Низькошвидкісні двигуни

Низькошвидкісні гідравлічні двигуни, завдяки їхнім хорошим моментним характеристикам у діапазоні низьких швидкостей (нижче 150 об/хв) є кращими від механічних або електричних приводів. Обертальний момент має максимальну величину у точці пуску і залишається майже постійним в усьому діапазоні регулювання швидкості (рис. 8.28).

Рис. 8.28. Характеристика

гідравлічного двигуна

Величина обертового моменту залежить від величини робочого тиску.

Серед гідравлічних тихохідних приводів розрізняють поршневі радіальні двигуни і гідравлічні двигуни з регульованою передачею.

Поршневі радіальні двигуни, як і поршневі радіальні помпи, будуються із зовнішньою або внутрішньою опорою поршнів. Двигуни з внутрішньою опорою мають дещо малий момент інерції, їх можна перевантажувати а також вони мають вищу величину максимальної швидкості обертання, ніж двигуни з зовні

Рис. 8.29.Гідравлічний двигун з

зовнішньою опорою поршня

шньою опорою (рис. 8.29). Двигуни з зовнішньою опорою, завдяки гідравлічно зрівноваженому валові, мають вищий термін експлуатації і високу надійність. Обидві конструкції мають великий пусковий момент, високий коефіцієнт корисної дії а також рівномірний, безшумний режим обертання .

Г

Рис. 8.30. Розімкнене і замкнене коло

живлення

ідравлічні двигуни з регульованою передачею виготовляються великими серіями і є дешевшими від поршневих радіальних двигунів. Враховуючи велику кількість можливих з’єднань двигуна і передачі, його можна пристосувати до різних умов експлуатації. Це особливо важливо у випадках , коли регульований високошвидкісний двигун з'єднується з ступінчастою передачею. Умови пуску і рівномірність обертання є гірші ніж у поршневих радіальних двигунів.

Розімкнене і замкнене коло живлення. Гідравлічний двигун встановлюється у розімкнене або замкнене коло живлення (рис. 8.30). У розімкненому колі помпа нагнітає в одному напрямі. Напрям обертання двигуна змінюється розподільником. Гідравлічна рідина повертається назад до резервуару і там охолоджується. Частинки спрацьованих деталей, а також різні забруднення відфільтровуються в резервуарі. У замкненому колі зміна напряму обертання двигуна здійснюється завдяки помпі зі змінною подачею, яка може нагнітати рідину в двох напрямах. У цьому випадку розподільник не потрібний, тому що зміна режиму відбувається дуже швидко. Однак гідравлічна рідина нагрівається значно більше, ніж у розімкненому колі живлення, і тому її частіше потрібно замінювати, враховуючи швидше старіння. Втрати рідини, які викликані просочуванням, компенсуються засмоктуванням оливи з резервуару через трубопроводи з двома зворотними клапанами.

Гідравлічні клапани.

Г

Рис. 8.31. Гніздові клапани

ідравлічні клапани реагують на напрям, величину і тиск об'ємного протікання рідини (потік об'єму ) і таким чином керують положенням, швидкістю і зусиллям гідроциліндра або моментом двигуна.

Розрізняють клапани гніздового і золотникового (повзункового) типів.

Гніздові клапани мають гніздо (сідло) з кільцевою поверхнею стику і елемент, який перекриває гніздо і має форму грибка, тарілки, кульки або конуса (рис. 8.31).

Особливості гніздових клапанів:

• щільно перекривають, забезпечують мінімальне просочування (витікання),

• застосовуються також і для рідин HF (водяної гідравліки),

• нечутливі до забруднень,

• для переналаштування потрібні значні зусилля.

К

Рис. 8.32. Золотниковий клапан

лапани золотникового типу замикають і розмикають канали за допомогою циліндричної поверхні золотника, яка може переміщатися в отворах, просвердлених або проточених в корпусі клапана (рис. 8.32).

Краї золотника, які пересуваються у впускних і випускних каналах клапана, називаються керувальними краями .

Особливості золотникових клапанів:

• на лицеві (головні) поверхні золотника не діє тиск, а отже його можна пересувати (переналаштувати) малими зусиллями;

•

Рис. 8.33.Клапан обмеження тиску

за допомогою простих конструктивних змін, наприклад, застосовуючи інший золотник, можна виконувати інші завдання;

• у зв'язку з наявністю радіального проміжку (допасовування золотник-втулка) виникає просочування;

• на керувальних краях, у зв’язку з великими швидкостями протікання рідини, виникають значні зусилля, викликані зміною прискорення рідини.

Клапани тиску служать для обмеження тиску, вмикання або вимикання виконавчих агрегатів для підтримування постійного робочого тиску.

Клапан для обмеження тиску (запобіжний клапан). Його завданням є захист гідравлічного обладнання від тиску, який перевищує допустимий. Якщо на активну поверхню клапана діє тиск, під дією якого перебуває гідравлічне обладнання, то виникає зусилля. Цьому зусиллю протидіє зусилля відрегульованої пружини (рис. 8.33). На рис. 8.34 показано характеристики запобіжного клапана. Дійс

Рис. 8.34. Характеристики клапана

обмеження тиску

не значення налаштованого тиску залежить від потоку оливи, яка протікає. Нахил характеристики залежить від сталої пружини, яка застосована в клапані. Характеристика має гістерезис, який виникає у зв'язку з тертям рухомого елементу. Якщо пружина не стиснена, то аварійний клапан працює як клапан протікання.

При виборі клапана для обмеження тиску необхідно враховувати максимальний тиск і максимальну інтенсивність протікання.

Підтримування. При навантаженні, що змінюється, може статися стрибкоподібне висування поршня. Протидіє цьому клапан, який обмежує тиск, реалізуючи так зване підтримування (рис. 8.35). Переріз зливного трубопроводу буде відкритий повністю, коли тиск гідравлічної рідини, яка витікає з гідроциліндра досягне значення, при якому відкривається клапан підтримування. Об'єм рідини, яка стиснена між помпою і клапаном, зменшує коливання навантаження гідроциліндра.

Стрибкоподібний рух поршня або циліндра можна зменшити, застосовуючи запобіжний клапан як підтримувальний.

Кріплення. В процесі обробки процес керування кріпленням деталі і її подачею здійснюється тільки одним розподільником (рис. 8.36). Якщо розподільник 1V1 знаходиться в лівому положенні, то живиться гідроциліндр, який кріпить 1A1. Після закріплення деталі наступає зростання тиску. Це викликає відкривання клапана 2V1, який обмежує зусилля кріплення (клапана для обмеження тиску), протікання рідини до гідроциліндра 2A1 і початок руху подачі.

Д

Рис. 8.35. Захист від перевантаження і схема підтримування тиску

воступеневий клапан, який обмежує тиск

При великій інтенсивності протікання рідини або високих вимогах до точності налаштування тиску, клапан безпосередньої дії вже не задовільняє – потрібна була б пружина зі значною жорсткістю. Тому у таких випадках застосовується двоступеневі клапани, які складаються з малого клапана гніздового типу для керування тиском і великого, головного клапана для керування інтенсивністю протікання (рис. 8.37). Гніздовим клапаном з конусним грибком налаштовується на допустимий максимальний тиск. Якщо тиск в обладнанні досягає цього налаштованого найвищого рівня, то рідина через гніздовидний клапан потече у резервуар . На шляху вона мусить протекти через

Рис. 8.36. Попереднє кріплення

дросель (опір), який розміщений в поршеньку головного клапана. Опір дроселя призводить до виникнення різниці тисків, які діють на нижню і верхню активні поверхні поршенька. Ця різниця викликає зусилля, яке діє в протилежному напрямку до дії зусилля пружини і викликає відкривання головного клапана. Рідина у цьому випадку витікає у резервуар і наступає розвантаження обладнання від надлишкового тиску. Після закривання гніздового клапана (у першому ступені) закривається також головний клапан, тому що різниця тисків на дроселі виникає тільки під час протікання.

Двоступеневими клапанами, які обмежують тиск,

Рис. 8.37. Двоступеневий клапан

обмеження тиску

Рис. 8.38. Стежний клапан

можна керувати великою інтенсивністю протікання.

Стежний клапан

В

Рис. 8.39. Стежний клапан в

під’єднувальному режимі

Рис. 8.40. Стежний клапан в режимі

відмикання

двоступеневому комплексі першим ступенем, як і в запобіжному клапані, можна використовувати і інші клапани регулювання тиску (попередні підсилювачі). У стежному клапані перший ступінь вводиться в дію за допомогою рідини, що підводиться керувальним каналом X з зовнішнього джерела (рис. 8.38). Олива, яка витікає з першого ступеня, відводиться у резервуар без тиску зовнішнім каналом.

С

Рис. 8.41. Двоканальний редукційний

клапан

тежний клапан застосовується як під'єднувальний клапан, наприклад, для синхронізації роботи двох незалежних гідравлічних кіл (рис. 8.39). Наприклад: гідроциліндр подачі свердла може розпочати рух лише тоді, коли кріпильний гідроциліндр затиснув оброблювану деталь.

С

Рис. 8.42. Триканальний редукційний

клапан

тежний клапан може використовуватися також як роз'єднувальний клапан, наприклад, при перемиканні системи приводу з швидкості переміщення (високої ) на робочу швидкість (низьку) (рис. 8.40). Для здійснення швидкого переміщення гідравлічна система вимагає великої інтенсивності протікання при низькому тиску, натомість при робочій подачі малої інтенсивності, але при високому тиску. Виходячи з економічної точки зору, ці дві інтенсивності створюють, застосовуючи помпу високого тиску (робоча подача) і помпу, яка виробляє велику інтенсивність протікання (швидка подача). Стежний клапан відмикає помпу швидкої подачі від системи в момент, коли наростає опір на гідроциліндрі (на інструменті), спричинений початком процесу обробки. Зростання опору викликає зростання тиску в каналі поршня помпи. Це зростання тиску перемикає (відкриває) слідкувальний клапан на протікання оливи до резервуару без тиску.

Р

Рис. 8.43. Налаштовування сили

кріплення

едукційні клапани тиску

Всі розглянуті вище клапани, призначені для регулювання тиску, були закриті в некерованому стані і відкривалися в процесі керування. Редукційні клапани (клапани, які понижують тиск) відкриті в некерованому стані.

Д

Рис. 8.44. Розподільний клапан

Рис. 8.45. Двоступеневий

розподільний клапан

воканальні редукційні клапани (редукційні клапани без розвантажувального каналу) утримують постійний робочий тиск за клапаном, в каналі B (рис. 8.41). З гідропроводу А олива втікає до редукційного клапана, де на кільцевій щілині відбувається дроселювання (гашення) протікання, тобто в каналі B створюється нижчий тиск, ніж в гідропроводі А. А якщо зростає тиск в гідропроводі B, то поршеньок клапана піднімається вгору, дроселювальна щілина зменшується і завдяки цьому тиск в гідропроводі B знову знижується. У протилежному випадку дроселювальна щілина збільшується і компенсує зниження тиску. Можливим також є режим, коли сила , яка діє на поршень гідроциліндра, ввімкненого до гідропроводу B, створює в ньому такий високий тиск, що наступає цілковите закривання щілини, і тоді розвантажити систему неможливо. Таке розвантаження системи є необхідним в багатьох випадках. Воно реалізується за допомогою триканальних редукційних клапанів (редукційних клапанів з розвантажувальним каналом) (рис. 8.42).

Редукційні клапани часто застосовуються для створення дотискувальної сили (рис. 8.43). Це є обов'язковим, наприклад, при кріпленні (затисканні ) тонкостінної деталі.

Перетворювачі тиску перетворюють тиск гідравлічної рідини в електричний сигнал. Вони застосовуються як індикатори тиску.

Р

Рис. 8.46. Розподільний клапан 5/2

озподільні клапани.

За допомогою розподільних клапанів (розподільників) змінюють напрям протікання рідини, тобто напрям руху поршня гідроциліндра а також, за використання сигналів „старт-стоп ", змінюють величину переміщення.

Найчастіше застосовують розпо

Розподільні п’ятиканальні клапани

Таблиця 8.1

дільники золотникового типу, які мають просту конструкцію, дають можливість реалізувати багато функцій завдяки розміщеним у корпусі клапана золотникам різної форми (рис. 8.44).

Шляхом зміни золотника можна змінити функцію розподільного клапана 4/3. У першому випадку (рис. 8.44) всі робочі канали в нульовому, некерованому положенні клапана закриті, а в другому випадку вони з'єднані з резервуаром. Вмикати і вимикати розподільні клапани можна механічним, пневматичним, гідравлічним або електромагнітним способом. В аварійних ситуаціях більшістю розподільних клапанів можна керувати в ручному режимі.

Розподільчі клапани з номінальною інтенсивністю вищою від 50 літрів/хв, будуються як двоступеневі (рис. 8.45). Клапан першого ступеня , який називається також пілотом, виробляє зусилля переналаштування, величина якого достатня до подолання сили опору, яка виникає на керувальних краях головного золотника. Там виникають значні зусилля, пов’язані з гідродинамікою потоку рідини.

В п’ятиканальних клапанах, на відміну від чотириканальних, олива, що повертається, направляється до резервуару двома незалежними каналами R і T (рис. 8.46). Такий розподіл є ефективним, бо дозволяє в деяких колах значно спростити системи керування (табл.8.1).

Характеристики протікання розподільного клапана

С

Рис. 8.47. Характеристики протікання розподільного клапана

кривлення, розгалуження, звуження труб або інші елементи, які створюють ефект дроселювання в гідравлічній системі, за аналогією з клапанами, створюють опір для рідини, яка протікає з інтенсивністю Q (рис. 8.47). На клапані виникає спад тиску Δp, який вимірюється як різниця тисків перед і за клапаном. Це спричинює втрату потужності P_втрат, яка перетворюється в тепло і нагріває рідину. Ця втрата потужності розраховується за виразом:

З характеристик протікання Q/Δp розподільника, при заданій номінальній величині клапана NG і відомій інтенсивності протікання Q, можна визначити спад тиску (рис. 8.47).

Відсікальні клапани

Відсікальними клапанами керують інтенсивністю протікання. Такі клапани не потребують сигналів керування, тому що їх завдання полягає в пропусканні рідини тільки в одному напрямку. Найважливішим з них є зворотний клапан, який подібний до зворотного клапана, застосовуваного в пневматиці. Це гніздові клапани з кулькою або з грибком (елементами замикання), які забезпечують дуже щільне замикання.

Керований зворотній клапан

Розподільні клапани, виконані у золотниковій версії, не можуть забезпечити утримування навантаженого поршня у даному положенні у зв'язку з внутрішніми течами між золотником і корпусом, які мають місце у його центральному положенні. Наприклад, якщо це був би підіймач автомобілів, то наступало б повільне опускання піднятого автомобіля. Цьому можна запобігти вмиканням в канал живлення гідроциліндра керованого зворотного клапана (рис. 8.48). Під час висовування поршня потік рідини вільно протікає через зворотний клапан. Якщо розподільний клапан опиниться в центральному положенні, то зворотний клапан наглухо закриває протікання рідини і утримує навантажений поршень у визначеному положенні. Під час повернення поршня тиск в каналі керування Z відкриває клапан, пересуваючи поршень вліво, а він в свою чергу відкриває малий гніздовий клапан, розміщений у відсікальному пристрої. Це призводить до вирівнювання тисків перед і за відсікальним пристроєм, який в цьому режимі можна перемістити назад, приклавши невелике зусилля.

З

Рис. 8.48. Керований зворотний

клапан

Рис. 8.49. Клапан у вигляді пари

зворотніх керованих клапанів

Рис. 8.50. Дроселі типу капіляр і

шаблон

а допомогою двох керованих зворотних клапанів можна утримати навантажений поршень в будь-якому положенні (рис. 8.49).

Аналогічні взаємно-переналагоджувальні зворотні клапани, застосовувані як гідравлічний замок, можуть бути реалізовані в одному корпусі. Щоб їх закривання було щільним, обидва робочі гідропроводи гідроциліндра в середньому положенні розподільника під'єднуються до резервуару.

Клапани, які керують інтенсивністю протікання.

І

Рис. 8.51. Регулювальний шаблонний

поршень

нтенсивність протікання рідини може обмежуватися шляхом зменшення перерізу трубопроводу, через який вона протікає. Це призводить до зменшення швидкості руху виконавчих елементів. З урахуванням конструктивних рішень, розрізняється дроселі типу капіляра або шаблона (рис. 8.50). Властивості шаблонів в меншій мірі ніж у випадку капілярів залежать від в'язкості рідини. На рис. 8.51 показана технічна реалізація дросельного клапана типу шаблон. При протіканні рідини через дросель між втоком і витоком виникає різниця тисків:

О

Рис. 8.52. Характеристика клапана

протікання

б'ємна інтенсивність потоку, який протікає через дросель, визначається залежністю:

α коефіцієнт протікання (0,6 - 0,9)

A₀ площа дроселювального перерізу

ρ в'язкість рідини

q_v об'ємна інтенсивність протікання

На рис.8.52 наведені характеристики протічного клапана. Кожна крива відповідає певному дроселювальному перерізу. Чим менший переріз, тим крутішою є відповідна крива або тим більшим є гідравлічний опір. Разом із зростанням кількості рідини, що протікає, зростає також опір дроселя. На практиці це означає, що при змінному навантаженні виконавчого елемента змінюється також швидкість протікання.

Р

Рис. 8.53. Двоканальний регулятор

протікання

егулятори протікання (регулятори швидкості)

За допомогою двоканальних регуляторів протікання можна керувати швидкістю виконавчих елементів незалежно від їх навантаження. В цьому випадку дросельний клапан з'єднаний з диференціальним, який підтримує постійний спадок тиску Δр на регулювальному шаблоні. Диференціальний клапан складається з золотника і пружини. На вході клапана діє тиск p₁, а на керувальному краю золотника, який утримується пружиною, тиск редукується до величини p₂.

На регулювальному шаблоні виникає різниця тисків Δp = p₂ – p₃, величина якої повинна бути постійною (рис.8.53). На торцеві поверхні золотника діють наступні сили: з лівого боку: , з правого:

в стані рівноваги маємо: