільника не перевищує 30 Н.

У більшості гідроприводів доводиться керувати кількома гідрав-лічними двигунами, для кожного з яких передбачається свій розпо-дільник. Багатозолотникові розпо-дільники можуть бути моноблочними, коли всі золотники розміщені в спільному литому корпусі, і секційними, що складаються з окремих секцій, з'єднаних між собою в один блок.

Втрати тиску Δp в каналах розподільника на подолання місцевих опорів дорівнюють:

Δp=ρQ²/(2μS), (1.81)

де Q - витрата масла; μ=0,60...0,62 - коефіцієнт витрати; S - площа щілини, через яку протікає масло; ρ - густина.

Крановий розподільник (рис. 1.26) складається з корпуса 1 і пробки 2, розмір зазора між якими становить 0,01...0,02 мм. Для зменшення тертя пробка може спиратися на підшипники кочення. Недолік кранових розподільників - велике тертя між пробкою і корпусом через несиметричне навантаження пробки. Тому їх застосовують при невеликих робочих тисках (до 10 МПа).

Клапани

Гідроклапаном називають гідроапарат, в якому положення запірно-регулюючого елемента (величина прохідного отвору) змінюється під дією тиску робочої рідини. Вони бувають регулюючими, які змінюють тиск у потоці робочої рідини, і спрямовуючими. До регулюючих клапанів належать запобіжні, переливні та редукційні гідроклапани, до спрямовуючих - зворотний гідроклапан.

Запобіжний клапан призначено для обмеження максимального тиску в системі (рис. 1.27, а). Він вмикається епізодично, коли тиск перевищує максимально припустимий. Тоді запірно-регулюичий елемент стисне пружину, відкриє клапан і частина рідини зіллється в гідробак. Тиск у системі знизиться і клапан знову закриється. Переливний гідроклапан відрізняється від запобіжного лише тим, що він весь час відкритий. За його допомогою у системі за рахунок безперервного зливу рідини підтримується сталий тиск.

Редукційний гідроклапан (рис. 1.27, в) - це регулюючий гідроапарат, який забезпечує після себе сталий тиск p₂, менший від тиску p₁ на вході. Ці клапани застосовуються в гідроприводах, в яких від одного джерела живляться кілька гідродвигунів, причому кожному з них потрібен різний тиск. Клапан складається з корпуса 1, золотника 2, пружини 3 і гвинта 4, за допомогою якого можна регулювати ступінь стиснення пружини. Масло, яке має тиск p₁, подається в порожнину В, а потім проходить через щілину А клапана, що обумовлює зниження тиску через його місцеві втрати. Отже, тиск p₂, у порожнині Б знизиться і його значення буде підтримуватись сталим. При зростанні тиску p₂ золотник 2 автоматично зміститься вправо, стискаючи пружину 3. При цьому щілина В зменшиться, гідравлічний опір збільшиться і тиск p₂ знову зменшиться до розрахункового значення. Якщо p₂ стане меншим від розрахункового значення, золотник 2 під дією пружини 3 зміститься вліво. Щілина В при цьому збільшиться, гідравлічний опір зменшиться і тиск р₂ внаслідок цього збільшиться до розрахункового значення. Рівняння рівноваги золотника

р₂=(F_п+сх)/S (1.82)

де F_п- сила попереднього натягу пружини; с - коефіцієнт пропорційності; х - деформація пружини; S - площа поперечного перерізу золотника. Для еластичної пружини тиск р₂ дорівнює:

p₂=F_п/S. (1.83)

Зворотний гідроклапан (рис. 1.27, б) - це спрямовуючий гідроапарат, призначений для пропускання рідини лише в одному напрямку. Його пружина досить еластична, тому він чинить невеликий гідравлічний опір.

Гідрозамок (рис. 1.27, г) - це керований зворотний клапан, який дає змогу пропускати робочу рідину не тільки в прямому, але і в зворотному напрямках. Поки в порожнину С не буде подано рідину з великим тиском, клапан пропускатиме її лише в одному напрямку (від А до Б). При подачі стисненої рідини в порожнину С поршень 1 стисне пружину 3 і шток 2 відкриє зворотний клапан 4. Тепер роб оча рідина може проходити і в протилежному напрямку (від Б до А).

Дроселі

Дроселем називають регулюючий гідроапарат, що змінює витрату робочої рідини в гідролінії. Він являє собою регульований , або не регульований місцевий опір, витрата рідини через який дорівнює:

, (1.84)

де μ=0,64...0,70 - коефіцієнт витрати; S - площа прохідного отвору; Δp - перепад тиску; ρ - густина рідини.

Я кщо тиск робочої рідини після дроселя не змінюється, а перед дроселем за допомогою переливного клапана підтримується сталий тиск, тобто якщо Δp=const, то і витрата рідини через дросель буде сталою.

За конструкцією запірно-регулюючого елемента дроселі поділяють на золотникові (рис. 1.28, а) і кранові (рис. 1.28, б). В золотниковому дроселі робоча рідина проходить через, щілину між корпусом 1 і золотником 2, довжину якої можна змінювати, зміщуючи золотник вліво або вправо. В крановому дроселі рідина проходить через вузьку щілину між корпусом 1 і порожнистим краном 2. Повертаючи кран у той чи інший бік, змінюємо довжину цієї щілини, а отже, і витрату Q при сталому перепаді тиску Δp.

На рис. 1.28, в показано схему досить поширеного дроселя із зворотним клапаном , який може встановлюватись перед гідроциліндром. Під час робочого ходу поршня гідроциліндра масло тисне на кульку 6, стискає пружину 5, вільно проходить через щілину, що утворилася, і виходить через отвір 4. Назад рідина змушена проникати тільки через вузьку щілину 3 між запірно-регулюючим елементом 2 дроселя і корпусом, оскільки зворотний клапан закривається. Тому витрата рідини, яка надходить в гідроциліндр, а отже, холостий хід поршня здійснюватиметься повільно.

Подільники потоків

Р озглянем схему коли масло подається у два однакових гідроциліндра, поршні яких мають рухатись синхронно, тобто з однаковою швидкістю (рис. 1.29, а). Нехай параметри - L, d, λ, Σ, ζ обох трубо-проводів, по яких масло надходить у гідроциліндри від вузла А, також однакові.

З рівняння Бернуллі можна записати вирази для обчислення тиску у вузлі А:

p_A=p₁+(λL/d+∑ζ)8ρQ²₁/(π²d⁴); (1.85)

p_A=p₂+(λL/d+∑ζ)8ρQ²₂/(π²d⁴), (1.86)

де p₁, p₂ – тиск відповідно в безштокових порожнинах І і ІІ гідроциліндрів; λ, L, d, ζ – відповідно коефіцієнт гідравлічного тертя, довжина, внутрішній діаметр і коефіцієнти місцевих опорів трубопроводів від точки А до гідроциліндрів І і ІІ; ρ – густина робочої рідини; Q₁ і Q₂ – витрати рідини в тих самих трубопроводах.

З їх порівняння виходить, що Q₁=Q₂ лише за умови, коли тиски в обох гідроциліндрах будуть однаковими p₁=p₂; які, в свою чергу дорівнюють: p₁=Р_н1/ F_п1; p₂=Р_н2/ F_п2.

Р_н1, Р_н2 – зусилля які долають штоки гідроциліндрів І і ІІ; F_п1 і F_п2 – ефективні площі тих самих гідроциліндрів.

Тобто, лише за умови, коли Р_н1=Рн₂ поршні рухатимуться синхронно.

Якщо зусилля на штоці одного з гідроциліндрів, наприклад Р_н1, збільшиться (Р_н1> Р_н2, тобто p₁>p₂), то в цей гідроциліндр надходитиме менша кількість масла (Q₁<Q₂), отже, і швидкість поршня цього гідроциліндра знизиться υ₁<υ₂. Для синхронізації руху поршнів обох гідроциліндрів при будь-яких змінах навантажень Р_н1 і Р_н2 застосовують спеціальний гідроапарат, який називають подільником потоків (рис. 1.29, б). Він складається з корпуса 1 і плаваючого циліндричного золотника 2, в каналах якого встановлено дроселі 3 і 4. Принцип його дії наступний: доки тиски в обох гідроциліндрах будуть однаковими (p₁=p₂), золотник 2 займатиме центральне положення в корпусі 1. Витрата рідини Q, що надходить до гідроапарата, поділяється між двома гідроциліндрами порівну. Якщо, наприклад, зусилля Р_н1, а отже, і тиск p₁ збільшиться, то підвищиться і тиск p₁^' у порожнині А, внаслідок чого золотник 2 почне рухатись вправо. Щілина, через яку масло з порожнини Б витискається в гідроциліндр ІІ, при цьому зменшується, тому тиск у порожнині Б зростає. Золотник 2 зупиниться лише тоді, коли тиски в порожнинах А і Б стануть однаковими (p₁^'=p₂^'). Отже, однаковими будуть і витрати масла через дроселі 3 і 4:

; (1.87)

; (1.88)

тобто Q₁=Q₂=0,5Q.

Робочі рідини

Робочі рідини на яких працюють гідравлічні машини в складі об’ємних гідроприводів мають задовільняти наступним вимогам:

1. Мати хороші змащувальні властивості - повинні утворювати на поверхнях деталей, між якими виникає тертя, міцну і стійку плівку, що розділяє ці деталі і запобігає їх безпосередньому контакту.

2. Зміни в’язкості рідини мають бути незначними в широкому діапазоні зміни температури. Якщо при підвищенні температури в’язкість дуже зменшиться, то це призведе до збільшеная витіків рідини через щілини, а отже, і до значного зниження об’ємного ККД. Значне зменшення в’язкості може, також, призвести до сухого тертя між деталями.

3. Повинні мати великий модуль пружності - не повинні стискатися при зростанні навантажень на робочі органи машини.

4. Мають бути хімічно чистими, тобто не містити в собі кислот і луги, які можуть викликати її розпадання, корозію металу, роз’їдання шкіряних і гумових ущільнень. Робоча рідина має бути нейтральною до матеріалів гідроагрегатів, мати високу температуру спалаху і низьку температуру застигання.

5. Не повинні розчиняти в собі у великих кількостях повітря і воду, що спричинює піноутворення, порушує плавність руху і реверс вузлів гідропривода; не повинні містити в собі бруду, піску, тирси, які можуть викликати подряпини і заклинювання поршнів і розподільників, тобто порушити нормальну роботу гідросистеми. Вони мають бути нетоксичними і безпечними у пожежному відношенні.

Всім вказаним вимогам найкраще відповідають нафтові масла - ВМГЗ, МГ-30 та їх замінники.

Кавітація

Робочі рідини гідросистем мають здатність розчиняти гази, зокрема повітря. Об’єм газу, що може бути розчинений в рідині залежить від тиску і об’єму рідини.

Гази в рідині можуть знаходитись також як газоподібні включення. Вони мають вигляд ізольованих бульбашок невеликих розмірів, заповнених парогазовою сумішшю із повітря і пару робочої рідини. Їхні розміри залежать від тиску робочої рідини і можуть швидко змінюватись. З цим пов’язане фізичне явище – кавітація. Кавітація виникає і при роботі гідросистем.

Під кавітацією розуміють процес порушення суцільності рідини, зумовлений локальним падінням тиску. При цьому в цій зоні має місце збільшення або виникнення нових газових бульбашок, з наступним їх руйнуванням (конденсацією) в зонах високого тиску. Це супроводжується місцевими гідравлічними ударами, що призводить до появи вібрацій, шуму, значних втрат енергії, а також до ерозії проточної частини елементів гідропривода.

Кавітація звичайно є небажаним явищем. Вона порушує нормальний режим роботи гідросистеми, може вивести з ладу окремі гідроагрегати, а також зменшує коефіцієнт корисної дії гідропривода.

Кавітація проявляється в насосах, золотникових гідропідсилювачах, клапанах, гідродроселях. Особливо часто кавітація виникає в вхідних трубопроводах насосів.

Фізичні процеси, що відбуваються при кавітації, надзвичайно складні. Кавітаційна порожнина формується за малий проміжок часу (10^-6 …10^-4с). На поверхні порожнини відбувається фазовий перехід з рідкого стану в газоподібний. При цьому навколо порожнини має місце складний напружений стан рідини, що змінює форму порожнини. Всередині порожнини знаходиться газова суміш із пари робочої рідини і повітря. При руйнуванні порожнини має місце миттєва конденсація пари, і частинки рідини швидко рухаються в напрямі до центру порожнини. При цьому виникають швидкістні струмені рідини, а їх взаємодія з твердими стінками або між собою призводить до виникнення значних тисків (200 МПа і вище) і високих температур (1000...1500 ^оС).

Згідно з сучасними уявленнями, явище кавітації має місце тоді, коли тиск в рідині зменшується до деякої межі – так званого тиску кавітації. Тиск кавітації залежить від виду робочої рідини, а також від умов її руху в гідросистемі. Тиск кавітації дещо перевищує тиск насиченого пару рідини, який для робочих рідин гідросистем становить 400...1400 Па.

Рух кавітуючого потоку супроводжується цілим рядом негативних специфічних явищ:

1. При достатньо розвинутій кавітації збільшуються гідравлічні втрати, що приводить до зменшення ККД гідромашини, зменшенню подачі і напору (тиску) і може привести до повного зриву її роботи.

2. При кавітації в гідромашинах виникає різкий шум і збільшується вібрація.

3. Якщо гідромашина або гідроапарат експлуатується в умовах кавітації, то в тих місцях, де захлопуються каверни, через деякий час деформується (зношується) поверхня їх проточних частин.

Кавітаційніе руйнування відбувається головним чином за рахунок механічної дії кавітуючого потоку, що проявляється в вигляді ударів, які є наслідком захлопування каверн поблизу або безпосередньо на поверхні, що обтікається рідиною. Частота цих ударів досягає 20000-50000 в секунду. При цьому можуть проявитися явища втоми металів проточної частини гідромашин, що в свою чергу сприяє їх руйнуванню. Сам процес руйнування часто відбувається у формі викрошування, вибивання окремих кристалів, і поверхня метала становиться губчатою.

Основним засобом запобігання кавітації є підвищення тиску в гідросистемі.

Кондиціонери

Кондиціонерами робочої рідини називають обладнання, яке забезпечує її необхідні показники і стан. До них належать гідробаки, фільтри та теплообмінники.

Гідробаки призначені для зберігання, відстоювання, очистки і часткового охолодження робочої рідини, що циркулює в гідросистемі. Невисокою перегородкою, через яку переливається рідина, гідробаки поділяється на два відсіки: в один із них масло зливається, а з другого - всмоктується насосом. Внаслідок цього збільшується шлях, який проходить рідина, а це сприяє виділенню осадів і кращому охолодженню рідини. Максимальна місткість гідробака W=(1,2...2,0)Q, де Q – об’єм рідини, який насос подає за хвилину. Найбільш раціональною формою гідробака вважається паралелепіпед. Ефективність охолодження рідини в гідробаку визначається відношенням площі охолодження S гідробака до його місткості W. Для паралелепіпеда S/W=6,6/ , для куба S/W=6/ , для циліндра S/W=5,5/ .

Фільтри - це пристрої, призначені для вилучення з масла твердих часток - продуктів зносу деталей гідромашин і гідроапаратів, сторонніх часток, які потрапляють у робочу рідину ззовні, продуктів окислення металів і сплавів. В них очистка рідини відбувається при проходженні її через фільтруючі елементи (сітки, щілини, фільтруючий картон тощо), або під дією відцентрових сил при обертальному русі рідини. Фільтрація має бути настільки тонкою, щоб в результаті неї в рідині залишались тільки найдрібніші частки, розміри яких не перевищували б мінімальних розмірів зазорів між окремими рухомими деталями гідромашин і гідроапаратів (10...50 мкм). Крім твердих часток у робочій рідині з часом накопичуються продукти окислення (смоли), що змінюють її початкові властивості, в першу чергу в’язкість. Тому все масло в гідросистемі періодично треба замінювати.

Найбільш ефективно працюють фільтри, встановлені на всмоктувальній гідролінії, але там можна ставити лише фільтри грубої очистки, які мають найменший гідравлічний опір. Фільтри нормальної та тонкої очистки ставлять на напірних і зливних гідролініях.

Теплообмінники

Якщо температура масла може перевищувати 75...80 °С, коли значно знижується його в’язкість і зростають витіки масла, в гідроприводі ставиться теплообмінник (масляний радіатор). Найчастіше в гідроприводах масло охолоджують за допомогою повітря чи води. Для потреб виробництва випускаються повітряно-масляні теплообмінники здатні щосекунди забирати 18,6 і 37,2 кДж теплоти і пропускати через себе до 5...7 л масла. Площа їх охолодження становить 24 і 52 м².

Гідролінії

Гідролінії (або трубопроводи) призначені для транспортування ро­бочої рідини від одного гідроагрегата до іншого в процесі їх роботи в складі гідросистеми. Їх поділяють на: всмоктувальну (від гідробака до насоса); нагнітальну, або напірну (від насоса до гідродвигуна); і зливну, по якій масло зливається з гідродвигуна в бак. Гідролінії виготовляють з металічних труб та гнучких рукавів. Найчастіше труби з’єднуються за допомогою спеціальних муфт з гумовими ущільненнями.

Розрахунок гідроліній полягає у визначенні необхідного внутрішнього діаметра

, (1.89)

де Q - подача насоса; υ- рекомендована середня швидкість руху рідини, яка становить: для всмоктувальної гідролінії - до 1,5 м/с, напірної - до 6 м/с, зливної - до 2 м/с.

Мінімальна товщина стінки труби δ=pd/(2[σ]), де р - максимальний тиск робочої рідини; d - внутрішній діаметр труби; σ - припустиме напруження (для сталі [σ]=400...500 МПа , для кольорових металів [σ]=200...250 МПа).

Гідроакумулятори

До допоміжних пристроїв відноситься і гідроакумулятори, які являють собою ємності, що служать для накопичення (акумулювання) стиснутої рідини, коли в гідросистемі є її надлишки, з наступним поверненням цієї рідини в гідросистему при її дефіциті.

Акумулятори застосовують для зглажування пульсацій тиску і подачі рідини, для демпферування гідравлічних ударів, компенсації витоку робочої рідини через нещільності, для зменшення споживання енергії насосною установкою в гідросистемах із замкненою циркуляцією робочої рідини.

Запитання для самоконтролю

1. Наведіть класифікацію гідравлічних апаратів

2. Дайте визначення гідророзподільника, як вони класифікуються? Намалюйте схеми розподільників і поясніть принцип роботи.

3. Дайте визначення гідравлічних клапанів, як вони класифікуються?

4. Намалюйте схеми: гідрозамка, запобіжного, редукційного і зворотного клапанів. Позначте основні елементи і поясніть принцип роботи.

5. Дайте визначення гідродроселя, запишіть формулу витрати через нього. Як дроселі поділяються за конструкцією запірно-регулюючого елемента? Намалюйте їх схеми і поясніть принцип роботи.

6. Дайте визначення подільників потоку (синхронизаторів). Намалюйте схему золотникового подільника потоку, поясніть принцип роботи.

7. Яку функцію виконують робочі рідини в складі гідроприводів і яким вимогам повинні відповідати їх властивості?

8. Дайте визначення явищу кавітації. Поясніть її фізичну сутність.

9. Яке обладнання об’ємних гідроприводів відноситься до кондиціонерів робочої рідини? Поясніть які функції виконують кондиціонери і яким вимогам вони повинні відповідати?

10. Які функції в гідросистемі виконують гідролінії, як їх класифікують і в чому заключається їх розрахунок?