2. Достоинства и недостатки гидропривода
Применительно к горным машинам достоинства гидропривода состоят в следующем.
1. Простота получения практически любого вида механического перемещения с независимым расположением выходных элементов, что упрощает компоновку, кинематику и конструкцию горной машины, отличающейся разнообразием видов движения исполнительных органов. Механизмы поступательного движения горных машин являются гидравлическими, а такие сложные системы, как механизированные крепи, не могут быть выполнены без гидропривода.
2. Малая масса и объем, приходящиеся на единицу передаваемой мощности (0,1 - 0,2 кВт/дм3), что обеспечивает повышение энерговооруженности в заданных габаритах горной машины.
3. Возможность бесступенчатого регулирования выходной скорости в широком диапазоне, что обеспечивает эффективность работы горных машин.
4. Возможность создания низкооборотно]го высокомоментного привода, что позволяет исключить большегабаритные механические передачи из конструкции машины.
5. Надежное ограничение в заданных пределах величин нагрузок и простота защиты машины от экстренных перегрузок, что обеспечивает высокую надежность горных машин.
6. Хорошие динамические свойства, высокая частота реверсирования и высокое быстродействие, что существенно упрощает создание систем автоматизированного управления горными машинами.
К недостаткам гидропривода можно отнести:
1. возможность загрязнения и утечек рабочей жидкости, что ухудшает характеристики гидропривода и уменьшает его надежность;
2. жесткие требования к точности изготовления; в связи с этим относительная сложность монтажа и ремонта гидропривода в условиях горного производства;
3. взрыво и пожароопасность в случае применения рабочих жидкостей с горючими свойствами.
Структура гидропривода
Обязательными элементами гидропривода являются насос и гидродвигатель. Насос является источником гидравлической энергии, а гидродвигатель - её потребителем, то есть преобразует гидравлическую энергию в механическую. Управление движением выходных звеньев гидродвигателей осуществляется либо с помощью регулирующей аппаратуры - дросселей, гидрораспределителей и др., либо путём изменения параметров самого гидродвигателя и/или насоса.Также обязательными составными частями гидропривода являются гидролинии, по которым жидкость перемещается в гидросистеме.Критически важной для гидропривода (в первую очередь объёмного) является очистка рабочей жидкости от содержащихся в ней (и постоянно образующихся в процессе работы) абразивных частиц. Поэтому системы гидропривода обязательно содержат фильтрующие устройства (например, масляные фильтры), хотя принципиально гидропривод некоторое время может работать и без них. Поскольку рабочие параметры гидропривода существенно зависят от температуры рабочей жидкости, то в гидросистемах в некоторых случаях, но не всегда, устанавливают системы регулирования температуры (подогревающие или охладительные устройства).
5. Рабочие жидкости гидроприводов
Рабочая жидкость объединяет все преобразующие устройствагидроприводов и является одним из основных его элементов, выполняющим многосторонние функции по передаче энергии, смазке трущихся деталей, т. е. обеспечению работоспособности и надежности работы гидропривода. При выборе рабочей жидкости учитывается комплекс исходных показателей: диапазон и перепад рабочих давлений, температур и скоростей потока, характеристики применяемых материалов, возможность очистки и смены жидкости, ее стоимость и др.Рабочая жидкость в гидроприводе горных машин находится под воздействием изменяющихся в широких пределах давлений, температур и скоростей. Например, давление жидкости в гидроприводе механизированных крепей достигает 60 МПа и более, а скорость движения в отдельных элементах 1200 м/с. Интервал температур, в которых обычно работает гидропривод подземных горных машин, от 10 до 90° С, а гидропривод машиндля открытых работ часто работает в условиях низких температур.
Кроме того, рабочая жидкость гидропривода находится в условиях большой запыленности и повышенной влажности атмосферы. Для обеспечения нормальной работы гидропривода к рабочей жидкости предъявляются следующие требования:
1. хорошие смазочные и устойчивые антикоррозионные свойства с учетом материалов опор и уплотнений гидропривода;
2. инертность по отношению к используемым в гидроприводе материалам, включая металлы, краски, пластмассы и эластичные материалы, и хорошие защитные свойства для защиты материалов от коррозии после слива жидкости;
3. совместимость вязкости жидкости с уплотнительными средствами и зазорами;
4. малое изменение вязкости в широком диапазоне температур и давлений;
5. достаточно широкий диапазон рабочих температур;
6. большой срок службы, устойчивость против окисления, поглощения влаги и воздуха;
7. малая склонность к вспениванию;
8. высокая температура вспышки — огнестойкость и пожаро опасность;
9. безопасность в обращении, т. е. жидкость не должна быть токсичной, особенно в распыленном состоянии и при разложении;
10. хорошая теплопроводность и малая удельная теплоемкость;
11. отсутствие расслаивания или разложения на отдельные фракции при длительном хранении;
12. низкая стоимость и недефицитность;
13. стабильность свойств при эксплуатации и хранении.
Плотность жидкости оказывает большое влияние на величинудавления в гидросистеме, так как только при определенном перепаде давления возможен поток жидкости через конструктивные каналы гидравлических устройств. Чем больше плотность рабочей жидкости, тем больше давления затрачивается на ускорение и торможение потока, при этом нет полезной работы в исполнительном механизме. Для рабочей жидкости с более высокой плотностьюнеобходимо, при прочих равных условиях, для передачи данной
энергии потока применять элементы с большим проходным сечением и, наоборот, для жидкости с меньшей плотностью - элементы с очень небольшими зазорами. Создание элементов с малыми зазорами связано с большими трудностями и требует очень тонкой очистки рабочей жидкости. Исходя из этого в гидроприводах рекомендуется применять рабочие жидкости плотностью (7 - 10) 102 кг/м3.
Вязкость является важнейшей характеристикой жидкости любого назначения и для большей части жидкостей зависит от температуры и давления. Чем больше скорость перемещения исполнительного механизма и чем меньше рабочее давление, тем вязкость жидкости должна быть меньше, так как при большой скорости потока имеют место большие потери давления. При малой скорости перемещения исполнительного механизма и при больших давлениях следует применять более вязкие жидкости, так как с уменьшением вязкости увеличивается величина утечек. Вязкость обычно значительно ограничивает диапазон рабочих температур гидросистемы. Для гидропривода горных машин рекомендуются жидкости, вязкость которых находится в пределах 0,1 - 0,45 Ст, или (1 - 45) - Ю-4м2/с.Сжимаемость жидкости зависит от давления и температуры, однако основное значение имеет температура. Следствием сжимаемости жидкости является запаздывание срабатывания гидравлических механизмов, т. е. снижение их быстродействия. Большое влияние на сжимаемость жидкости оказывает растворенный воздух. Обычно жидкость при комнатной температуре и в состоянии равновесия с окружающей средой содержит по объему от 5 до 15% растворенного воздуха. С увеличением давления количество растворенного воздуха пропорционально возрастает. Растворенный воздух увеличивает сжимаемость жидкости и является причиной возникновения кавитации и пульсации давления, что приводит к снижению срока службы гидравлических устройств.
Подобрать жидкость, полностью отвечающую предъявляемым требованиям, практически трудно. Выбор жидкости следует производить в соответствии с конкретными условиями работы и рекомендациями завода-изготовителя. В качестве рабочей жидкости для гидропривода горных машин
широко используются минеральные масла нефтяного происхождения, которые изготовляются в большом ассортименте. Кислотное число, входящее в характеристику масла, служит мерой установления сроков смены масла.
В гидроприводе механизированных крепей, где циркулируют большие объемы жидкости, применяются водомасляные эмульсии, содержащие 1 - 5% специальной присадки, придающей эмульсии антикоррозийные и смазочные свойства. Эмульсии являются негорючими, маловязкими и дешевыми рабочими жидкостями и имеют основные физические свойства (плотность, вязкость, сжимаемость), близкие к свойствам воды. Из отечественных водных эмульсий наиболее эффективными являются эмульсии на основе присадок Аквол - 3, ВНИИНП - 117, 59 - Ц, Укринол.
ИСПЫТАНИЯ ГИДРОПРИВОДОВ
Испытания являются одним из основных этапов созданияновых и совершенствования применяемых конструкций гидроприводов. В зависимости от поставленной цели испытания могутбыть разделены на две группы:
а) испытание с целью определения рабочих характеристикиуточнения расчетных параметров гидроприводов и соответствиеэтих параметров требованиям технического задания;
б) испытания с целью оценки степени совершенства гидропривода и выявления его недостатков и погрешностей конструктивных параметров. Эти испытания проводятся в процессе разработки новых гидроприводов, при внесении в конструкцию принципиальных изменений и при сравнении различных конструкцийгидроприводов одного назначения.Все виды испытаний гидроприводов на этапе их разработкиможно разделить на стендовые и промышленные. Стендовыеиспытания гидроприводов обычно проводят в режимах их нормальной работы (за исключением ускоренных ресурсных испытаний, где применяются форсированные жесткие режимы), прикоторых проверяются все требуемые технической документациейпараметры гидропривода. Промышленные испытания проводятв естественных условиях в составе рабочей машины.Программа испытаний всегда содержит требования выявленияотказов, обусловленных ошибками при проектировании. Приэтом под отказом понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособности гидропривода.В промышленности широко распространены стендовые ресурсные испытания гидроприводов на режимах, близких к эксплуатационным или на форсированных режимах (ускоренные ресурсныеиспытания). Цель этих испытаний - получение информации о надежности и долговечности гидроприводов. Надежность, в соответствии с ГОСТ 13377 - 75, определяетсякак свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняяво времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимами условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
Долговечностью называется свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ресурс - наработка от начала эксплуатации до наступленияпредельного момента.Надежность гидропривода в период эксплуатации обеспечивается в основном путем планового технического обслуживания.Основными параметрами, определяемыми во время испытанийгидроприводов, являются расход и давление жидкости, передаваемый крутящий момент, частота вращения или скорость перемещения, температура, КПД. При этом используются различные измерительные приборы и оборудование.
Измерительные приборы и оборудование
Измерительные приборы предназначены для определения величин, характеризующих состояние и движение жидкостей прииспытании гидравлических машин и гидроприводов.В зависимости от назначения приборы для измерения гидравлических величин разделяются на показывающие, по которымоценивается значение измеряемой величины только в моментизмерения, и интегрирующие, которые дают суммарное значениеизмеряемой величины за некоторый промежуток времени. Крометого, приборы могут быть самопишущими, которые записываютпоследовательные значения измеряемой величины в течение времени работы прибора. Установка прибора может быть в местезамера или на расстоянии. Последние прибjры называют дистанционными.
Точность измерительных приборов характеризуется классомточности (Ʀ), который выражает наибольшую допустимую погрешность А в процентах от предельного значения А шкалы
Ʀ
= 
100
В производственных условиях обычно применяют приборы класса 0,5 - 6, которые называются техническими. Приборы более высоких классов являются образцовыми и применяются как контрольные.
Измерение высоты уровня жидкости производится приборами,называемыми уровнемерами, которые по принципу действия разделяются на трубчатые (водомерные стекла), игольчатые, поплавковые и др. Измерение трубчатым уровнемеромсводится к определению уровня в трубке, так как давление наповерхности жидкости в резервуаре и в трубке одинаково. Связьвысоты места наблюдения с положением измеряемого уровняжидкости является недостатком этих приборов. Игольчатые ипоплавковые уровнемеры этого недостатка не имеют.
Трубчатая пружина манометра (рис. 173, а) представляетсобой согнутую по дуге окружности полую тонкостенную, запаянную с одного конца трубку, имеющую в сечении овальную форму.Перемещение конца трубки через передаточный механизм рычажного или зубчатого типа передается стрелке шкалы прибора,которая поворачивается на угол, пропорциональный измеряемому давлению.
В
мембранном манометре (рис. 173, б) упругим
элементом является мембрана, представляющая
собой гофрированную металлическую
пластинку. Прогиб пластинки под давлением
жидкости передается через передаточный
механизм стрелке прибора,скользящей
по шкале. Мембранные приборы применяются
дляизмерения давления до 2,5 МПа, а также
для измерения вакуума. Иногда
используют приборыс электрическим
выходом, у которых на выход поступает
электрический сигнал, пропорциональный
давлению на входеманометра. В состав
таких манометров входят электрические
преобразователи. Диапазон измеряемых
давлений у механических манометров
определяется потребностями практики,
а классы точности находятся в пределах
от 0,005 до 6,0, т. е. максимальная погрешность
приборов составляет от 0,005 до 6%.
Рис. 14. Схема механических монометров
Основным недостатком пружинных манометров является не стабильность их показаний, вызываемая износом передаточныхмеханизмов, а также постепенным изменением упругих свойствчувствительного элемента. Поэтому пружинные приборы следуетпериодически проверять и вносить в их показания необходимыепоправки. Для измерения давления при испытаниях применяются также электрические приборы типа проволочных датчиков давления. Их достоинствами является возможность измерения давлений, переменных по времени, а также малые размеры и масса. Скорость потока жидкости измеряется приборами, действие которых основано на гидродинамическом эффекте. Для измерения скорости потока в некоторой точке применяются гидродинамические трубки (см. рис. 18), состоящие из пьезометрической и скоростной трубок. Обычно эти трубки применимы для измерения скорости более 1 м/с.
Для измерения малых скоростей потока применяют термо-электрические анемометры, действие которых основано на использовании зависимости между электрическим сопротивлением проводников и их температурой, изменяющейся при изменениискорости потока. Расход жидкости измеряется приборами, действие которых основано на принципе истечения, наполнения, перепада давления, тахометрическом и др. Мерный бак является наиболее простым устройством для измерения расхода, работающим на принципе наполнения, и представляет собой резервуар, снабженный мерным стеклом со шкалой, отградуированной в единицах объема. Расход жидкости определяется по зависимости
Q
= 
где ΔV - объем жидкости в мерном баке, наполненном за время t.
На рис. 175 приведена схема ротационного счетчика, рабочим органом которого являются две овальные шестерни, заключенные в корпусе. Входящая в корпус жидкость приводит во вращение шестерни, которые за каждый оборот замыкают и выталкивают в трубопровод определенный объем жидкости, учитываемый счетным механизмом. Счетчики с овальными шестернями пригодны для жидкостей с вязкостью от 6·10-2 Ст до 0,6 Ст при расходе до 1000 л/мин. Погрешность этих счетчиков не превышает ±0,5%. В лабораторных стендовых испытаниях для определения расхода широко применяют стандартные объемные гидравлические машины, обычно аксиально-поршневого типа, отличающиеся малыми моментами трения, которыев этом случае работаютв качестве гидромоторовпрактически без нагрузки, а следовательно, при отсутствии утечек. Это позволяет определить расход измерением частоты вращения гидромотора по формуле
Q = qn
где q - рабочий объем машины, который в поршневых машинах может быть определен расчетным путем.
Рис. 17. Схема ротационного расходомера
Тормозные устройства. Качество испытаний во многом зависит от правильного выбора тормозной установки, которая должна обеспечить не только получение устойчивых заданных нагрузок, но и заданных нагрузочных характеристик и точное изменение нагрузок. В качестве тормозных устройств применяются фрикционные, гидравлические и электромагнитные тормоза, машины постоянного тока балансирного типа или любая гидравлическая объемная машина, пригодная для работы в насосном режиме, а также дроссельные устройства.
Рис. 176. Схема гидравлического тормозного устройства
Недостатком тормозных устройств в виде балансирных электрических машин является непригодность их при работе на малых скоростях, а дросселей нестабильность регулирования и большое количество выделяемого при этом тепла. При работе на вязкой жидкости дроссельную нагрузку рекомендуется применять только при малых давлениях насоса (менее 5 МПа). На рис. 176 приведена схема тормоза с объемным насосом, ведущий вал которого жестко связан с валом испытываемой машины. Балансирный статор 1 насоса установлен на качающемся весовом механизме и опирается через рычаг 2 и тягу 3 на опору гидравлической месдозы 4 диафрагмового типа. Путем тарировки манометра в единицах крутящего момента применяемое тормозное устройство позволяет осуществить прямое измерение нагрузки, регулируемой с помощью дросселя 5. В тормозном устройстве без балансирной машины для измерения моментов между машинами устанавливают динамометры крутящих моментов (торсиометры).
Схема расходомера игольчатого типа приведена на рис. 174. В корпусе 1 установлен прозрачный цилиндр 2, внутри которого расположен подпружиненный поршень с внутренним отверстием, через которое проходит коническая игла 4, закрепленная неподвижно. При включении расходомера в работу рабочая жидкость поступает через отверстие а в полость b и, воздействуя на поршень 3, перемещает его, образуя кольцевую щель в центральном отверстии поршня. Размеры щели зависят от расхода через нее жидкости. По величине перемещения торца поршня, которое наблюдают через прозрачную щель, определяют расход жидкости.
Рис. 174. Игольчатый расходомер
ОБЪЕМНЫЕ ГИДРОПРИВОДЫ