Гідравлічний привід

Одноковшовий екскаватор з об'ємним гідравлічним приводом

Гідравлічний привід (гідропривід) - сукупність пристроїв, призначених для приведення в рух машин і механізмів за допомогою гідравлічної енергії.

Гідропривід представляє собою свого роду "гідравлічну вставку" між приводним двигуном і навантаженням (машиною або механізмом) і виконує ті ж функції, що і механічна передача ( редуктор, ремінна передача, кривошипно-шатунний механізм і т. д.).


1. Функції гідроприводу

Основна функція гідроприводу, як і механічної передачі, - перетворення механічної характеристики приводного двигуна відповідно до вимог навантаження (перетворення виду руху вихідної ланки двигуна, його параметрів, а також регулювання, захист від перевантажень та ін.) Інша функція гідроприводу - це передача потужності від приводного двигуна до робочих органів машини (наприклад, в одноковшових екскаваторів - передача потужності від двигуна внутрішнього згоряння до ковшу або до гідродвигуна привода стріли, до гідродвигуна повороту башти і т.д.).

У загальних рисах, передача потужності в гідроприводі відбувається наступним чином:

  1. Приводний двигун передає обертаючий момент на вал насоса, який повідомляє енергію робочої рідини.
  2. Робоча рідина по гідролінії через регулюючу апаратуру надходить в гідродвигун, де гідравлічна енергія перетворюється на механічну.
  3. Після цього робоча рідина по гідролінії повертається або в бак, або безпосередньо до насоса.

2. Види гідроприводів

Гідроприводи можуть бути двох типів: гідродинамічні і об'ємні.

Об'ємний гідропривід - це гідропривід, в якому використовуються об'ємні гідромашини ( насоси та гідродвигуни). Об'ємної називається гідромашин, робочий процес якої заснований на поперемінному заповненні робочої камери рідиною і витісненні її з робочої камери. До об'ємних машинам відносять, наприклад, поршневі насоси, аксиально-поршневі, радіально-поршневі, шестеренні гідромашини та ін

Одна з особливостей, що відрізняє об'ємний гідропривід від гідродинамічного, - великі тиску в гідросистемах. Так, номінальні тиску в гідросистемах екскаваторів можуть досягати 32 МПа, а в деяких випадках робочий тиск може бути більше 300 МПа, в той час як гідродинамічні машини працюють зазвичай при тисках, що не перевищують 1,5-2 МПа.

Об'ємний гідропривід набагато більш компактний і менше по масі, чим гідродинамічний, і тому він отримав найбільше поширення.

В залежності від конструкції і типу входять до складу гідропередачі елементів об'ємні гідроприводи можна класифікувати за кількома ознаками.


2.1. За характером руху вихідної ланки гідродвигуна

2.1.1. Гідропривід обертального руху

коли в якості гідродвигуна застосовується гідромотор, у якого ведене ланка (вал або корпус) здійснює необмежену обертальний рух;

2.1.2. Гідропривід поступального руху

у якого в якості гідродвигуна застосовується гідроциліндр - двигун із зворотно-поступальним рухом веденої ланки ( штока поршня, плунжера або корпусу);

2.1.3. Гідропривід поворотного руху

коли в якості гідродвигуна застосований поворотний гідродвигун, у якого ведене ланка (вал або корпус) здійснює зворотно-поворотний рух на кут, менший 360 .

2.2. По можливості регулювання

Якщо швидкість вихідної ланки (гідроциліндра, гідромотора) регулюється зміною частоти обертання двигуна, що приводить в роботу насос, то гідропривід вважається нерегульованим.

2.2.1. Регульований гідропривід

в якому в процесі його експлуатації швидкість вихідної ланки гідродвигуна можна змінювати за необхідним законом. У свою чергу регулювання може бути:

Регулювання може бути: ручним або автоматичним.

В залежності від завдань регулювання гідропривід може бути:

  • стабілізованою
  • програмним
  • слідкуючим (гідропідсилювачі).

2.2.2. Саморегульований гідропривід

автоматично змінює подачу рідини по фактичної потреби гідросистеми в режимі реального часу (без фазового зсуву).

2.3. За схемою циркуляції робочої рідини

2.3.1. Гідропривід із замкнутою схемою циркуляції

в якому робоча рідина від гідродвигуна повертається у усмоктувальну гидролінію насоса.

Гідропривід з замкнутої циркуляцією робочої рідини компактний, має невелику масу і допускає більшу частоту обертання ротора насоса без небезпеки виникнення кавітації, оскільки в такій системі під всмоктуючої лінії тиск завжди перевищує атмосферний. До недоліків слід віднести погані умови для охолодження робочої рідини, а також необхідність спускати з гідросистеми робочу рідину при заміні або ремонті гідроапаратури;

Гідросистеми із замкнутою схемою циркуляції ррабочей рідини (праворуч) і з розімкнутої схемою (зліва). На схемі зліва усмоктувальна і зливна гидролінії повідомляються з баком (разомкнутая схема); на схемі праворуч бак використовується тільки для допоміжної гідросистеми (системи підживлення). Н і Н1 - насоси; М - гідромотор; Р - гідророзподільник; Б - гідробак; Н1 - насос системи підживлення; КП1, КП2, - Запобіжні клапани; КО1 і КО2 - зворотні клапана. Запобіжні клапани КП (на схемі ліворуч), КП1 і КП2 (на схемі праворуч) спрацьовують в той момент, коли навантаження на валу гідромотора занадто велика, і тиск в гідросистемі перевищує допустиму величину. Зворотні клапана КО1 і КО2 спрацьовують тоді, коли тиск занадто мало, і виникає небезпека кавітації

2.3.2. Гідропривід з розімкнутої системою циркуляції

в якому робоча рідина постійно повідомляється з гідробаком або атмосферою.

Переваги такої схеми - хороші умови для охолодження і очищення робочої рідини. Однак такі гідроприводи громіздкі і мають велику масу, а частота обертання ротора насоса обмежується допустимими (з умов бескавитационной роботи насоса) швидкостями руху робочої рідини у всмоктуючому трубопроводі.

2.4. За джерела подачі робочої рідини

2.4.1. Насосний гідропривод

В насосному гідроприводі, що отримав найбільше поширення в техніці, механічна енергія перетворюється насосом в гідравлічну, носій енергії - робоча рідина, нагнітається через напірну магістраль до гідродвигуна, де енергія потоку рідини перетвориться в механічну. Робоча рідина, віддавши свою енергію гідродвигуна, повертається або назад до насоса (замкнута схема гідроприводу), або в бак (разомкнутая або відкрита схема гідроприводу). У загальному випадку до складу насосного гідроприводу входять гидропередача, Гідроапарати, кондиціонери робочої рідини, гідравлічних ємністей і гідролінії.

Найбільше застосування в гідроприводі отримали аксиально-поршневі, радіально-поршневі, пластинчасті і шестеренні насоси.


2.4.2. Магістральний гідропривід

У магістральному гідроприводі робоча рідина нагнітається насосними станціями в напірну магістраль, до якої підключаються споживачі гідравлічної енергії. На відміну від насосного гідроприводу, в якому, як правило, є один (рідше 2-3) генератора гідравлічної енергії (насоса), в магістральному гідроприводі таких генераторів може бути велика кількість, і споживачів гідравлічної енергії також може бути досить багато.


2.4.3. Акумуляторний гідропривід

В акумуляторному гідроприводі рідина подається в гидролінію від заздалегідь зарядженого гідроакумулятора. Цей тип гідроприводу використовується в основному в машинах і механізмах з короткочасними режимами роботи.

2.5. За типом приводить двигуна

гідроприводи бувають з електроприводом, приводом від ДВС, турбін і т. д.

2.6. Імпульсний гідропривід

У гідроприводі цього виду вихідна ланка гідродвигуна здійснює зворотно-поступальні або зворотно-обертальні рухи з великою частотою (до 100 імпульсів в секунду).

3. Структура гідроприводу

Обов'язковими елементами гідроприводу є насос і гідродвигун. Насос є джерелом гідравлічної енергії, а гідродвигун - її споживачем, тобто перетворює гідравлічну енергію в механічну. Управління рухом вихідних ланок гідродвигунів здійснюється або за допомогою регулюючої апаратури - дроселів, гідророзподільників та ін, або шляхом зміни параметрів самого гідродвигуна і / або насоса.

Принцип дії золотникового гідророзподільника, керуючого рухом штока гідроциліндра

Також обов'язковими складовими частинами гідроприводу є гідролінії, за якими рідина переміщається в гідросистемі.

Критично важливою для гідроприводу (в першу чергу об'ємного) є очищення робочої рідини від містяться в ній (і постійно утворюються в процесі роботи) абразивних часток. Тому системи гідроприводу обов'язково містять фільтруючі пристрої (наприклад, масляні фільтри), хоча принципово гідропривід деякий час може працювати і без них.

Оскільки робочі параметри гідроприводу істотно залежать від температури робочої рідини, то в гідросистемах в деяких випадках, але не завжди, встановлюють системи регулювання температури (підігрівають і / або охолоджувальні пристрої).


4. Кількість ступенів свободи гідросистем

Кількість ступенів свободи гідравлічної системи може бути визначено простим підрахунком кількості незалежно керованих гідродвигунів.

5. Область застосування

Об'ємний гідропривід застосовується в гірських і будівельно-дорожніх машинах. В даний час більше 50% загального парку мобільних будівельно-дорожніх машин ( бульдозерів, екскаваторів, автогрейдерів та ін) є гідрофіковані. Це суттєво відрізняється від ситуації 30-х - 40-х років 20-го століття, коли в цій області застосовувалися в основному механічні передачі.

У верстатобудуванні гідропривід також широко застосовується, проте в цій області він відчуває високу конкуренцію з боку інших видів привода [1].

Широке розповсюдження отримав гідропривід в авіації. Насиченість сучасних літаків системами гідроприводу така, що загальна довжина трубопроводів сучасного пасажирського авіалайнера може досягати декількох кілометрів.

В автомобільній промисловості найширше застосування знайшли гідропідсилювачі керма, істотно підвищують зручність керування автомобілем. Ці пристрої є різновидом стежать гідроприводів. Гідропідсилювачі застосовують і в багатьох інших областях техніки (авіації, тракторобудуванні, промисловому устаткуванні й ін).

У деяких танках, наприклад, в японському танку Тип 10, застосовується гідростатична трансмісія, що представляє собою, по суті, систему об'ємного гідроприводу рушіїв. Такого ж типу трансмісія встановлюється і в деяких сучасних бульдозерах.

В цілому, межі області застосування гідроприводу визначаються його перевагами і недоліками.


6. Переваги

До основних переваг гідроприводу відносяться:

  • можливість універсального перетворення механічної характеристики приводного двигуна відповідно до вимог навантаження;
  • простота управління і автоматизації;
  • простота запобігання приводного двигуна і виконавчих органів машин від перевантажень; наприклад, якщо зусилля на штоку гідроциліндра стає занадто великим (таке можливо, зокрема, коли шток, сполучений з робочим органом, зустрічає перешкоду на своєму шляху), то тиск у гідросистемі досягає великих значень - тоді спрацьовує предохранительный клапан в гидросистеме, и после этого жидкость идёт на слив в бак, и давление уменьшается;
  • надёжность эксплуатации;
  • широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена; например, диапазон регулирования частоты вращения гидромотора может составлять от 2500 об/мин до 30-40 об/мин, а в некоторых случаях, у гидромоторов специального исполнения, доходит до 1-4 об/мин, что для электромоторов трудно реализуемо;
  • большая передаваемая мощность на единицу массы привода; в частности, масса гидравлических машин примерно в 10-15 раз меньше массы электрических машин такой же мощности;
  • самосмазываемость трущихся поверхностей при применении минеральных и синтетических масел в качестве рабочих жидкостей; нужно отметить, что при техническом обслуживании, например, мобильных строительно-дорожных машин на смазку уходит до 50% всего времени обслуживания машины, поэтому самосмазываемость гидропривода является серьёзным преимуществом;
  • возможность получения больших сил и мощностей при малых размерах и весе передаточного механизма;
  • простота осуществления различных видов движения - поступательного, вращательного, поворотного;
  • возможность частых и быстрых переключений при возвратно-поступательных и вращательных прямых и реверсивных движениях;
  • возможность равномерного распределения усилий при одновременной передаче на несколько приводов;
  • упрощённость компоновки основных узлов гидропривода внутри машин и агрегатов, в сравнении с другими видами приводов.

7. Недоліки

К недостаткам гидропривода относятся:

  • утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления в гидросистеме, что требует высокой точности изготовления деталей гидрооборудования;
  • нагрев рабочей жидкости при работе, что приводит к уменьшению вязкости рабочей жидкости и увеличению утечек, поэтому в ряде случаев необходимо применение специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты;
  • более низкий КПД чем у сопоставимых механических передач;
  • необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости, поскольку наличие большого количества абразивных частиц в рабочей жидкости приводит к быстрому износу деталей гидрооборудования, увеличению зазоров и утечек через них, и, как следствие, к снижению объёмного КПД;
  • необходимость защиты гидросистемы от проникновения в неё воздуха, наличие которого приводит к нестабильной работе гидропривода, большим гидравлическим потерям и нагреву рабочей жидкости;
  • пожароопасность в случае применения горючих рабочих жидкостей, что налагает ограничения, например, на применение гидропривода в горячих цехах;
  • зависимость вязкости рабочей жидкости, а значит и рабочих параметров гидропривода, от температуры окружающей среды;
  • в сравнении с пневмоприводом - невозможность эффективной передачи гидравлической энергии на большие расстояния вследствие больших потерь напора в гидролиниях на единицу длины.

8. История развития гидропривода

Гидравлические технические устройства известны с глубокой древности. Например, насосы для тушения пожаров существовали ещё во времена Древней Греции [2].

Однако, как целостная система, включающая в себя и насос, и гидродвигатель, и устройства распределения жидкости, гидропривод стал развиваться в последние 200-250 лет.

Одним из первых устройств, ставших прообразом гидропривода, является гидравлический пресс. В 1795 году патент на такое устройство получил Джозеф Брама (англ. Joseph Bramah ) [3], которому помогал Генри Модели, и в 1797 году первый в истории гидравлический пресс был построен [4].

В конце XVIII века появились первые грузо-подъёмные устройства с гидравлическим приводом, в которых рабочей жидкостью служила вода. Перший подъёмный кран с гидравлическим приводом был введён в эксплуатацию в Англии в 1846-1847 годах [5], и со второй половины XIX века гидропривод находит широкое применение в грузо-подъёмных машинах.

Создание первых гидродинамических передач связано с развитием в конце XIX века судостроения. В то время в морском флоте стали применять быстроходные паровые машины. Однако, из-за кавитации, повысить число оборотов гребных винтов не удавалось. Это потребовало применения дополнительных механизмов. Поскольку технологии в то время не позволяли изготавливать высокооборотистые шестерённые передачи, то потребовалось создание принципиально новых передач. Первым таким устройством с относительно высоким КПД явился изобретённый немецким профессором Г. Фётингером гидравлический трансформатор (патент 1902 года) [6], представлявший собой объединённые в одном корпусе насос, турбину и неподвижный реактор. Однако первая применённая на практике конструкция гидродинамической передачи была создана в 1908 году, и имела КПД около 83 %. Позднее гидродинамические передачи нашли применение в автомобилях. Они повышали плавность трогания с места. В 1930 году Гарольд Синклер (англ. Harold Sinclair ), работая в компании Даймлер, разработал для автобусов трансмиссию, включающую гидромуфту и планетарную передачу [7]. В 1930-х годах производились первые дизельные локомотивы, использовавшие гидромуфты [8].

В СССР первая гидравлическая муфта была создана в 1929 году.

В 1882 году компания Армстронг Уитворс представила экскаватор, в котором впервые ковш имел гидравлический привод [9]. Один из первых гидрофицированных экскаваторов был произведён французской компанией Poclain в 1951 году. Однако эта машина не могла поворачивать башню на 360 градусов. Первый полноповоротный экскаватор с гидроприводом был представлен этой же фирмой в 1960-м году. В начале 1970-х годов гидрофицированные экскаваторы, обладавшие большей производительностью и простотой управления, в основном, вытеснили с рынка своих предшественников - экскаваторы на канатной тяге [10].

Первый патент, связанный с гидравлическим усилением, был получен Фредериком Ланчестером в Великобритании в 1902 году. Его изобретение представляло собой "усилительный механизм, приводимый посредством гидравлической энергии" [11]. В 1926 году инженер подразделения грузовиков компании Пирс Эрроу (англ. Pierce Arrow ) продемонстрировал в компании "Дженерал моторс" гидроусилитель руля с хорошими характеристиками, однако автопроизводитель посчитал, что эти устройства будут слишком дорогими, чтобы выпускать их на рынок [12] [13]. Первый предназначенный для коммерческого использования гидроусилитель руля был создан компанией Крайслер в 1951 году, и сейчас большинство новых автомобилей укомплектовывается подобными устройствами.

Фирма Хонда после представления гидростатической трансмиссии в 2001 году для своей модели мотовездехода FourTrax Rubicon, анонсировала в 2005-м году мотоцикл Honda DN-01 с гидростатической трансмиссией, включающей насос и гидромотор. Модель начала продаваться на рынке в 2008 году. Это была первая модель транспортного средства для автодорог, в котором использовалась гидростатическая трансмиссия. [14]


9. Перспективы развития

Перспективы развития гидропривода во многом связаны с развитием электроники. Так, совершенствование электронных систем позволяет упростить управление движением выходных звеньев гидропривода. В частности, в последние 10-15 лет стали появляться бульдозеры, управление которыми устроено по принципу джойстика.

З розвитком електроніки і обчислювальних засобів пов'язаний прогрес в області діагностування гідроприводу. Процес діагностування деяких сучасних машин простими словами може бути описаний таким чином. Спеціаліст підключає переносний комп'ютер до спеціального роз'єму на машині. Через цей роз'єм в комп'ютер надходить інформація про значеннях діагностичних параметрів від безлічі датчиків, вбудованих в гідросистему. Програма або фахівець аналізує отримані дані і видає висновок про технічний стан машини, наявності або відсутності несправностей та їх локалізації. За такою схемою здійснюється діагностування, наприклад, деяких сучасних ковшових навантажувачів. Розвиток обчислювальних засобів дозволить удосконалити процес діагностування гідроприводу і машин в цілому.

Важливу роль у розвитку гідроприводу може зіграти створення і впровадження нових конструкційних матеріалів. Зокрема, розвиток нанотехнологій дозволить підвищити міцність матеріалів, що дозволить зменшити масу гідроборудованія і його геометричні розміри, підвищити його надійність. З іншого боку, створення міцних і одночасно еластичних матеріалів дозволить, наприклад, зменшити недоліки багатьох гідравлічних машин, зокрема, збільшити розвивається Діафрагмові насоси тиск.

В останні роки спостерігається суттєвий прогрес у виробництві ущільнювальних пристроїв. Нові матеріали забезпечують повну герметичність при тисках до 80 МПа, низькі коефіцієнти тертя і високу надійність [1].