Гидравлические исполнительные механизмы: назначение, конструкция, применение, принцип работы.

Охарактеризовать систему автоматического регулирования с использованием самонастраивающейся (адаптивной) системой.

Автоматическое регулирование является разновидностью автома­тического управления. Оно заключается в поддержании постоян­ства или изменения по требуемому закону некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс. Регулирование обеспечивается системой автоматического регулирования (САР).

Самонастраивающиеся системы управления решают задачи зна­чительно более сложные и разнообразные, чем задачи программ­ных систем.

Первая задача таких систем — поддержание экстремума управ­ляемой величины. Для этой цели на объект подают пробные воз­действия со стороны управления, анализируют знак изменения управляемой величины и по результатам этого анализа делают управляющее воздействие, приближающее режим к точке экстрему­ма. Устройства, обеспечивающие режим работы управляемого объекта, близкий к оптимальному, называют автоматическими оптимизаторами или экстремальными регуляторами.

Вторая задача самонастройки — поддержание оптимальной работы системы регулирования по крите­рию максимального ее быстродей­ствия. В этом случае показателем экстремума является время, в те­чение которого система приходит в соответствие с изменением ус­ловия регулирования. Это время анализируется специальным устройством самонастройки, кото­рое изменяет параметры регулятора так, чтобы время регулирова­ния было минимальным.

В сложных, не имеющих математического описания системах с многими неконтролируемыми воздействиями, для нахождения оптимального условия работы необходимо запоминать различные режимы управления, учиться управлять. Это осуществляется са­мообучающимися САУ. В зависимости от значений входных и вы­ходных величин автомат выбирает из памяти системы соответ­ствующие значениям управляющих воздействий.

Гидравлические исполнительные механизмы: назначение, конструкция, применение, принцип работы.

Гидравлический привод представляет собой совокупность сило­вой установки (ДВС или электродвигателя), механической или иной передачи, гидропередачи, систем управления и вспомогательных устройств. Механическая передача служит для преобразования час­тоты вращения вала первичного двигателя в требуемую частоту вра­щения насоса — первого звена гидропередачи. Если номинальные частоты вращения насоса и первичного двигателя совпадают, то необходимость в механической передаче отпадает. Силовая часть гидравлического привода, преобразующая механическую энергию двигателя в энергию движения рабочей жидкости (минерального масла на нефтяной основе) и обратно, в движение исполнитель­ных механизмов машины, называется гидропередачей. В зависимости от способа передачи энергии рабочей жидкости различают гидро­объемный (гидростатический) и гидродинамический привод.

Гидрообъемный привод. В простейшем случае гидрообъемный привод (см. рис. 4.42) включает масляный бак 2 с фильтрами для очистки отработавшей жидкости от примесей, насос 3, гидрорас­пределитель 5, гидроцилиндры 8, предохранительный клапан 11 и систему гидролиний. Прямое и обратное движение поршней гидроцилиндров в этой системе обеспечивается за счет поступле­ния под высоким давлением в их поршневые или штоковые поло­сти определенного объема рабочей жидкости (отсюда название гидрообъемный) при небольших скоростях рабочих движений (от­сюда название гидростатический привод). По такой же схеме вы­полнены гидравлические приводы с исполнительными органами вращательного действия (гидромоторами). Гидроцилиндры и гид­ромоторы обобщенно называют также гидродвигателями. В более сложных схемах гидропривода, кроме того, устанавливают также другие регулирующие аппараты. В процессе движения по гидроли­ниям и каналам направляющих и регулирующих аппаратов рабо­чая жидкость нагревается. Поэтому в гидравлических системах с большим числом включений для нормальной работы системы на сливной гидролинии устанавливают калориферы — устройства для охлаждения рабочей жидкости. В гидрообъемных передачах происходит двойное преобразова­ние энергии: первый раз механическая энергия первичного двигателя преобразуется насосом в энергию движения рабочей жид­кости, во второй последняя пре­образуется гидродвигателем в ме­ханическую энергию движения рабочего органа или исполнитель­ного механизма.

В гидравлических приводах стро­ительных машин применяют шес­теренные, пластинчатые, аксиаль­но-поршневые и радиально-поршневые насосы.

Шестеренный насос (рис. 5.1) со­стоит из двух зубчатых колес / и 2, Заключенных в корпус 3, одна по­лость (А) которого соединена со всасывающей, а вторая Б — с на­порной гидролиниями. При враще­нии зубчатых колес в направлении, показанном стрелками, рабочая жидкость переносится из полости А в полость Б впадинами между зубьями, в результате чего в полости А создается разрежение, а в полости Б — повышенное давление, вследствие чего рабочая жид­кость подсасывается из масляного бака в полость А и выталкивается в напорную линию из полости Б.

Рис. 5.1. Шестеренный насос

Пластинчатый насос (рис. 5.2) состоит из вращающегося в цилиндрическом корпусе 2 ротора 1 с пластинами 3, установленны­ми в его радиальных пазах. В торцовых стенках корпуса имеются окна А и Б, соединенные соответственно со всасывающей и на­порной гидролиниями. При вра­щении ротора с пластинами в зоне окна А объем рабочей каме­ры, заключенной между двумя смежными пластинами и цилин­дрическими поверхностями рото­ра и корпуса, увеличивается (ста­новится больше объема заключен­ной в этой камере рабочей жид­кости), вследствие чего рабочая Жидкость подсасывается в камеру из масляного бака. При переходе рабочей камеры в зону окна Б ее объем уменьшается, чем создает­ся давление, способствующее вы­талкиванию из нее рабочей жидкости в напорную гидролинию.

Рис. 5.2. Пластинчатый насос

Основными элементами аксиально-поршневого насоса (рис. 5.3) являются вращающийся в подшипниках ведущий вал 1 и блок ци­линдров 7. Цилиндры представляют собой продольные проточки с поршнями 3, расположенные вокруг центрального шипа 8. Шаро­выми головками центральный шип и шатуны 2 цилиндров заваль- цованы во фланец ведущего вала. При вращении последнего, а вместе с ним и блока цилиндров поршни совершают возвратно-поступа- тельное движение относительно своих проточек. При прохождении цилиндром верхней части корпусного пространства его поршневая полость сообщается с верхним окном 5 диска 4, соединенным со всасывающей гидролинией.

Вследствие увеличения объема порш­невой полости в нее из мас­ляного бака подсасывается рабочая жидкость. При про­хождении цилиндром ниж­ней части объем его рабочей камеры уменьшается, и ра­бочая жидкость выталкивает­ся через нижнее окно 6 в на­порную линию.

Рис. 5.3. Аксиально-поршневой насос

В радиально-поршневых насосах (рис. 5.4) при враще­нии вала 2 с эксцентриком поршни 1, опирающиеся на эксцентрик, совершают воз­вратно-поступательное дви­жение в радиальном направ­лении. При этом рабочая жидкость через соответству­ющие отверстия в корпусевсасывается из бака, а затем выталкивается поршнем в напорный трубопровод.

Все описанные выше насосы обратимы, т.е. могут работать т^кже в режиме гидромоторов: при подаче рабочей жидкости в полость высокого давления генерируется вращательное движе­ние вала. Наиболее часто в приводах строительных машин при­меняют реверсивные аксиально-поршневые и радиально-порш- девые гидромоторы. Для реверсирования гидромотора изменяют Исправление движения рабочей жидкости, поступающей в гид­ромотор от насоса.

Основными параметрами насосов и гидромоторов являются ра­бочий объем, номинальное давление, частота вращения, подача (для насосов) или расход (для гидромоторов), мощность, враща­ющий момент (для гидромоторов), а также коэффициент полез-. кого действия.

Подача или расход есть количество подаваемой или потребля­емой рабочей жидкости за единицу времени. Рабочий объем опре­деляется количеством рабочей жидкости, проходящей через на­сос (мотор), за один оборот его вала. Рабочий объем может быть постоянным и регулируемым. Все рассмотренные выше гидрав­лические машины имеют постоянный рабочий объем. Предста­вителями машин с регулируемым рабочим объемом являются ре­гулируемые аксиально-поршневые насосы, в которых качающий узел, содержащий блок цилиндров, может изменять свой наклон jf оси ведущего вала. Рабочий объем в этом случае оказывается пропорциональным синусу утла этого наклона. Соответственно вменяется и подача, которая связана с рабочим объемом зави­симостью

lOOOo.fl.Ti..

фе Q_H — подача насоса, л/мин; q_H — рабочий объем насоса, м³;

частота вращения вала насоса, об/мин; л» — объемный КПД jptcoca, учитывающий утечки рабочей жидкости через неплотно- Лри между корпусом и подвижными частями. 'Г За номинальное давление принимают наибольшее манометри­ческое давление, при котором насос (мотор) работает в течение И^гановленного срока службы с сохранением параметров в преде- установленных нормативно-технической документацией. Оте­чественные гидромашины рассчитаны в основном на номиналь­ное давления 16, 20, 25 и 32 МПа при максимальных давлениях ^ответственно 20, 25, 32 и 35 МПа.

Направляющие гидроаппараты предназначены для изменения Направления потока рабочей жидкости путем полного открытия jam полного закрытия рабочего проходного сечения. К ним относятся гидрораспределители, гидроклапаны (обратные, выдержки времени, последовательности, логические) и гидрозамки.

Регулирующие гидроаппараты предназначены для изменения дав- гения, расхода и направления потока рабочей жидкости путем юстичного открытия рабочего проходного сечения. К ним относятся гидроклапаны давления (напорные, редукционные, разности и юотношения давления), соотношения расходов (делители и сумма- поры потока) и дросселирующие гидрораспределители. Основными параметрами гидроаппаратов являются номинальный расход, номинальное давление и диаметр условного прохода.

Гидрораспределители служат для переключения и направления потоков рабочей жидкости, реверсирования движения и фиксирования гидродвигателей в определенном положении. Они авто­матически переключают систему на холостой ход по окончании рабочего хода. Гидрораспределители обеспечивают управление несколькими исполнительными гидродвигателями. По конструктивному исполнению они подразделяются на секционные (с одним золотником в секции) и моноблочные (с несколькими золотника­ми в едином корпусе).

На рис. 5.6, а показан моноблочный гидрораспределитель, со­стоящий обычно из чугунного корпуса 2, нескольких плунжеров (золотников) 3, перемещаемых в осевом направлении вручную ру­коятками 1 или другими способами (электрическим, гидравличе­ским, электрогидравлическим) и предохранительного клапана 4.

Принцип действия гидрораспределителя основан на соедине­нии одной полости гидродвигателя с напорной линией насоса и одновременным соединением другой полости со сливной линией и гидробаком. По числу возможных положений золотника разли­чают двух-, трех- и четырехпозиционные гидрораспределители. На рис 5.6, б показана схема трехпозиционного гидрораспреде­лителя, золотник которого может быть установлен в одно из трех положений: для прямого и возвратного движения гидродвигате­ля, а также для его фиксации в определенном положении. На по­следней позиции поток жидкости направляется от насоса в гидробак, а обе рабочие полости гидродвигателя заперты.

Конструктивные решения гидроклапанов шарикового, коничес­кого и золотникового типов представлены на рис. 5.7. Основными элементами гидроклапана являются: седло У, запирающий эле­мент 2 и пружина 3. Выбор запорного устройства зависит от на­значения клапана, размера проходного сечения и давления.

Обратные клапаны обеспечивают движение рабочей жидкости только в одном направлении. Их применяют для защиты насосов от резкого повышения давления, вызываемого нагрузкой на ра­бочем органе, самопроизвольного движения рабочего органа под действием внешних нагрузок, для формирования направлений потоков рабочей жидкости в гидролиниях, а также используют в качестве подпиточных клапанов для заполнения гидросистемы ра­бочей жидкостью от сливной гидролинии или от специального насоса подпитки во избежание разрыва потока.

Рис. 5.7. Схемы гидроклапанов: а — шарикового; б — конического; в — золотникового

Рис. 5.8. Гидрозамок (а) и фрагмент гидравлической схемы с гидрозамком (б)

Гидрозамки (управляемые обратные клапаны) (рис. 5.8, а) пред­назначены для пропускания рабочей жидкости при отсутствии уп­равляющего воздействия в одном направлении, а при наличии ^управляющего воздействия — в обоих направлениях. Гидрозамок ■состоит из обратного клапана 1 и поршня управления 3 со што­ком 2. На рис. 5.8, б представлен фрагмент гидравлической схемы с гидрозамком. Гидрозамок 6 установлен на гидролинии между поршневой полостью гидроцилиндра 4 и распределителем (на схеме. не показан). Штоковая полость сообщается с гидрораспределите­лем непосредственно через трубопровод 9. При отсутствии подачи ^рабочей жидкости в штоковую полость движение жидкости по трубопроводам 5 и 7 возможно только в одном направлении — к гид­роцилиндру. При подаче рабочей жидкости в штоковую полость она поступает по отводу 8 также под поршень управления гидро-: 3амка и, через шток, открывает обратный клапан, вследствие чего ^становится возможным движение рабочей жидкости по трубопроводам 5 и 7 в обоих направлениях.

Предохранительные клапаны служат для предохранения гидро­передачи от давления, превышающего установленное, путем перепуска рабочей жидкости из напорной линии в сливную. Разли­чают первичные (предохраняющие от перегрузок насос) и вторичные (предохраняющие гид­родвигатели) предохрани­тельные клапаны. Первичные клапаны устанавливают на напорной гидролинии насо­са, а вторичные — на рабо­чих отводах гидрораспреде­лителя.

Редукционные клапаны ис­пользуют для поддержания пониженного давления на от­дельных участках системы пу­тем частичного сброса рабочей жидкости в сливную линию.

Гидродроссели применяют для регулирования расхода жидкости в гидролиниях. Регулируемый дроссель с обратным клапаном (рис. 5.9) предназначен для ограничения потока рабочей жидкости в одном направлении (показано стрелками) и свободного пропуска пото­ка в другом за счет срабатывания обратного клапана.

Работа гидропередачи обеспечивается также кондиционерами рабочей жидкости, включающими гидробаки с сапунами, уст­ройства для очистки (фильтры и сепараторы), теплообменники.

Рис. 5.9. Гидродроссель регулируемый с обратным клапаном

Гидродроссели применяют для регулирования расхода жидкости в гидролиниях. Регулируемый дроссель с обратным клапаном (рис. 5.9) предназначен для ограничения потока рабочей жидкости в одном направлении (показано стрелками) и свободного пропуска пото­ка в другом за счет срабатывания обратного клапана.

Работа гидропередачи обеспечивается также кондиционерами рабочей жидкости, включающими гидробаки с сапунами, уст­ройства для очистки (фильтры и сепараторы), теплообменники.

Гидравлические (масляные) баки представляют собой емкости, служащие для хранения, отстоя и охлаждения рабочей жидкости, циркулирующей в гидросистеме. Они сообщаются с атмосферой через сапуны, представляющие собой воздушные фильтры. Рабо­чая жидкость поступает в бак по сливному трубопроводу через блок фильтров. Количество рабочей жидкости контролируют указателем уровня. Обычно вместимость масляного бака составляет 2...3-ми­нутную подачу насоса.

Фильтры, применяемые в гидросистемах строительных машин, обеспечивают очистку рабочей жидкости от загрязняющих при­месей механическим способом при помощи щелевых и пористых фильтрующих элементов (металлических сетчатых, тканевых, бу­мажных, керамических, а также с набивными бумажными или тек­стильными фильтрующими материалами). Тонкость фильтрации составляет 5... 40 мкм. Для улавливания ферромагнитных частиц по­ристые фильтры комбинируют с магнитными очистителями.

Теплообменники предназначены для охлаждения рабочей жид­кости и стабилизации температуры в гидросистемах машин на оптимальном уровне. Теплообменники устанавливают на сливных линиях после гидродвигателей или на линиях отвода утечек из гидросистемы.

Гидролинии осуществляют взаимосвязь между элементами гидро­передачи, через которую проходит поток рабочей жидкости. Их подразделяют на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и линии управления. Жесткие гидролинии обычно изготавливают из стальных бесшовных труб. Подвижные части с установленными на них элементами гидропривода соединяют гибкими рукавами вы­сокого давления. Для предотвращения вытекания жидкости и пре­дохранения ее от загрязнений при разъединении трубопроводов применяют самозапирающиеся соединения с двумя шариковыми клапанами.

К рабочей жидкости в гидроприводах строительных машин предъявляют высокие требования. Она должна обладать хороши­ми смазывающими свойствами, не вызывать коррозии контак­тирующих с ней металлов, сохранять свои свойства при эксплу­атации в различных температурных условиях. Рабочая жидкость не должна образовывать пены и содержать веществ, выпадающих в осадок, должна быть безопасной в пожарном отношении и не то­ксичной. Наиболее полно этим требованиям отвечают масла, по­лучаемые из низкозастывающих фракций нефти с соответству­ющими присадками: загущающими, антиокислительными, анти­пенными, противоизносными, антикоррозионными. В строитель­ных машинах, работающих при температурах окружающего воз­духа 318...228 К, применяют, в основном, специальные рабочие жидкости: МГ-30 (ТУ 38-1-01-50—70) — в качестве летнего сорта для районов с умеренным климатом и всесезонного сорта для южных районов страны; ВМГЗ (ТУ 38-101479—74) — для всесезонной эксплуатации в районах Крайнего Севера и в качестве зим­него сорта в районах с умеренным климатом.

Гидродинамические передачи. Прообразом гидродинамической передачи является водяная турбина, вращающаяся относительно своей оси за счет кинетической энергии падающей на ее лопатки воды. Представителями гидродинамических передач, применяемых в приводах строительных машин, являются гидротрансформаторы и реже гидромуфты.