1.4.3 Гидромоторы

Рисунок 10 - Конструкция аксиально-поршневых

гидромоторов типов Г15-2 ... Н (а) и Г15-2 ...М (б)

В станочных гидроприводах преимущественно применяют не­регулируемые аксиально-поршневые гидромоторы, которые в ряде случаев имеют существенные преимущества перед электромото­рами. Гидромоторы в среднем в 6 раз меньше по занимаемому объему и в 4—5 раз по массе. При наибольшей частоте вращения 2500 об/мин. наименьшее значение частоты может составлять от 20 до 30 об/мин, а у гидромоторов специального исполнения от 1 до 4 об/мин и меньше, причем легко осуществимо плавное регу­лирование во всем диапазоне. Время разгона и торможения вала гидромотора не превышает обычно нескольких сотых долей се­кунды; возможны режимы частых включений и выключений, реверсов, изменения частоты вращения.

Крутящий момент гидромо­тора легко регулируется изменением перепада давлений в его камерах. При подходе рабочего органа к упору вращение гидромотора останавливается, а развиваемый им крутящий момент остается неизменным. Закон разгона и торможения приводимого гидромотором рабочего органа может легко изменяться в зависи­мости от профиля кулачка, установленного на рабочем органе и воздействующего на дроссель регулирования частоты вращения гидромотора.

1.4.4 Гидромоторы аксиально-поршневые типа

Г15-2...Н (ГОСТ 21229—75)

Гидромоторы аксиально-поршневые состоят из следующих основных деталей и узлов: ротора 10 (рисунок 10, а) с семью поршнями 17, барабана 7 с толкателями 19, радиально-упорного подшипника 6, вала 1, опирающегося на подшипники 5 и 16, опорно-распределительного диска 13, корпусов 4 и 9, фланца 3 с манжетой 2, пружины // и торцовой шпонки 8.

Масло подводится к гидромотору и отводится от него через два отверстия 15, расположенные в диске 13, причем каждое из отверстий связано с полукольцевым пазом 14, выпол­ненным на рабочей поверхности диска. Утечки из корпуса от­водятся через дренажное отверстие 12.

1.5 Гидроаппаратура

Гидроаппаратами называют устройства, служащие для управле­ния потоками жидкости: изменения или поддержания заданного давления или расхода, а также изменения направления движения потока.

Среди всей массы гидроаппаратов можно выделить три наиболее характерных типа:

1) гидрораспределители, основным назначением которых явля­ется изменение согласно внешнему управляющему воздействию на­правления движения потоков жидкости в нескольких гидролиниях. Наиболее широко применяются золотниковые гидрораспределители;

2) клапаны — устройства, способные изменять проходную пло­щадь, пропускающую поток, под его воздействием. Основное назна­чение клапанов поддерживать в полостях гидросистем давление жидкости в заданных пределах независимо от пропускаемого расхода (напорные и редукционные клапаны), ограничивать в безопасных пределах повышение давления (предохранительные клапаны), допускать движение потока в одном определенном направлении (обрат­ные клапаны);

3) дроссели — регулирующие устройства, способные устанавли­вать определенную связь между перепадом давления до и после дросселя и пропускаемым расходом.

Часто гидроаппараты совмещают функции основных перечис­ленных типов. Например, гидрораспределители кроме распредели­тельных функций часто выполняют функции дросселей, а клапаны используются как элементы, распределяющие потоки.

Гидроаппараты совместно с гидромашинами (насосами и гидро­двигателями) образуют гидросистемы и, в частности, гидропередачи.

1.5.1 Гидрораспределители

Гидрораспределители разделяют по типу запорно-регулирующих элементов на золотниковые, крановые и клапанные.

Отдельно золотниковый распределитель такого типа показан на рисунке 11. Он предназначен для управления движением жидкости по четырем гидролиниям. Распределитель имеет подвижный эле­мент — плунжер 7, расчлененный на запорно-регулирующие звенья 9, 11 и 16, и втулку 8 с окнами 10, 12 и 14.

а – течение через уплотняющую щель; б – течение через рабочую щель; в – разрез по окну

Рисунок 11 – Четырёх щелевой золотниковый

распределитель

Обычно к среднему окну 12 по линии 13 от питающей установки подводится жидкость под давлением . Отверстия 5 и 6 соеди­нены с гидроцилиндром, а окна 10 и 14 — с отводящей линией 15, присоединенной к области слива жидкости, давление в которой мало. Для уменьшения утечек q зазор между плунжером 7 и втулкой 8 должен составлять от 3 до 5 мкм, а размеры звеньев плунжера и окон должны быть такими, чтобы при среднем положении 1' , 2' , 3' , 4' рабочие кромки образовывали перекрытие окон , т. е. рас­пределитель имел положительное перекрытие. В среднем положе­нии он способен с точностью до утечек запирать поршень в гидроцилиндре. При смещении плунжера кромки переходят в положе­ние 1, 2, 3, 4. Кромки 2 и 4 образуют рабочие щели (см. рисунок 11, б).

Кромки 1 и 3 образуют уплотняющие щели (рисунок 11, а) протя­женностью .

1.5.2 Гидроклапаны

Г идроклапаны используются в гидросхемах в качестве автоматических регулирующих устройств. Клапан (рисунок 12) имеет запорно-регулирующий элемент 6, опи­рающийся в закрытом положении на седло 7, направляющую часть 3, обеспечивающую центровку клапана относительно седла, и пружи­ну 2 (чаще с опорным шарниром 1), размещенные в корпусе 4. К ка­мере 5 корпуса присоединены подводящий 8 и отводящий 10 каналы.

Рисунок 12 – Конический клапан прямого действия	а - «конус на кромке»; б - «кромка на конусе»; с - золотникового типа
	Рисунок 13 – Запорно- регулирующие элементы кромочных клапанов

В приведенном клапане открытие z изменяется в результате не­посредственного воздействия потока жидкости пропорционально про­пускаемому расходу Q. Такой клапан называют клапаном прямого действия.

Клапаны гидросистем в отличие от насосных сопри­касаются с седлом по достаточно острой кромке. При таком кон­такте и в случае ограниченного числа рабочих циклов (у насосных клапанов многие миллионы циклов) легче обеспечивается хорошая герметичность закрытого клапана. Основные типы кромочных запорно-регулирующих элементов - «конус на кромке», «кромка на ко­нусе» и золотникового показаны на рисунке 13.

В отличие от насосных клапанов, работающих при малых пере­падах давлений, клапаны гидросистем используются во всем диапазоне давлений , в том числе и при самых высоких давлениях (от 30 до 45 МПа). С ростом давлений увеличивается вероятность работы клапанов в режимах автоколебаний, что нежелательно.

При использовании в гидросистеме клапаны должны обеспечи­вать заданную герметичность, работать без автоколебаний и, что самое главное, иметь характеристику, т. е. зависимость перепада давления р от пропускаемого расхода Q, желаемой фор­мы, которая зависит от свойств проточной части клапана и его пружины.

1.5.3 Гидравлические дроссели

Назначение дросселей — устанавливать желаемую связь между пропускаемым расходом и перепадом давления до и после дросселя. По характеру рабочего процесса дроссели являются гидравлическими сопротивлениями с регламентированными характеристиками. При­менение дросселей в качестве регулирующих элементов требует от них двух качеств:

- возможности получения характеристики, то есть зависимости , желаемого вида;

- сохранения стабильности характеристики при эксплуатации, а именно ее малой зависимости от изменения температуры (от вязкости) жидкости, неподверженность засорениям, облитерации.

Рисунок 14 – Винтовой дроссель	Рисунок 15 – Игольчатый дроссель

Рассмотрим с этих позиций главные типы гидравлических сопро­тивлений и оценим возможность их использования в качестве регу­лирующих дросселей.

Использование в качестве дросселей капилляров, то есть длинных трубок со значительными сопротивлениями трения в зоне ламинар­ного течения позволяет получать дросселирующие элементы с ли­нейной взаимосвязью между расходом Q и потерей р давления, что весьма желательно. Учитывая, что при ограниченной длине дрос­сельных капилляров длина начального участка ламинарного по­тока соизмерима с полной длиной капилляра, линейность указанной взаимосвязи будет приближенной. Поскольку ламинар­ный режим течения устойчив при числе Рейнольдса меньше критического значения: и потери при этом прямо пропорциональны вязкости, линейные ламинарные дроссели применимы только при малых скоростях жидкости, то есть при малых значениях потери р (обычно

р < 0,3 МПа) и в условиях достаточно стабильной температуры при эксплуатации. Ввиду боль­шой длины капилляров их выполняют обычно в виде винтов 1 (рисунок 14) с прямоугольным сечением резьбы в хорошо подогнанной по наружному диаметру гильзе 2. Дроссель на рисунке регулируе­мый. Вращением винтовой головки 3 работающая длина винта l и, следовательно, характеристика дросселя могут изменяться.

На рисунке 15 показан игольчатый регулируемый квадратичный дроссель на базе конусного клапана. Для него действительно урав­нение пропускной способности (3.72) для клапанов [1]. Для плавности регулирования угол конусности запирающего элемента делают по возможности малым (от 10 до 20°).

2 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРОСИСТЕМ

2.1 Общие принципы

построения схемы гидропривода

Станочные гидроприводы можно классифицировать по дав­лению, способу регулирования, виду циркуляции, методам управ­ления и контроля.

По давлению различают гидроприводы низкого (до 1,6 МПа), среднего (от 1,6 до 6,3 МПа) и высокого (от 6,3 до 20 МПа) давлений. Первые применяются, главным образом, в станках для чистовой обработки (шлифовальные, расточные), где имеются незначи­тельные нагрузки и требуется низкий уровень колебаний давления. Приводы среднего давления мощностью до 20 кВт применяются наиболее часто, обеспечивая высокие жесткость и точность; их преимущество — возможность использования дешевых пластин­чатых и шестеренных насосов. Приводы высокого давления на базе поршневых насосов применяют, главным образом, в мощных про­тяжных и строгальных станках, приводы позволяют получить большую выходную мощность при ограниченных размерах гидро­двигателей.

Скорость выходного звена объемного гидропривода может изменяться регулируемыми гидромашинами (насос, мотор) в гид­роприводах с объемным регулированием или с помощью аппаратов, регулирующих расход масла, в гидроприводах с дроссельным ре­гулированием. Первый способ более экономичен, однако в этом случае требуются регулируемые гидромашины, которые сложны по конструкции, более дороги и, как правило, менее долговечны по сравнению с нерегулируемыми. Быстродействие гидроприводов с объемным регулированием ограничивается временем, необхо­димым для изменения подачи насоса или рабочего объема гидромотора, которое может составлять несколько десятых долей се­кунды. При дроссельном способе регулирования в гидросистеме устанавливается регулируемое гидравлическое сопротивление (дроссель или регулятор расхода), которое ограничивает расход масла, поступающего к гидродвигателю. При этом потеря давления в дросселе, равная 1 МПа, вызывает разогрев вытекающего из него потока масла на 0,6 ° С. Однако в этом случае не требуются регулируемые насосы и можно существенно повысить быстродей­ствие привода. Дроссельное регулирование применяется в при­водах мощностью не более

3…5 кВт. Сокращение потерь энергии и одновременно высокое быстродействие можно получить в гидро­приводах с объемно-дроссельным регулированием, в которых регу­лируемые гидромашины (чаще всего насосы) применяются вместе с аппаратами, регулирующими расход масла.

Наибольшее применение в станкостроении получили гидро­приводы с разомкнутой циркуляцией, в которых масло из бака всасывается насосом и из гидросистемы вновь сливается в бак. В гидроприводах с замкнутой циркуляцией масло, сливающееся из гидросистемы, поступает непосредственно во всасывающую ли­нию насоса, куда также подключены напорная линия насоса под­питки и подпорный клапан, регулирующий давление во всасываю­щей линии. В приводах с замкнутой циркуляцией основной насос может быть несамовсасывающим. При применении реверсивного насоса возможен реверс гидродвигателя без направляющих рас­пределителей. Однако использование замкнутой циркуляции тре­бует применения цилиндров с равными (или близкими) рабочими площадями, так как в противном случае подача насоса подпитки может оказаться недостаточной для компенсации разности пото­ков — нагнетаемого в гидросистему и возвращающегося из нее. По методу управления и контроля различают гидроприводы циклового управления (с контролем по пути, давлению или времени), а также гидроприводы со следящим, адаптивным или программ­ным управлением. При наиболее простом и надежном цикловом управлении с контролем по пути команда на выполнение очеред­ного перехода цикла обработки поступает от средств путевого контроля реализации предыдущего перехода (с помощью путевых распределителей, распределителей с электроуправлением от ко­нечных выключателей или датчиков положения рабочих органов). При контроле по давлению режимы движения переключаются с помощью гидроклапанов давления или по командам, поступаю­щим от реле давления. Этот метод часто применяется при работе по жестким упорам, в зажимных механизмах, системах контроля перегрузок и т. п.

Надежность этого метода ограничена в связи с возможностью ложных срабатываний реле давления при наличии гидроударов и пиков давления в гидросистеме. Контроль по вре­мени применяется сравнительно редко, главным образом в слу­чаях, когда определенное время осуществления того или иного перехода цикла оговаривается технологическим процессом об­работки.

Конструкция гидропривода и его основные параметры опреде­ляются типом станка, для которого он предназначен, поэтому раз­работка гидропривода должна начинаться с анализа технического задания (ТЗ). Этот документ составляется ведущим разработ­чиком станка и содержит его общее описание, включая механи­ческую часть, электрические и гидравлические узлы (функцио­нально) с предварительной компоновкой на станке гидродвига­телей, насосной установки, а также указанием возможных мест размещения гидроаппаратуры. В ТЗ приводятся методы управле­ния и контроля, требуемые блокировки, нагрузочные характери­стики и режимы движения (перемещения, скорости, ускорения, пути торможения и разгона) каждого рабочего органа, циклограм­ма рабочего цикла станка, необходимые средства диагностики тех­нического состояния, основные требования надежности, а также, при необходимости, другие сведения (точность, дискретность пе­ремещений, жесткость, вибрации, шум, качество переходных процессов, температура масла, точность гидравлического урав­новешивания, возможности регулировок, необходимость остановок гидродвигателей в промежуточных положениях, время выстоя и др.).

Затем конкретизируют и уточняют ТЗ с учетом специфики гидропривода. В частности, анализируются и согласовываются варианты раз­мещения гидрооборудования. Для удобства обслуживания и безо­пасности наружных утечек удобно располагать гидроаппаратуру непосредственно на панели (или в шкафу) насосной установки, однако в этом случае между установкой и станком появляется большое число трубопроводов. Для сложных гидросистем бывает целесообразнее сгруппировать гидроаппараты на гидропанелях по функциональному назначению, расположить гидропанели вбли­зи исполнительных органов и связать с насосной установкой на­порной, сливной и дренажной линиями.

Далее анализируются различные варианты принципиальной гидросхемы. При этом решаются вопросы тех­ники безопасности, в том числе при различных нарушениях в ра­боте гидрооборудования (случайные падения давления, сгорание обмотки электромагнита, засорение малых отверстий и т. п.); вводятся блокировки, исключающие возможность несовместимых движений, падения вертикально расположенных рабочих органов, включения движений при отсутствии смазки и т. п.; обеспечивается необходимый минимум регулировок.

Особое внимание уделяется сокращению энергетических по­терь. Обычно в гидросистемах станков температура масла не пре­вышает 55 °С и лишь в простейших гидроприводах, к стабильности работы которых не предъявляется высоких требований, может достигать 70 ° С. Поддержание теплового режима гидропривода, в котором имеются значительные потери мощности вследствие дросселирования масла, — весьма сложная техническая проблема, требующая существенного увеличения объема бака или применения эффективной системы искусственного охлаждения. В последнем случае мы сначала впустую тратим мощность в гидроприводе, а затем тратим дополнительную мощность на работу системы ох­лаждения.