Объёмный гидропривод, схема, расчет, принцип действия

Гидроприводы в зависимости от типа используемых в них гидромашин делятся на объёмные гидроприводы и гидродинамические передачи. Объемный гидропривод — это гидропривод, в котором используются объемные гидромашины. Принцип действия объемного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на ее свойстве передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля. Рассмотрим работу простейшего объемного гидропривода, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.

Он состоит из двух гидроцилиндров 1 и 2, расположенных вертикально. Нижние полости в них заполнены жидкостью и соединены трубопроводом.

Пусть поршень гидроцилиндра 1, имеющий площадь S1, под действием внешней силы F1 перемещается вниз с некоторой скоростью V1 При этом в жидкости создается давление P = F1/S1. Если пренебречь потерями давления на движение жидкости в трубопроводе, то это давление передается жидкостью по закону Паскаля в гидроцилиндр 2 и на его поршне, имеющем площадь S2, создает силу, преодолевающую внешнюю нагрузку       F2 = P*S2.

Считая жидкость несжимаемой, можно утверждать, что количество жидкости, вытесняемое поршнем гидроцилиндра 1 (расход Q =V1*S1), поступает по трубопроводу в гидроцилиндр 2, поршень которого перемещается со скоростью V2=Q/S2, направленной вверх (против внешней нагрузки F2). Если пренебречь потерями энергии в элементах гидропривода, то можно утверждать следующее. Механическая мощность N1 = F1*V1, затрачиваемая внешним источником на перемещение поршня гидроцилиндра 1, воспринимается жидкостью, передается ею по трубопроводу и в гидроцилиндре 2 совершает полезную работу в единицу времени против внешней силы F2 со скоростью V2 (реализуется мощность N2 = F2*V2). Этот процесс можно представить в виде следующего уравнения мощностей:

N1=F1*V1=P*S1*V1=P*Q=P*S2*V2=F2*V2=N2

Таким образом, гидроцилиндр 1 в рассмотренном случае работает в режиме насоса, т. е. преобразует механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости, а гидроцилиндр 2 совершает обратное действие — преобразует энергию потока жидкости в механическую работу, т. е. выполняет функцию гидродвигателя. На основании анализа работы этого простейшего объемного гидропривода, а также принимая во внимание задачи, которые необходимо решать по управлению гидроприводом и обеспечению его работоспособности, можно заключить, что реальный объемный гидропривод обязательно должен включать в себя следующие элементы или группы элементов (число перечисленных ниже элементов в составе гидропривода не ограничивается):

энергопреобразователи — устройства, обеспечивающие преобразование механической энергии в гидроприводе: гидромашины, гидроаккумуляторы и гидропреобразователи;

гидросеть — совокупность устройств, обеспечивающих гидравлическую связь элементов гидропривода: рабочая жидкость, гидролинии, соединительная арматура и т.п.;

кондиционеры рабочей среды — устройства для поддержания заданных качественных показателей состояния рабочей жидкости (чистота, температура и т.п.): фильтры, теплообменники и т. д.;

гидроаппараты — устройства для изменения или поддержания заданных значений параметров потоков (давления, расхода и др.): гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.

По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа:

1. Насосный гидропривод — в нем источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, из которого всасывается насосом) и с замкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гидролинию насоса).

2. Аккумуляторный гидропривод — в нем источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумулятор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например гидропривод рулей ракеты).

3. Магистральный гидропривод — в этом гидроприводе рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с заданным располагаемым напором (энергией).

Гидроприводы подразделяются также по виду движения выходного звена.

Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу. По этому признаку выделяют следующие объемные гидроприводы:

поступательного движения — в них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение;

вращательного движения — в них выходное звено совершает вращательное движение;

поворотного движения — в них выходное звено совершает ограниченное (до 360°) возвратно-поворотное движение (применяются крайне редко).

Если в гидроприводе имеется возможность изменять только направление движения выходного звена, то такой гидропривод называется нерегулируемым. Если в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым.

Объёмный гидропривод | это… Что такое Объёмный гидропривод?

Одноковшовый экскаватор с объёмным гидравлическим приводом

Объёмный гидропривод — это гидропривод, в котором используются объёмные гидромашины ^[1]. Название «объёмный гидропривод» происходит от того, что принцип действия объёмных гидромашин основан на попеременном заполнении рабочего объёма жидкостью и вытеснения жидкости из него. Объёмный гидропривод машин позволяет с высокой точностью поддерживать или изменять скорость машины при произвольном нагружении, осуществлять слежение — точно воспроизводить заданные режимы вращательного или возвратно-поступательного движения, усиливая одновременно управляющее воздействие.

Синоним — гидростатический привод

Область применения

Наиболее широко объёмный гидропривод машин применяется в металлорежущих станках, прессах, в системах управления летательных аппаратов, судов, тяжёлых автомобилей, мобильной строительно-дорожной технике, в системах автоматического управления и регулирования тепловых двигателей, гидротурбин. Реже объёмный Гидропривод машин используется в качестве главных приводов транспортных установках на автомобилях, кранах.

Отличительные особенности объёмного гидропривода перед гидродинамическим

Существует большое количество видов объёмных насосов. Некоторые из них: шестерённые насосы, аксиально-плунжерные, радиально-плунжерные, винтовые, пластинчатые и другие. Они отличаются от гидродинамических насосов тем, что способны работать при очень больших давлениях (до 300 МПа), в то время как гидродинамические (центробежные, осевые и др.) обычно работают при давлениях, не превышающих 1,5 МПа. С другой стороны, скорость и подача жидкости, нагнетаемой объёмными насосами обычно невелики в сравнении со скоростью нагнетаемой жидкости и подачей гидродинамических насосов.

Мощность объёмного гидропривода

Номинальная мощность, в Вт , отдаваемая насосом в гидросистему или потребляемая гидродвигателем из гидросистемы, может быть определена по формуле:

где  — номинальная подача насоса (для гидродвигателя — номинальный расход рабочей жидкости), в м³/с ; — номинальное давление на выходе из насоса (для гидродвигателя — номинальное давление рабочей жидкости на входе в гидродвигатель),в Н/м².

Преимущества объёмного гидропривода перед гидродинамическим

Из приведённой выше формулы для мощности видно, что для обеспечения той же мощности при высоком давлении необходимо обеспечивать ме́ньшую подачу, чем при низком давлении. Поэтому при высоком давлении геометрические размеры всех узлов гидропривода становятся меньше. Поскольку, в отличие от гидродинамических гидромашин, объёмные гидромашины способны работать при высоких давлениях, то и объёмный гидропривод намного компактнее и меньше по массе гидродинамического привода. Это одно из тех обстоятельств, которые обусловили широкое распространение объёмного гидропривода по сравнению с гидродинамическим приводом.

То, почему объёмный гидропривод более компактен по сравнению с гидродинамическим, можно пояснить с помощью аналогии с электрическими сетями. Для передачи электроэнергии по линиям электропередачи электроэнергию преобразуют сначала в энергию высокого напряжения. Повышение напряжения позволяет при той же самой передаваемой мощности пропорционально уменьшить силу тока в линиях электропередачи, а значит позволяет уменьшить сечение кабелей, по которым передаётся электроэнергия, что снижает их массу. Точно так же передача гидравлической энергии по гидролиниям высокого давления (что имеет место в системах объёмного гидропривода) позволяет кратно уменьшить расход жидкости, и уменьшить поперечное сечение гидролиний. Кроме того, меньшую подачу могут обеспечить насосы меньшего размера и т. д. Эта аналогия не является чисто умозрительной: примерно с середины 20-го века интенсивно развивается метод электрогидравлических аналогий, позволяющий производить теоретические исследования гидрооборудования на основе хорошо изученных процессов в электрических сетях (хотя метод существовал и раньше). В свою очередь, то, что объёмные гидромашины способны работать при высоких давлениях, вытекает из принципа их работы и устройства.

КПД объёмного гидропривода

Полный коэффициент полезного действия объёмного гидропривода имеет три составляющие:

где  — гидравлический КПД, который характеризует гидравлические потери в гидроприводе;  — объёмный КПД, характеризующий утечки рабочей жидкости через зазоры и щели между деталями гидрооборудования;  — механический КПД, который характеризует потери на механическое трение деталей гидрооборудования.

Литература

1. Лепешкин А. В., Михайлин А. А., Шейпак А. А. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебник, ч.2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. / под ред. А. А. Шейпака. — М.: МГИУ, 2003. — 352 с.
2. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/ Т. М. Башта, С. С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. — 2-е изд., перераб. — М.: Машиностроение, 1982.
3. Схиртладзе А. Г., Иванов В. И., Кареев В. Н. Гидравлические и пневматические системы. — Издание 2-е, дополненное. М.: ИЦ МГТУ «Станкин», «Янус-К», 2003 г. — 544 с.

Примечания

1. ↑ ГОСТ 17752-81

См. также

• Гидропривод

Определение состояния гидравлического насоса с использованием объемного КПД

Гидравлические насосы преобразуют механическую энергию в гидравлическую. Высокопроизводительный поршневой насос может преобразовывать механическую энергию в гидравлическую с КПД 92%.

Если насос приводит в движение поршневой двигатель, двигатель может преобразовать эту гидравлическую энергию обратно в механическую с КПД 92 процента. Общий КПД этого гидропривода без учета потерь потока составляет 85 процентов (0,92 х 0,92 х 100 = 85).

В таблице 1 показано, какой типичный КПД был бы, если бы коробка передач выполняла такую ​​же передачу привода.

Таблица 1. Типовые коэффициенты полезного действия редуктора

Неэффективность или потери в гидравлическом приводе можно разделить на две категории: гидромеханические, которые включают потери потока и механического трения, и объемные, которые включают потери утечки и сжимаемости (рис. 1).

Рис. 1. Потери в гидравлическом приводе (Bosch Rexroth)

Преимущества гидравлического привода, в том числе высокая удельная мощность (высокая выходная мощность на единицу массы), регулирование скорости, простая защита от перегрузок и как вращательное, так и прямолинейное движение, возможны в одной системе.

Как видно из таблицы 1, основным недостатком гидравлического привода является то, что он гораздо менее эффективен, чем механический привод. Что еще хуже, процесс износа снижает объемный КПД гидравлического привода (и, следовательно, общий КПД), вызывая замедление привода и отдачу большего количества энергии в виде тепла.

Гидравлический насос обычно является самым трудоемким компонентом гидравлической системы. По мере износа насоса в процессе эксплуатации увеличивается внутренняя утечка, и поэтому процент теоретического расхода, доступного для выполнения полезной работы (объемный КПД), уменьшается. Если объемная эффективность падает ниже уровня, который считается приемлемым для применения, насос необходимо отремонтировать.

В условиях технического обслуживания по состоянию решение о замене насоса часто основывается на оставшемся сроке службы подшипника или ухудшении объемного КПД, в зависимости от того, что произойдет раньше.

Объемный КПД — это процент теоретического расхода насоса, доступный для выполнения полезной работы. Другими словами, это мера объемных потерь гидравлического насоса из-за внутренней утечки и сжатия жидкости. Он рассчитывается путем деления фактической производительности насоса в литрах или галлонах в минуту на ее теоретическую производительность, выраженную в процентах. Фактическая производительность определяется с помощью расходомера для загрузки насоса и измерения его расхода.

Поскольку внутренняя утечка увеличивается по мере увеличения рабочего давления и снижения вязкости жидкости, эти переменные следует учитывать при определении объемного КПД. Например, гидравлический насос с теоретической производительностью 100 галлонов в минуту и ​​фактической производительностью 94 GPM при 5000 фунтов на квадратный дюйм и 46 сСт имеют объемную эффективность 94 процента при 5000 фунтов на квадратный дюйм и 46 сСт.

На практике вязкость жидкости определяется путем определения температуры жидкости, при которой измеряется фактическая производительность насоса, и считывания вязкости с графика температура/вязкость для класса жидкости в гидравлической системе.

Определение эффективности насоса

При расчете объемного КПД насоса переменной производительности внутреннюю утечку следует выражать как константу. Рассмотрим такой пример: недавно меня попросили высказать второе мнение о состоянии большого насоса с регулируемой производительностью. Моему клиенту сообщили, что его объемная эффективность снизилась до 80 процентов, и, основываясь на этом совете, он рассматривал возможность капитального ремонта насоса.

Рассматриваемый гидравлический насос имел теоретическую производительность 1000 литров в минуту при полном рабочем объеме и максимальных оборотах. Его фактическая производительность составляла 920 литров в минуту при 4350 фунтов на квадратный дюйм и 46 сСт. Когда я сообщил своему клиенту, что объемный КПД насоса на самом деле составляет 92 процента, он был встревожен противоречивыми оценками. Чтобы объяснить несоответствие, я попросил показать отчет об испытаниях первого техника.

Изучив этот отчет об испытаниях, я понял, что результаты на самом деле совпадали с моими, но были неправильно интерпретированы. Испытание проводилось при том же рабочем давлении и температуре жидкости в пределах одного градуса от моего собственного испытания, но при уменьшенном рабочем объеме.

Техник ограничил рабочий объем насоса, чтобы обеспечить производительность 400 литров в минуту (предположительно, максимальная производительность его расходомера) при максимальных оборотах и ​​без нагрузки. При 4350 фунтов на квадратный дюйм зарегистрированная производительность составляла 320 литров в минуту. Исходя из этих результатов, объемная эффективность была рассчитана как 80 процентов (320/400 x 100 = 80).

Чтобы понять, почему эта интерпретация неверна, подумайте о различных путях утечки в гидравлическом насосе как о фиксированных отверстиях. Скорость потока через отверстие зависит от диаметра (и формы) отверстия, перепада давления на нем и вязкости жидкости. Это означает, что если эти переменные остаются постоянными, скорость внутренней утечки остается постоянной, независимо от производительности насоса.

Обратите внимание, что в приведенном выше примере внутренняя утечка в обоих тестах составила 80 литров в минуту. Если бы тот же тест был проведен с рабочим объемом насоса, установленным на 100 литров в минуту без нагрузки, производительность насоса составила бы 20 литров в минуту при 4350 фунтов на квадратный дюйм — при прочих равных условиях.

Это означает, что объемный КПД этого насоса составляет 20 % при рабочем объеме 10 %, 80 % при рабочем объеме 40 % и 92 % при рабочем объеме 100 %. Как видите, если фактическая производительность насоса измеряется при меньшем рабочем объеме (или при максимальной частоте вращения), необходимо внести поправки при расчете объемного КПД.

Время капитального ремонта?

При рассмотрении вопроса о необходимости капитального ремонта этого гидравлического насоса важным параметром является объемный КПД при 100-процентном рабочем объеме, который находится в допустимых пределах. Если бы мой клиент основывал свое решение на объемном КПД при 40-процентном рабочем объеме, его компания заплатила бы тысячи долларов за ненужный ремонт.

Об авторе

Гидравлические насосы и двигатели: с учетом эффективности

В условиях технического обслуживания по состоянию решение о замене гидравлического насоса или двигателя обычно основывается на оставшемся сроке службы подшипников или ухудшении эффективности, в зависимости от того, что произойдет раньше.

Несмотря на недавние достижения в области технологий профилактического обслуживания, возможности специалистов по техническому обслуживанию с высокой степенью точности определить оставшийся срок службы подшипников насоса или двигателя остаются труднодостижимыми.

С другой стороны, снижение эффективности легко обнаружить, поскольку оно обычно проявляется в увеличении продолжительности цикла. Другими словами, машина тормозит. Когда это происходит, количественная оценка потери эффективности не всегда необходима. Если машина замедляется до такой степени, что время ее цикла становится неприемлемо медленным, насос или двигатель заменяются. Конец истории.

Однако в определенных ситуациях может быть полезно, и даже необходимо, количественно оценить фактическую эффективность насоса или двигателя и сравнить ее с собственной эффективностью компонента. Для этого важно понимать рейтинги эффективности гидравлического насоса и двигателя.

Для описания гидравлических насосов (и двигателей) используются три категории КПД: объемный КПД, механический/гидравлический КПД и общий КПД.

Объемный КПД определяется путем деления фактического расхода, подаваемого насосом при заданном давлении, на его теоретический расход. Теоретический расход рассчитывается путем умножения рабочего объема насоса за один оборот на его приводную скорость. Таким образом, если насос имеет рабочий объем 100 см3/об и работает со скоростью 1000 об/мин, его теоретический расход составляет 100 литров в минуту.

Фактический расход должен быть измерен с помощью расходомера. Если при испытании указанный выше насос имел фактический расход 90 литров в минуту при 207 бар (3000 фунтов на кв. дюйм), мы можем сказать, что объемный КПД насоса составляет 90 % при 207 бар (90 / 100 х 100 = 90%).

Его объемная эффективность чаще всего используется в полевых условиях для определения состояния гидравлического насоса на основе увеличения его внутренней утечки из-за износа или повреждения. Но без ссылки на теоретический расход фактический расход, измеренный расходомером, был бы бессмысленным.

Механический/гидравлический КПД насоса определяется путем деления теоретического крутящего момента, необходимого для его привода, на фактическое крутящий момент, необходимый для привода. Механический/гидравлический КПД, равный 100 %, означает, что если насос подает поток при нулевом давлении, то для его приведения в действие не требуется силы или крутящего момента. Интуитивно мы знаем, что это невозможно из-за механического и жидкостного трения.

Таблица 1. Типичный общий КПД гидравлических насосов, как показано выше, является просто произведением объемного и механического/гидравлического КПД. Источник: Bosch Rexroth

Как и теоретический расход, можно рассчитать теоретический крутящий момент привода. Для вышеупомянутого насоса в единицах СИ: 100 см3/об x 207 бар / 20 x p = 329 ньютон-метров. Но, как и фактический расход, необходимо измерять фактический крутящий момент привода, а для этого требуется использование динамометра. Это не то, что мы можем или должны делать в полевых условиях. Однако для целей этого примера предположим, что фактический крутящий момент составляет 360 Нм. Механический КПД составит 91 % (329/360 x 100 = 91 %).

Общий КПД – это просто произведение объемного и механического/гидравлического КПД. Продолжая приведенный выше пример, общий КПД насоса составляет 0,9 х 0,91 х 100 = 82%. Типичный общий КПД для различных типов гидравлических насосов показан в таблице 1.

Разработчики систем используют значение объемного КПД производителей насосов для расчета фактического расхода, который может обеспечить насос заданного рабочего объема, работающий при определенном давлении.

Как уже упоминалось, объемный КПД используется в полевых условиях для оценки состояния насоса на основе увеличения внутренней утечки из-за износа или повреждения.

При расчете объемного КПД на основе фактических испытаний потока важно помнить, что различные пути утечки внутри насоса обычно постоянны. Это означает, что если расход насоса проверяется при меньшем рабочем объеме (или максимальном числе оборотов в минуту), расчетный КПД искажается, если утечка не рассматривается как постоянная величина и не выполняется необходимая регулировка.

Например, рассмотрим насос переменной производительности с максимальным расходом 100 литров в минуту. Если бы он был испытан на расход при полном рабочем объеме и измеренный расход составил 90 литров в минуту, расчетная объемная эффективность составила бы 90 процентов (90/100 x 100). Но если бы тот же насос был испытан на расход при том же давлении и температуре масла, но при половинной производительности (50 л/мин), потери на утечку все равно составили бы 10 л/мин, и, таким образом, расчетный объемный КПД составил бы 80 % (40/мин). 50 х 100).

Второй расчет на самом деле не является неверным, но он требует уточнения: этот насос имеет 80-процентную эффективность при половинном рабочем объеме . Поскольку потери на утечку 10 литров в минуту почти постоянны, один и тот же насос, испытанный в тех же условиях, будет иметь КПД 90 % при 100-процентном рабочем объеме (100 л/мин) и 0-процентный КПД при 10-процентном рабочем объеме (10 л/мин). ).

Чтобы понять, почему утечка в насосе при заданном давлении и температуре практически постоянна, представьте различные пути утечки в виде фиксированных отверстий. Скорость потока через отверстие зависит от диаметра (и формы) отверстия, перепада давления на нем и вязкости жидкости. Это означает, что если эти переменные остаются постоянными, скорость внутренней утечки остается постоянной, независимо от рабочего объема насоса или скорости вала.

Общий КПД используется для расчета мощности привода, необходимой насосу при заданном расходе и давлении. Например, используя общий КПД из приведенной выше таблицы, рассчитаем требуемую мощность привода для насоса с внешним зацеплением и поршневого насоса с изогнутой осью при расходе 90 л/мин при давлении 207 бар:

Внешний шестеренный насос: 90 x 207 / 600 x 0,85 = 36,5 кВт

Поршневой насос с изогнутой осью: 90 x 207 / 600 x 0,92 = 33,75 кВт

Как и следовало ожидать, более эффективный насос требует меньшей мощности привода для того же расхода и давления на выходе. Приложив немного больше математики, мы можем быстро рассчитать тепловую нагрузку каждого насоса:

Мощность привода для (несуществующего) насоса с КПД 100% будет равна: 90 x 207 / 600 x 1 = 31,05 кВт

Таким образом, при таком расходе и давлении тепловая нагрузка или мощность, теряемая на тепло каждого насоса, составляет:

Шестеренный насос с внешним зацеплением: 36,5 – 31,05 = 5,5 кВт

Поршневой насос с изогнутой осью: 33,75 – 31,05 = 2,7 кВт

Неудивительно, что для системы с шестеренчатыми насосами и двигателями требуется теплообменник большего размера, чем для эквивалентной (при прочих равных условиях) системы, состоящей из поршневых насосов и двигателей.