Объемный гидропривод, принцип действия и основные понятия

Гидроприводы
в зависимости от типа используемых в
них гид­ромашин делятся на объемные
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. 5.1. 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
р =
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
= pS₂.

Считая
жидкость несжимаемой, можно утверждать,
что коли­чество жидкости, вытесняемое
поршнем гидроцилиндра 1 (расход Q
= v₁S₁),
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
= F₁v₁,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
= F₂v₂).
Этот процесс
можно представить в виде следующего
уравнения мощностей:

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
основание анализа работы этого простейшего
объемного гидроприво-да, а также принимая
во внимание задачи, которые

Рис.
5.1. Принципиальная схема простейшего
объемного гидропривода: 1- гидроцилиндр,
работающий в режиме насоса; 2- гидроцилиндр,
работающий в режиме гидравлического
двигателя

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 гид­ ролинию 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.

Основные
преимущества и недостатки объемных
гидроприводов

Регулируемые
объемные гидроприводы широко используются
в качестве приводов станков, прокатных
станов, прессового и ли­тейного
оборудования, дорожных, строительных,
транспортных и сельскохозяйственных
машин и т. п. Такое широкое их применение
объясняется рядом преимуществ этого
типа привода по сравне­нию с механическими
и электрическими приводами. Основные
из этих преимуществ следующие.

1. Высокая
   удельная мощность гидропривода, т.е.
   передаваемая мощность, приходящаяся
   на единицу суммарного веса элементов.
   Этот параметр у гидравлических приводов
   в 3…5 раз выше, чем у электрических,
   причем данное преимущество возрастает
   с ростом передаваемой мощности.

2. Относительно
   просто обеспечивается возможность
   бесступен­чатого регулирования
   скорости выходного звена гидропривода
   в широком диапазоне.

3. Высокое
   быстродействие гидропривода. Операции
   пуска, ре­верса и останова выполняются
   гидроприводом значительно быст­рее,
   чем другими приводами. Это обусловлено
   малым моментом инерции исполнительного
   органа гидродвигателя (момент инер­ции
   вращающихся частей гидромотора в 5…
   10 раз меньше соот­ветствующего момента
   инерции электродвигателя).

4. Высокий
   коэффициент усиления гидроусилителей
   по мощ­ности, значение которого
   достигает «10⁵,

5. Сравнительная
   простота осуществления технологических
   опе­раций при заданном режиме, а также
   возможность простого и на­дежного
   предохранения приводящего двигателя
   и элементов гид­ропривода от перегрузок.

6. Простота
   преобразования вращательного движения
   в возврат­но-поступательное.

7. Свобода
   компоновки агрегатов гидропривода.

Наряду
с отмеченными достоинствами гидропривода,
при его проектировании или решении
вопроса о целесообразности его
использования следует помнить также и
о недостатках, присущих этому типу
привода. Эти недостатки обусловлены в
основном свойствами рабочей среды
(жидкости). Отметим основные из этих
не­достатков.

1. Сравнительно
   невысокий КПД гидропривода и большие
   по­тери энергии при ее передаче на
   большие расстояния.

2. Зависимость
   характеристик гидропривода от условий
   эксплуатации (температура, давление).
   От температуры зависит вязкость рабочей
   жидкости, а низкое давление может стать
   причиной воз­никновения кавитации
   в гидросистемеиливыделения из жидкости
   растворенных газов.

3.
Чувствительность к загрязнению рабочей
жидкости и необхо­димость достаточно
высокой культуры обслуживания. Загрязнение
рабочей жидкости абразивными частицами
приводит к быстрому износу элементов
прецизионных пар в гидравлических
агрегатах и выходу их из строя.

4.Снижение
КПД и ухудшение характеристик гидропривода
по мере выработки им или его элементами
эксплуатационного ресурса. Прежде всего
происходит износ прецизионных пар, что
приводит к увеличению зазоров в них и
возрастанию утечек жидкости, т. е.
снижению объемного КПД.

Таким
образом, гидравлические приводы имеют,
с одной сторо­ны, неоспоримые
преимущества по сравнению с другими
типами приводов, а с другой стороны —
существенные недостатки. В связи с этим
перед специалистами, связанными с
проектированием, изготовлением и
обслуживанием гидроприводов, ставятся
определенные задачи.

Задачами
конструктора при проектировании
гидропривода яв­ляются оптимизация
его схемы, обеспечивающей выполнение
приводом функциональных требований, и
обоснованный выбор элементов гидропривода.

Задачами
технолога при изготовлении элементов
гидропривода являются обеспечение
требуемого высокого качества изготовления,
так как это оказывает колоссальное
влияние на эксплуатаци­онные
характеристики гидропривода. Так, в
прецизионных парах, современных
гидравлических агрегатов зазоры
составляют 5 мкм и г менее. Обеспечить
такую точность достаточно сложно.

В
задачи обслуживающего персонала во
время эксплуатации гидропривода входит
выполнение технических условий и
требова­ний по его эксплуатации,
заключающееся прежде всего в выпол­нении
правил монтажа гидропривода, регулярной
смене фильтру­ющих элементов фильтров
и замене рабочей жидкости, а также при
необходимости в ее доливке. Выполнение
этих требований по­зволяет значительно
продлить срок службы как отдельных
элемен­тов гидропривода, так и всего
гидропривода в целом.

Гидропривод объемного типа – схема, расчет, принцип действия, элементы, основные понятия

В зависимости от типа гидропривода и применяемых в них машин, данные агрегаты подразделяются на гидродинамические передачи и объемные гидроприводы.

Гидропривод объемного типа является гидроприводом, который используют в своей работе объемные машины.

Принципиальность работы такого агрегата, прежде всего, основана на отсутствии сжимаемости рабочей жидкости, а также на присущее ей свойство передавать давление во всех направлениях в соответствии с физическим законом Паскаля.

Необходимо рассмотреть действия элементарного объемного гидропривод, схема которого находиться на рисунке 1.

В конструкцию входит два гидроцилиндра 1 и 2, они имеют вертикальное расположение. Нижние полости в данных цилиндров заполнены рабочей жидкостью, а также соединены трубопроводом.

В случае если поршень гидроцилиндры 1, обладающий площадью S1, под воздействием внешней определенной силы F1 производит перемещение вертикально вниз с определенной скоростью V1. Также при этом в самой жидкости образуется давление P=F1/S1. В случае если пренебречь данными потерями давления на непосредственное передвижение жидкости в трубопроводе, тогда данное давление будет передаваться жидкостью по физическому закону Паскаля во второй гидроцилиндр, а также на его поршень, который имеет площадь S2. Он создаст силу, которая преодолеет внешнюю нагрузку F2=P*S2.

Если считать, что жидкость является несжимаемой, тогда можно утверждать – количество жидкости, которое вытесняется поршнем цилиндра 1 (расход рассчитывается по формуле Q=V1*S1), попадает по трубопроводу в цилиндр гидравлического типа 2, поршень которого двигается при скорости V2=Q/S2. При направлении вверх (в противоположную сторону от внешней нагрузки F2). В случае если пренебречь определенными потерями энергии в части элементов гидропривода, можно дать утверждение следующему. Мощность механическая N1=F1*V1, которая затрачивается внешним источником на движение поршня цилиндра 1, будет восприниматься жидкостью, как передаваемая по трубопроводу, а также в цилиндре 2 будет совершать полезную работу в определенную единицу времени, противодействуя внешней силе F2 при скорости V2 (мощность осуществляется N2=F2*V2). Данный процесс можно оформить в виде следующей записи уравнения мощности: N1=F1*V1=P*S1*V1=P*Q=P*S2*V2=F2*V2=N2.

Другими словами, мы можем сделать вывод, что гидроцилиндр 1 в представленном выше примере действует в режиме насоса, т.е. модифицирует механическую энергию, которую осуществляет привод, в энергию потока действующей жидкости. В то время как гидроцилиндр 2 реализует возвратное действие – модифицирует энергию потока жидкости в работу механического типа, т.е. реализует функцию гидрамотора. На формировании анализа действия данного элементарного гидропривода объемного типа, а также беря во внимание то, что задачи, которые нужно решать по управлению приводом и реализации его работоспособности, существует возможность заключить вывод, что действительный объемный гидропривод должен включать в себя группы или элементы, которые представлены ниже:

· Энергопреобразователи – это тип устройств, которые обеспечивают преобразование энергии механического типа в гидроприводе: гидроаккумулятор, гидромашина, гидропреобразователь.

· Гидросеть – это совокупность устройств, которые обеспечивают гидравлическую связь следующих элементов привода: гидролинии, рабочая жидкость, соединительная арматура и так далее.

· Кондиционеры рабочей среды — данные устройства служат для поддержания определенных показателей состояния рабочей жидкости: теплообменники, фильтры и т.д.

· Гидроаппараты – данные устройства служат для изменения или удержания определенных показателей параметров потоков (расхода, давления и других): гидроклапаны, гидродроссели, гидрораспределители.

Что такое гидравлические силовые агрегаты и как они работают?

Что такое гидравлические силовые установки?

Гидравлические силовые агрегаты (иногда называемые гидравлическими силовыми агрегатами) представляют собой автономную систему, которая обычно включает двигатель, резервуар для жидкости и насос. Он работает для приложения гидравлического давления, необходимого для привода двигателей, цилиндров и других дополнительных частей данной гидравлической системы.

Как работает гидравлический блок питания?

Гидравлическая система использует закрытую жидкость для передачи энергии от одного источника к другому и последующего создания вращательного движения, линейного движения или силы. Силовой блок/агрегат обеспечивает мощность, необходимую для этой передачи жидкости.

В отличие от стандартных насосов, гидравлические силовые агрегаты используют многоступенчатые сети повышения давления для перемещения жидкости и часто включают устройства контроля температуры. Механические характеристики и технические характеристики гидравлической силовой установки определяют тип проектов, для которых она может быть эффективной.

Некоторыми важными факторами, влияющими на производительность гидравлической силовой установки, являются пределы давления, мощность и объем резервуара. Кроме того, его физические характеристики, включая размер, источник питания и мощность накачки, также являются важными факторами. Чтобы лучше понять принципы работы и конструктивные особенности гидроагрегата, может оказаться полезным рассмотреть основные компоненты стандартной модели, используемой в промышленных гидравлических системах.

Конструктивные компоненты гидроагрегата/блока

Большой прочный гидравлический силовой агрегат, предназначенный для работы в различных условиях окружающей среды, будет иметь множество конструктивных характеристик, отличных от типичной насосной системы. Некоторые из стандартных конструктивных особенностей включают в себя:

• Аккумуляторы:  Это контейнеры, которые можно прикрепить к гидравлическим приводам. Они собирают воду из насосного механизма и предназначены для создания и поддержания давления жидкости в дополнение к моторной насосной системе.
• Насосы с электродвигателем:  Гидравлический силовой агрегат может быть оснащен одним насосом с электродвигателем или несколькими устройствами, каждое из которых имеет собственный клапан-аккумулятор. В системе с несколькими насосами обычно одновременно работает только один.
• Резервуары:  Резервуар представляет собой хранилище, спроектированное с достаточным объемом для стекания в него жидкости из труб. Точно так же иногда может потребоваться слить в бак рабочую жидкость привода.
• Фильтры: Фильтр обычно устанавливается в верхней части бака. Это автономный байпасный блок с собственным двигателем, насосом и фильтрующим устройством. Его можно использовать для заполнения или опорожнения резервуара путем активации многоходового клапана. Поскольку они автономны, фильтры часто можно заменять во время работы блока питания.
• Охладители и нагреватели:  В рамках процесса регулирования температуры рядом с блоком фильтров или за ним может быть установлен воздухоохладитель, чтобы предотвратить повышение температуры выше рабочих параметров. Точно так же для повышения температуры при необходимости можно использовать систему отопления, например, нагреватель на масляной основе.
• Контроллеры силовой установки:  Гидравлический контроллер представляет собой интерфейс оператора, содержащий переключатели питания, дисплеи и функции контроля. Он необходим для установки и интеграции силового агрегата в гидравлические системы, и обычно его можно найти подключенным к силовому агрегату.

Как выбрать гидромоторы

Источником энергии или первичным двигателем, связанным с большинством гидравлических силовых агрегатов, является двигатель, который обычно выбирается на основе его скорости, уровня крутящего момента и мощности. Двигатель, размеры и возможности которого дополняют характеристики гидравлического силового агрегата, может свести к минимуму потери энергии и повысить рентабельность в долгосрочной перспективе.

Критерии выбора двигателя зависят от типа используемого источника питания. Например, начальный крутящий момент электродвигателя намного превышает его рабочий крутящий момент, но дизельные и бензиновые двигатели имеют более равномерную кривую зависимости крутящего момента от скорости, обеспечивая относительно стабильный крутящий момент как на высоких, так и на низких рабочих скоростях. Следовательно, двигатель внутреннего сгорания может запускать нагруженный насос, но не обеспечивать достаточную мощность, чтобы довести его до рабочей скорости, если он не соответствует должным образом гидравлической силовой установке.

Размер двигателя

Как правило, номинальная мощность дизельного или бензинового двигателя, используемого с гидравлической силовой установкой, должна быть как минимум в два раза выше, чем у электродвигателя, подходящего для той же системы. Однако стоимость электроэнергии, потребляемой электродвигателем в течение срока его службы, обычно превышает стоимость самого двигателя, поэтому важно найти блок подходящего размера, который не будет тратить энергию впустую. Если давление откачки и расход жидкости установлены постоянными, мощность двигателя можно измерить в соответствии со следующими параметрами:

• Мощность

л.с.

• Галлонов в минуту

• Давление, измеряемое в фунтах на квадратный дюйм (psi)

• КПД механического насоса

В некоторых случаях гидравлической системе могут потребоваться разные уровни давления на разных этапах процесса перекачки, что означает, что мощность в лошадиных силах может быть рассчитана как среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение), и для проекта может быть достаточно двигателя меньшего размера. Тем не менее, двигатель по-прежнему должен соответствовать требованиям к крутящему моменту для самого высокого уровня давления в цикле. После того как среднеквадратичное значение и максимальный крутящий момент (включая начальный и рабочий уровни) рассчитаны, их можно сопоставить с диаграммами производительности двигателя, чтобы определить, соответствует ли двигатель необходимым размерам.

Мощность электродвигателя

Электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания, такие как дизельные или бензиновые двигатели, имеют разные характеристики крутящего момента, что определяет их различную мощность. Типичный трехфазный электродвигатель начинает свою работу с вращения ротора. Когда ротор ускоряется, уровень крутящего момента немного падает, а затем снова увеличивается, когда вращение достигает определенной скорости вращения. Это временное падение известно как «подтягивающий крутящий момент», а максимальное значение обозначается как «пробивной крутящий момент». Когда скорость вращения ротора превышает уровень пробоя, крутящий момент резко уменьшается. Кривая отношения крутящего момента к скорости электродвигателя остается примерно одинаковой независимо от мощности, и он обычно работает с полной нагрузкой, но ниже точки отказа, чтобы снизить риск остановки двигателя.

Мощность бензинового и дизельного двигателя

Двигатели внутреннего сгорания имеют существенно другую кривую отношения крутящего момента к скорости с меньшими колебаниями крутящего момента. Как правило, дизельные и бензиновые двигатели должны работать на более высоких скоростях для достижения необходимого крутящего момента для питания насоса. Номинальная мощность примерно в два с половиной раза выше, чем у аналога с электродвигателем, обычно требуется для двигателя внутреннего сгорания, чтобы достичь уровня крутящего момента, необходимого для гидравлической силовой установки. Производители обычно рекомендуют, чтобы бензиновые или дизельные двигатели работали непрерывно только на части их максимальной номинальной мощности, чтобы продлить срок службы двигателя, а поддержание крутящего момента ниже максимального уровня часто может повысить эффективность использования топлива.

Рабочий процесс гидравлических силовых агрегатов

Когда гидроагрегат начинает работать, шестеренчатый насос откачивает гидравлическую жидкость из бака и перемещает ее в аккумулятор. Этот процесс продолжается до тех пор, пока давление в аккумуляторе не достигнет заданного уровня, после чего заправочный клапан переключает действие насоса, чтобы начать циркуляцию жидкости. Это заставляет насос выпускать жидкость через заправочный клапан обратно в резервуар при минимальном давлении. Специальный односторонний клапан препятствует вытеканию жидкости из аккумулятора, но если давление значительно падает, загрузочный клапан снова активируется, и аккумулятор снова заполняется жидкостью. Дальше по линии клапан пониженного давления регулирует поток масла, поступающего к исполнительным механизмам.

Если аккумулятор оснащен устройством быстрого хода, его можно подключить к другим аккумуляторам, чтобы они также могли заряжать давление. Часто включается автоматический термостат или вентилятор, чтобы снизить температуру. Если жидкость в системе начинает перегреваться, термовыключатель может отключить мотопомпу, что также может помочь наполнить бак, если уровень жидкости в нем слишком низкий. Если гидроагрегат имеет несколько мотопомп, реле потока может чередовать их в случае уменьшения подачи жидкости. Реле давления можно использовать для регулирования давления в аккумуляторе, а система мониторинга может предупреждать операторов, когда давление падает слишком низко, что повышает риск отказа силового агрегата.

Другие гидравлические изделия

• Гидравлические реле давления
• Применение гидравлических шлангов
• Распространенные причины выхода из строя гидравлического уплотнения
• Типы гидравлических фитингов
• Общие сведения о пневматических и гидравлических подъемниках
• Как работают гидравлические домкраты
• В чем разница между гидравликой и пневматикой?

Больше от Electric & Power Generation

Гидравлическая система самолета | AeroToolbox

Гидравлическая система самолета позволяет прикладывать силы, умножать их и передавать из одного места в другое через несжимаемую жидкую среду. Гидравлика является важной системой почти всех современных самолетов. Легкие самолеты в основном используют гидравлику для увеличения и передачи тормозных усилий из кабины на тормозной диск или барабан. Более крупные и сложные самолеты могут использовать гидравлику для приведения в действие шасси, закрылков и поверхностей управления в дополнение к торможению и управлению передним колесом.

Принципы работы гидравлики

Гидравлическая система работает на принципах закона Паскаля и сохранения энергии для передачи силы и смещения из одной точки системы в другую. Основные принципы работы гидравлической системы описаны ниже.

Закон Паскаля

Закон Паскаля гласит, что изменение давления в любой точке содержащейся в нем несжимаемой жидкости должно передаваться по всей жидкости так, чтобы изменение давления происходило везде одинаково .

Это означает, что если давление внутри гидравлической линии изменяется, например, пилот нажимает на педаль тормоза, повышенное давление из-за уменьшения объема в системе будет передаваться одинаково на все точки этой системы.

Рис. 1: Закон Паскаля гласит, что давление одинаково во всех местах гидравлической системы.

Множитель силы

Давление определяется как сила, приходящаяся на единицу площади:

$$ Давление = \frac{Сила}{Площадь} $$

, которое легко переставляется через силу:

$$ Сила = Давление \умножить на Площадь $$

Закон Паскаля гласит, что любое изменение давления в системе будет одинаковым во всей жидкости. Это означает, что входная и выходная сила в гидравлической системе связаны друг с другом отношением их соответствующих площадей цилиндров.

$$ F_{2} = F_{1}\frac{A_{2}}{A_{1}} $$

Рис. 2. Гидравлическая система может действовать как множитель усилия.

Если площадь выходного цилиндра в два раза больше площади входного цилиндра, то выходная сила будет в два раза больше входной силы. Таким образом, гидравлические линии обладают свойством умножать силу; вот как маленький домкрат может поднять большой автомобиль.

Сохранение энергии

Принцип сохранения энергии применительно к гидравлическому цилиндру диктует, что система не может выполнять больше работы, чем . Таким образом, входная и выходная работа должны быть равны для применения закона сохранения.

Механическая работа определяется как приложенная сила, умноженная на смещение, которое объект перемещает в результате действия этой силы.

$$ Работа = Сила \times Перемещение $$

Таким образом, мы можем вывести формулу, описывающую перемещение выходного цилиндра относительно входного цилиндра.

Рисунок 3: Энергия сохраняется в гидравлической системе, так что входная и выходная работа равны.

В случаях, когда площадь выходного цилиндра больше площади входного цилиндра, смещение на выходе будет меньше на отношение площади входа к площади выхода.

Свойства жидкости

Гидравлические системы работают по принципу, что жидкость, в отличие от воздуха, практически несжимаема. Это делает его хорошей средой для передачи и умножения сил. Несжимаемость — не единственное требование к полезной гидравлической жидкости; вязкость, стабильность и тенденция к сопротивлению испарению также важны.

Вязкость

Вязкость определяется как внутреннее сопротивление потоку и является свойством, которое обсуждалось в предыдущих постах в отношении топлива, масла и воды. Жидкость с высокой вязкостью, такая как мед, течет медленно, в то время как масло с низкой вязкостью течет легко. Вязкость жидкости не постоянна, а зависит от температуры. Более низкие температуры увеличивают вязкость, создавая большее сопротивление течению. Более высокие температуры имеют противоположный эффект, снижая вязкость и увеличивая легкость течения жидкости.

Гидравлическая жидкость должна иметь достаточную вязкость, чтобы способствовать смазке и защите всей системы, но не настолько большую, чтобы оказывать сопротивление потоку во время работы. Типичная гидравлическая система состоит из цилиндров, поршней, клапанов и насосов. Если вязкость падает слишком низко, то эти компоненты не будут должным образом герметизироваться, что приведет к утечкам в системе и снижению производительности.

Вязкость также должна учитываться во всем диапазоне рабочих температур самолета, чтобы гарантировать, что система работает должным образом; как в холод, так и в жару и влажную погоду. Стоит отметить, что температура жидкости может не быть постоянной во всех системах, так как могут возникать локальные горячие точки, когда жидкость нагнетается через небольшое отверстие или через набор шестерен или подшипников.

Температура возгорания и вспышки

Свойства жидкости при температуре возгорания и вспышки, которые описывают способность жидкости противостоять высоким температурам и горению. Температура вспышки — это температура, при которой жидкость выделяет достаточно паров для мгновенного воспламенения при воздействии источника воспламенения (искры).

Точка воспламенения возникает при более высокой температуре и представляет собой температуру, при которой присутствует достаточно паров для поддержания горения при воздействии искры или пламени.

Хорошая гидравлическая жидкость имеет высокую температуру воспламенения и воспламенения и не выделяет много паров в обычном диапазоне рабочих температур.

Химическая стабильность

Химическая стабильность относится к способности жидкости противостоять окислению и разрушению в течение типичного срока службы. Важно, чтобы жидкость могла работать в соответствии с проектом в периоды высокой температуры, когда износ жидкости ускоряется.

Жидкость также должна быть устойчива к химическому разложению при контакте с воздухом, водой и другими загрязняющими веществами, которые наиболее распространены при эксплуатации самолета в жарком и влажном климате.

Типы гидравлических жидкостей

Ниже описаны некоторые жидкости, обычно используемые в гидравлической системе самолета.

Жидкости на минеральной основе

Эти жидкости изготовлены на нефтяной основе и окрашены в красный цвет для облегчения идентификации. Жидкости на минеральной основе обычно используются на легких самолетах и ​​должны использоваться вместе с шлангами и уплотнениями из синтетического каучука, чтобы избежать утечек и коррозии.

Полиальфаолефины

Это огнестойкая жидкость, которую можно использовать вместо жидкости на минеральной основе, если принять меры по ограничению ее использования при низких температурах. Вязкость этих жидкостей значительно увеличивается при низких температурах по сравнению с жидкостями на минеральной основе. Всегда обращайтесь к Руководству по эксплуатации вашего пилота за списком разрешенных жидкостей для использования в вашем самолете.

Эфиры фосфорной кислоты

Эфиры фосфорной кислоты преимущественно используются в более крупных транспортных самолетах и ​​были разработаны после Второй мировой войны в ответ на увеличение числа возгораний гидравлических тормозов в результате более высоких посадочных скоростей более современных самолетов. Эти жидкости окрашены в фиолетовый цвет и обладают очень хорошими огнестойкими свойствами.

Проект гидравлической системы самолета

Схематический проект

Гидравлическая система самолета может варьироваться от очень простой: самостоятельная тормозная система на легком самолете до очень сложной. Гидравлическая система коммерческого реактивного авиалайнера состоит из нескольких насосов, резервуаров и каналов для жидкости и обычно приводит в действие систему управления полетом, тормоза, подъемные устройства, спойлеры и рулевое управление носовым колесом.

Рисунок 4: Схема гидравлической системы большого авиалайнера

Независимо от сложности, все гидравлические системы состоят из резервуара для хранения жидкости, насоса (может быть поршень, приводимого в действие силой ноги) для привода системы, клапанов для управления направлением, скоростью и давлением потока жидкости, фильтр для удаления примесей и исполнительный механизм для приложения усилия на выходе.

Схема простой гидравлической системы, прилагающей усилие к одному приводу, показана ниже.

Рисунок 5: Схема простой гидравлической системы самолета.

При срабатывании гидравлической системы насос нагнетает жидкость под давлением на сторону высокого давления исполнительного цилиндра. Это заставляет поршень в цилиндре двигаться в направлении приложенного градиента давления. Жидкость на стороне низкого давления цилиндра вытесняется и возвращается в резервуар через фильтр для удаления любых примесей. В зависимости от типа привода приложенное давление может быть изменено на противоположное для перемещения привода в обоих направлениях.

Системы с открытым центром

Гидравлические системы классифицируются как с открытым центром или с закрытым центром . В системах с открытым центром различные приводы расположены в серии таким образом, что жидкость проходит через каждый селекторный клапан, прежде чем вернуться в резервуар. Жидкость свободно проходит через каждый селекторный клапан, если только клапан не находится в положении, при котором приводится в действие привод, в этом случае привод перемещается по мере того, как давление нагнетается на напорной стороне поршня. Конструкция системы с открытым центром такова, что система находится под давлением только во время работы привода. Когда все приводы не работают, насос может свободно циркулировать по системе.

Системы с закрытым центром

В системе с закрытым центром приводы размещаются параллельно друг другу. Это требует, чтобы выход насоса контролировался, чтобы приспособить разное количество приводов, работающих одновременно. Устройство таково, что система всегда находится под давлением, что приводит к более быстрому отклику при срабатывании исполнительного механизма.

Компоненты гидравлической системы

Типичная гидравлическая система состоит из ряда компонентов, которые работают вместе для обеспечения предсказуемой и воспроизводимой силовой реакции на выходном исполнительном цилиндре.

Резервуары

Резервуар работает как место для хранения гидравлической жидкости в системе. Важно, чтобы в системе присутствовало достаточное количество жидкости для обеспечения адекватной подачи при любых условиях эксплуатации. Жидкость течет из резервуара в систему, где она выполняет необходимые действия, прежде чем вернуться в резервуар. Изменения температуры могут привести к изменению объема жидкости, поэтому резервуар спроектирован так, чтобы действовать как перелив во время работы в горячем состоянии. Избыточная жидкость хранится в резервуаре для уменьшения утечек в системе, которые в противном случае привели бы к остановке работы системы при достижении критического уровня жидкости.

Резервуары без давления выбрасываются в атмосферу, чтобы выпустить весь воздух, попавший в систему. Когда уровень в резервуаре падает, воздух поступает через вентиляционное отверстие, чтобы предотвратить образование вакуума. Резервуары под давлением могут быть необходимы, если самолет работает на очень больших высотах, где положительное давление в резервуаре обеспечивает поступление жидкости в насос на больших высотах, где давление окружающей среды низкое.

Важно максимально уменьшить завихрения и пульсации гидравлической жидкости в резервуаре. Перегородки и ребра обычно включаются, чтобы уменьшить движение жидкости во время полета и свести к минимуму образование пузырьков.

В гидравлическую систему всегда должно быть встроено резервирование, чтобы отказ одного компонента не приводил к отказу всей системы. Первичный гидравлический насос является критически важным компонентом, и поэтому обычно за резервуаром устанавливается аварийный насос, который работает в случае отказа основного насоса. Аварийный насос обычно приводится в действие электричеством и работает от бортовой сети самолета.

Стандартная конструкция резервуара предусматривает два выхода из одного резервуара. Основной насос питается через стояк, который находится над дном резервуара. Если уровень в резервуаре падает ниже уровня стояка, включается аварийная подача, которая подается со дна резервуара. Уровень жидкости может медленно падать из-за необнаруженной утечки, что может привести к полному отказу системы, если оба насоса будут питаться с одного уровня. Подача основного насоса из точки над полом также гарантирует, что загрязняющие вещества не прокачиваются через систему, поскольку эти более тяжелые препятствия должны опускаться на пол под действием силы тяжести.

Рисунок 6: Гидравлический резервуар без давления.

Встроенный резервуар представляет собой автономный блок, который последовательно подключается к системе. В некоторых системах используется встроенный резервуар , где избыточная жидкость хранится в пространстве, выделенном в большом компоненте, который является частью системы. Большой тормозной барабан может, например, выступать в качестве резервуара в небольшой гидравлической системе.

Фильтры

Фильтр необходим в гидравлической системе для удаления любых посторонних частиц или загрязняющих веществ из системы. Во время нормальной работы из-за износа клапанов, насосов и других компонентов мельчайшие частицы металла отрываются и взвешиваются в жидкости. Эти частицы должны быть удалены фильтром, чтобы продлить срок службы различных компонентов и избежать истирания.

Фильтры могут быть установлены в зонах низкого давления системы (обратная линия), в самом резервуаре или на напорной линии. Состав фильтра зависит от места его установки.

Большинство гидравлических систем оснащены перепускным клапаном фильтра. Он откроется под давлением, если фильтр засорится, что гарантирует завершение цикла жидкости и продолжение работы системы.

Насосы

В гидравлической системе требуется насос для питания системы и обеспечения подачи жидкости под давлением к исполнительным механизмам, когда это необходимо. В простейших гидравлических системах насос представлен поршневой и цилиндровой компоновкой, увеличивающей давление жидкости при нажатии. Так работают тормозные системы многих легких самолетов.

Более крупные самолеты используют основной гидравлический насос с приводом от двигателя вместе с дополнительным электрическим насосом в случае отказа основного насоса. Обычно гидравлические системы в этих самолетах приводят в действие не только тормозную систему, но и системы уборки закрылков и шасси.

Некоторые самолеты также снабжены ручным насосом, который можно использовать в аварийной ситуации или когда самолет находится на земле, а двигатель не работает.

Воздушное судно также может быть оборудовано Ram Air Turbine (RAT) , небольшая ветряная турбина, которая запускается в свободном потоке в случае отказа насоса. Затем турбину можно использовать для питания резервного гидравлического насоса в аварийной ситуации, например, при отказе двигателя, что в противном случае привело бы к потере гидравлического давления в системе.

Рисунок 7: Пневматическая турбина Ram, установленная на самолете Airbus A400M

Насосы могут быть классифицированы как объемных или объемных . Объемный насос является наиболее распространенным типом, используемым в гидравлических устройствах, и работает, улавливая фиксированное количество жидкости на входе насоса и нагнетая (вытесняя) этот захваченный объем в нагнетательную трубу на выходе.

Нагнетательный (фиксированный) рабочий объем

Обычным объемным насосом, используемым в гидравлических системах самолетов, является шестеренчатый насос . Эти насосы состоят из двух шестерен, вращающихся в противоположных направлениях, которые зацеплены для создания давления за счет транспортировки фиксированного объема жидкости за один оборот. Насос забирает жидкость со стороны всасывания или входа и транспортирует ее к стороне нагнетания или выхода насоса.

Одна из шестерен приводится в движение авиационным двигателем через вспомогательный привод. Другая шестерня может свободно вращаться и приводится в движение ведущей шестерней. Входная сторона насоса соединена с резервуаром, а выходная — с напорной линией. Жидкость захватывается зубьями на входе, затем проходит вокруг корпуса насоса и осаждается на выходе.

Рис. 8: Анимация шестеренчатого насоса

Шестеренчатые насосы требуют определенной защиты системы, поскольку они будут продолжать подавать жидкость к выпускному отверстию, пока они работают, независимо от выходного давления. Обычно прямо перед насосом устанавливают отсечной клапан, чтобы направить жидкость обратно в резервуар, если давление становится слишком большим.

Переменный рабочий объем

Насос переменного объема подает объем жидкости, пропорциональный потребностям конкретной системы. Компенсатор, встроенный в насос, автоматически регулирует производительность насоса в зависимости от давления в системе. Аналогичным образом действует шестеренчатый насос с клапаном отсечки давления.

Клапаны

Клапаны используются в гидравлической системе для управления расходом , направлением потока и давлением в системе.

Клапаны управления потоком

Клапаны управления потоком регулируют скорость и направление потока. Их можно использовать для управления приводом или отвода жидкости от компонента. Двумя обычными клапанами управления потоком являются селекторные клапаны и обратные клапаны .

A Селекторный клапан используется для управления направлением движения гидравлического исполнительного цилиндра или аналогичного устройства. Переключающий клапан создает путь для потока жидкости в одну сторону привода и выхода из другой. Направление потока часто можно изменить на противоположное, что позволяет приводу двигаться в любом направлении.

Обратный клапан работает как односторонний клапан, позволяя жидкости беспрепятственно течь в одном направлении, но не в другом. В обычном обратном клапане используется подпружиненный шар, установленный внутри корпуса. Пружина сжимается под давлением, позволяя потоку двигаться в нужном направлении. Как только поток останавливается (или снижается ниже установленного уровня), шар садится в корпус, перекрывая поток.

Рисунок 9: Гидравлический линейный обратный клапан.

Клапаны регулирования давления

Контроль давления в гидравлической системе необходим для безопасной работы системы. Некоторые клапаны предназначены для сброса давления , чтобы система не достигла опасного рабочего давления, в то время как другие регулируют давление в определенном диапазоне.

В гидросистеме самолета обычно используются два клапана сброса давления. Предохранительные клапаны системы действуют как предохранительное устройство от избыточного давления в результате выхода из строя насоса, регулятора или аналогичного устройства. Эти клапаны устанавливаются непосредственно за насосом и открываются при заданном давлении, разгружая систему путем возврата жидкости в резервуар.

Термопредохранительный клапан предназначен для сброса избыточного давления в системе из-за теплового расширения жидкости. Эти клапаны обычно меньше, чем предохранительные клапаны системы, и используются там, где клапан управления потоком предотвращает сброс давления из-за одностороннего характера клапана.

Клапан регулятора давления используется в гидравлической системе, в которой работает насос с постоянной подачей. Поскольку насос с постоянной подачей не может регулировать свое собственное давление, клапан, расположенный сразу за насосом, может открываться или закрываться для увеличения или уменьшения давления, которое поддерживает давление в системе в пределах определенного рабочего диапазона. Полное открытие клапана отвлечет весь поток из системы обратно в резервуар, позволяя насосу вращаться без сопротивления. Это называется «разгрузкой насоса».

Аккумуляторы

Аккумулятор представляет собой средство для хранения жидкости под давлением в различных точках системы, которое затем можно использовать для демпфирования скачков давления или в дополнение к насосу при высоких рабочих нагрузках. Аккумуляторы также обеспечивают ограниченную работу системы в случае отказа насоса.

Обычным аккумулятором, используемым в гидравлических системах самолетов, является сферический аккумулятор типа , который состоит из двух сферических камер, разделенных резиновой или синтетической диафрагмой. Верхняя половина аккумулятора предназначена для приема жидкости под давлением, которая вступает в реакцию с воздухом или азотом, находящимся в нижней половине аккумулятора. Гидравлическое давление будет сжимать газ до тех пор, пока давление в двух камерах не станет равным. Когда для работы требуется гидравлический привод, аккумулятор, расположенный ближе всего к приводу, будет подавать жидкость под давлением непосредственно к приводу, снижая давление в аккумуляторе, которое затем пополняется системным насосом. Это обеспечивает более быстрое срабатывание, чем это было бы возможно в противном случае, устраняя любую задержку механического насоса.

Рисунок 10: Аккумулятор хранит и подает жидкость под давлением.

Приводы

Привод предназначен для преобразования давления жидкости в механическую силу, которую можно использовать для выполнения полезной работы. Работа является произведением силы и смещения, поэтому приложение давления к одной стороне привода заставит этот привод двигаться с силой, равной перепаду давления, умноженному на площадь поперечного сечения привода, и выполнить работу, при которой энергия в система законсервирована.

Линейный привод

Линейный привод состоит из цилиндра и поршня, в котором одна сторона поршня соединена со штоком, который приводится в действие в зависимости от давления, действующего на поршень.