Гидравлические двигатели

Гидравлический двигатель — машина, преобразующая механическую энергию потока жидкости в энергию движения вала. В общем машиност­роении такие двигатели применяют значительно реже, чем электродвига­тели. В нефтепромысловых машинах этот вид двигателя имеет большую область использования, обусловленную преимуществами, свойственными объемным гидравлическим двигателям по сравнению с электрическим.

Основные из них: гидравлические двигатели в 3 раза меньше по раз­мерам и в 15 раз по массе, чем электрические соответствующей мощ­ности; диапазон регулируемой частоты вращения валов больше, чем у электрических; для гидравлических двигателей не опасен режим работы с частыми включениями и выключениями (реверсами); они хорошо функционируют в устройствах, исполнительные механизмы которых работают "до упора"; развиваемый ими крутящий момент легко регули­руется изменением давления.

Недостатком гидравлических двигателей следует считать необходи­мость использования насосных станций, которые сложны, имеют большие габариты и массу. Отсюда следует, что область применения таких двига­телей в промысловом деле исключает, как правило, одиночно работающие устройства. В основном используют машины и механизмы, входящие в состав агрегатов различного рода, имеющих гидропривод различного назначения.

Наиболее широко распространенные аксиально-поршневые, пластин­чатые и шестеренные двигатели.

Аксиально-поршневые двигатели состоят из следую­щих узлов и деталей (рис.27): ротора 10 с поршнями 15; барабана 7 с толкателями 17; радиально-упорного подшипника 6; вала /, опираю­щегося на подшипники 5 и 14; опорно-распределительного диска 13; корпусов 4 и 9; фланца 3 с уплотнением 2; пружины 11 и торцевой шпонки 8. Для подвода и отвода масла предусмотрены два отверстия, расположенные в опорно-распределительном диске 13, причем каждое отверстие связано с соответствующим полукольцевым пазом, выпол­ненным на рабочей поверхности диска.

Рис. 27

Утечки масла из корпуса двигателя отводятся через дренажное отверстие 12. Бронзовый ротор 10 име­ет семь рабочих камер, в которых перемещаются поршни 15. На торце ротора, взаимодействующего с диском 13, выполнены отверстия, которые во время вращения ротора соединяются с одним из полукольцевых пазов.

Рассмотрим принцип действия двигателя. Масло из напорной линии через одно из отверстий поступает сначала в полукольцевой паз опорно-распределительного диска, а затем в рабочие камеры, расположенные по одну сторону от вертикальной оси. Рабочая жидкость, воздействуя на поршни 15, создает осевую силу, которая толкателями 17 передается на радиально-упорный подшипник 6. Так как этот подшипник располо­жен в корпусе 4 наклонно, на толкателях возникают тангенциальные силы, поворачивающие барабан 7, а вместе с ним вал 1 и ротор 10, свя­занные с барабаном шпонками 16 и 8. Одновременно поршни, располо­женные по другую сторону вертикальной оси, вдвигаются в ротор, вытесняя жидкость из соответствующих рабочих камер через полукольцевой паз в сливную линию. Ротор прижимается к поверхности опорно-распределительного диска пружиной 11 и воздействием давления масла. Поэтому с ростом давления эта сила возрастает.

Конструкция ходовой части гидравлического двигателя обеспечивает возможность самоустановки ротора относительно опорно-распределительного диска, что позволяет частично компенсировать износ трущихся поверхностей и деформацию деталей под действием нагрузки. Частота вращения вала двигателя определяется количеством проходящего через
него масла при крутящем моменте, примерно пропорциональном разности давлений в подводящем и отводящем отверстиях. Направление вращения вала зависит от того, в какое из отверстий подается жидкость из напорной системы.

На промыслах применяют гидравлические двигатели Г15-2, выпускае­мые в двух модификациях: типа Н без регулятора и с регулятором типа М. Регулятор позволяет автоматически поддерживать постоянство часто­ты вращения независимо от нагрузки на валу насоса.

Рабочий объем таких двигателей в зависимости от типоразмера равен от 11,2 до 160 см³; номинальный расход жидкости от 10,8 до 154 л/мин, максимальное и номинальное давление 12,5 и 6,3 МПа; максималь­ная и номинальная частота вращения вала 1300—2400 и 960 об/мин; но­минальный крутящий момент 9,4—133 Н-м; полный к.п.д. не менее 0,87 (через 5000 ч работы допускается уменьшение полного к.п.д. на 0,15). В зависимости от частоты вращения вала и перепада давления к.п.д. изменя­ется от 0,88 при 2400 об/мин до 0,7 при 960 об/мин.

Пластинчатые двигатели состоят из следующих деталей и узлов (рис. 28): ротора 9, статора 16, дисков 8 и 11, пластин, вала 1, установленного на шарикоподшипниках 4 и 6, корпуса 7, крышки 12, пружины 14, фланца 3 с уплотнением 2.

При работе двигателя масло направляется в одно из отверстий 10 (или 19) и одновременно через другое отверстие 19 (или 10) отводится в сливную линию; отверстие 5 соединяется с дренажной линией. Если с напорной линией соединено отверстие 19, то масло поступает в кольце­вую полость корпуса 7 и через два окна в диске 8 проходит в рабочие камеры, ограниченные пластинами, внутренней овальной поверхностью статора 16, наружной цилиндрической поверхностью ротора 9 и дисками 8 и 11.

Рис. 27

Поскольку рабочие поверхности пластин, ограничивающих каждую из рабочих камер, имеют различные площади, на роторе возникает кру­тящий момент, поворачивающий его против часовой стрелки. Одновремен­но остальные рабочие камеры через окна в диске 11 соединяются с отвер­стием 10 и далее со сливной линией. Поэтому масло, вытесняемое из ука­занных рабочих камер (в результате уменьшения их объема при поворо­те ротора), сливается в бак. Во время работы масло из напорной линии поступает в торцевую полость 13 и через отверстие 15 направляется в по­лости 17, расположенные под пластинами, обеспечивая прижим их к ста­тору, одновременно сжимая пакет, состоящий из ротора, статора, пластин и дисков. Этим уменьшаются утечки масла через торцевые зазоры между трущимися поверхностями. Предварительный поджим пакета обеспечи­вается пружиной 14, а пластин к статору — ведущими кулачками 18, свя­занными с дисками 8 и 11 штифтами. Если с напорной линией соединить отверстие 10, направление вращения реверсируется.

На промыслах применяют двигатели Г16-1, которые в зависимости от типоразмера имеют рабочий объем от 11,2 до 250 см³, номинальный Расход масла от 14 до 266 л/мин, давление на входе максимальное от 8 до 7 МПа при номинальной частоте вращения вала 960 об/мин, номинальный крутящий момент от 6,2 до 196 Н-м, полный к.п.д. при номи­нальном режиме работы составляет от 0,5 до 0,77.

Шестеренные гидравлические двигатели имеют конструкцию, анало­гичную конструкции шестеренных насосов. В них используют прямо- и косозубые шестерни, опирающиеся на опоры скольжения или качения.

Помимо подшипников скольжения в качестве опор шестерен приме­няют подшипники качения. Использование последних позволяет умень­шить потери на трение, особенно при небольшой частоте вращения вала. Однако двигатели с опорами качения вследствие конструктивных особен­ностей не обеспечивают высокой степени унификации и имеют худшие (по массе) показатели по сравнению с показателями двигателей, в кото­рых используют опоры скольжения.

Повышенные требования к внутренним потерям в гидравлических двигателях обусловлены особенностями режимов их эксплуатации. Увеличение потерь на трение в опорах обусловлено неуравно­вешенной радиальной нагрузкой на шестерни, в результате чего уменьша­ется долговечность двигателя вследствие повышенного износа опор, а с другой стороны, уменьшается развиваемый крутящий момент.

В двигателях с опорами скольжения уменьшение коэффициента трения в момент страгивания (или торможения) может быть достигнуто за счет:

соединения ряда впадин шестерен канавками во втулках-опорах, в которые подводится давление из полости нагнетания;

использования радиальных сверлений в шестернях, обеспечивающих соединение каждой пары, расположенных напротив друг друга межзубовых камер;

разгрузкой опор с помощью отверстий, выполненных во втулках-опорах (эти отверстия соединяют межзубовые камеры, расположенные напротив друг друга);

уменьшением протяженности зоны высокого давления во впадинах шестерен;

разгрузкой опор за счет подвода высокого давления в камеры опор непосредственно под валы шестерен.

Все способы, кроме последнего, приводят к уменьшению общего к.п.д. двигателя, поскольку в результате разгрузки зона высокого дав­ления приближается к зоне низкого давления.

При расчете механизмов, приводимых в движение гидравлическими двигателями, определяют:

теоретическое количество масла Q_T, потребляемое двигателем:

Q_T = Wn/1000;

теоретический момент M_T, развиваемый двигателем:

M_T = (DpW)/(2p);

теоретическую мощность N_Т на валу двигателя:

Здесь n – частота вращения вала, об/мин; Dр – перепад давления, МПа; W – рабочий объём, характеризующий изменение суммы объёмов рабочих камер двигателя за один оборот вала, см³.

Так как во время эксплуатации двигателя происходят внутренние утечки и потери энергии на преодоление трения, то фактические значения количества масла Q, крутящего момента М и эффективной мощности N отличаются от теоретических. Поэтому в качестве характеристики как режима работы двигателя, так и его конструкции используют: механический к.п.д.

h_М = М/М_Т,

объёмный к.п.д.

h_О = Q_T/Q,

полный к.п.д.

h = h_Оh_М,

причём h = N/N_T.

Значения к.п.д. зависят от режимов их эксплуатации: вязкости масла, частоты вращения вала, степени износа и т.д. Для каждой марки насоса эти данные приведены в заводских паспортах.

Гидроцилиндры

Гидроцилиндром называется объемный гидродвигатель с поступа­тельным движением выходного звена. В гидроцилиндре двустороннего действия (рис.29, а, б, д) дви­жение выходного звена под действием рабочей среды возможно в двух противоположных направлениях, в гидроцилиндре одностороннего действия (рис.29, в, г, е, ж) движение выходного звена под дей­ствием рабочей среды возможно только в одном направлении. В строительных машинах большее распространение получили поршневые гидроцилиндры двустороннего и одностороннего действия с односторонним штоком (рис.29), а также телескопические гидроцилиндры.

Рис. 29 Схемы гидроцилиндров

На рис. 30 показана конструкция поршневого гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком. Основной его деталью является корпус 5 с внутренней поверхностью, обработанной под V⁵- Внутри корпуса перемещается шток 4 из закаленной стали марки 35 или 45 с твердостью не менее HRC 25—30. Наружная поверхность штока обычно хромируется. На внутренний конец штока посажен поршень 7 с манжетами 6 из маслостойкой резины. Поршень закреплен на штоке стопорным кольцом 8 и гайкой. На второй конец штока обычно навинчивается проушина, которая соединяется с рабо­чим органом. Направление перемещению штока создает передняя крышка 3. В этой же крышке помещены уплотнение 2 и маслосъемаак манжета /. На второй конец корпуса посажена крышка 9 с проушиной для крепления гидроцилиндра. В крышке имеется отверстие для под­вода и отвода рабочей жидкости.

Рис. 30

В гидроцилиндре различают две полости: штоковая, в которой пе­ремещается шток, и поршневая, в которой шток отсутствует.

В гидроцилиндрах с двусторонним штоком обе полости являются штоковыми.

Усилие, развиваемое гидроцилиндром при подаче жидкости в порш­невую полость, определяется из выражения

Р_П = (pD_Ц² /4) h_МЕХ Р.

При подаче жидкости в штоковую полость поршень развивает усилие

Р_Ш = p[(D_Ц² – d_Ш²)/4] h_МЕХ Р.

К. п. д. гидроцилиндра определяет в основном трение уплотняю­щих манжет о стенки гильзы и штока. Усилие трения можно найти по формуле

T = mpр (D_Цh_Ц - d_Шh_Ш),

где m = 0,1 — коэффициент трения резины о металл; h — высота уп­лотняющей части манжеты, прилегающей к гидроцилиндру или штоку.

Механический к. п. д. гидроцилиндра равен

h_МЕХ = (Р - Т)/Р.

В гидроцилиндре с односторонним штоком можно подавать жид­кость в обе полости одновременно, тогда поршень будет перемещаться в сторону штока со скоростью

v_Д = 4Q_П/(p d_Ш²),

где Q_П — расход подаваемой насосом жидкости, а развиваемое при этом усилие

Рд = [(p d_Ш²/4) ] h_МЕХ Р.

Такое соединение гидроцилиндра с насосом называют дифферен­циальным. Жидкость, вытесненная из штоковой полости, перетекает в поршневую, складываясь с потоком от насоса. Если жидкость подают в штоковую полость, чтобы создать движение в противоположном на­правлении, поршневую полость следует соединить со сливной гидро­линией.

Рис.31

Дифференциальное включение поршня позволяет получать одина­ковые скорости в обоих направлениях. Для этого необходимо, чтобы диаметр штока был равен

d_Ш = D_Ц/2.

У нормализованных гидроцилиндров, применяемых в строи­тельных машинах, диаметр штока составляет в среднем d_Ш = 0,5 D_Ц; ход поршня s < 10 D_Ц. При большей величине хода и давлениях, пре­вышающих 20 МПа, шток следует проверять на устойчивость от дей­ствия продольной силы.

Для уменьшения потерь давления диаметры проходных отверстий в гидроцилиндрах для подвода и отвода рабочей жидкости назначают из расчета, чтобы скорость жидкости в них составляла среднем 5 м/с, но не выше 8 м/с.

Ход поршня ограничен крышками гидроцилиндра. Жесткий удар поршня о крышки в гидроцилиндрах строительных машин предотвра­щают с помощью демпферов. Принцип действия демпфера основан на том, что в конце хода поршня жидкость в гидроцилиндре отсекается от сливного отверстия и проходит по узкой кольцевой щели. При ходе поршня к задней крышке жидкость через сужающуюся кольцевую щель проходит между хвостовиком штока и расточкой в задней крыш­ке гидроцилиндра (рис.30). При ходе поршня к передней крышке жидкость через отверстие между упорным кольцом / и расточкой в передней крышке гидроцилиндра выдавливается в сливную полость. Сопротивление перетеканию жидкости через демпферное отверстие тормозит поршень и плавно снижает его скорость.

Толщину стенки гильзы гидроцилиндра рассчитывают по формуле

d = pD/(2[s_Р]),

где [s_Р]— допускаемое напряжение растяжения для стенок гидро­цилиндра;

D — внутренний диаметр гидроцилиндра.

Для гидроцилиндров, работающих при высоких давлениях, запас прочности по отношению к пределу текучести материала гидроцилинд­ра следует брать не менее 3.

Для увеличения хода штока применяют телескопические гидроци­линдры. В сдвинутом состоянии они имеют небольшие габариты.

Гидроцилиндры одностороннего действия, как телескопические, так и обычные, способны развивать усилия только в одном направле­нии — на выталкивание штока. Обратный ход совершается под дей­ствием силы тяжести поднятого груза или устройства.

В гидроцилиндре одностороннего (рис.31, а) действия имеется лишь одно уплотнение / у выхода плунжера 2 из гидроцилиндра, 7. Для направления хода плунжера в гидроцилиндре установлены втулка 3 и кольцо 5. Расчетной поверхностью гидроцилиндра является площадь круга с диаметром D.

Отверстие 6 служит для подвода и отвода рабочей жидеости, подаваемой под давлением или сливаемой в гидробак. Отверстие 4 служит для отвода утечек. Уплотнение / находится только пол давлением слив­ной гидролинии.

Рис. 31

Телескопический гидроцилиндр (рис.31, б) состоит из четырех гидроцилиндров, встроенных один в другой. Три внутренних переме­щаются поочередно внутри четвертого наружного гидроцилиндра, ко­торый приваривается к основанию, шарнирно связанному с осью. Верхние части гидроцилиндров служат направляющими для гидроцилиндровнаходящихся внутри них; в них помещается трехрядное уплотнение из маелостойкой резины. Ограничение выдвижению гидро­цилиндров осуществляется поясками, расположенными в нижней части гидроцилиндров. Подвод жидкости и отвод ее осуществляются через штуцер, находящийся в нижней части основания.

В практике встречаются случаи, когда пространство, предназначен­ное для размещения гидроцилиндров, ограничено не по длине, а по диаметру.

В этом случае применяют сдвоенные и строенные гидроцилиндры, которые обеспечивают необходимое усилие при меньших диаметрах.

Усилие Р_П и скорость перемещения v_П при подаче жидкости в поршневую полость сдвоенного гидроцилиндра определяют по формулам:

Р_П = (p/4) h_МЕХ [(z + 1) D_Ц² -- z d_Ш]p,

где h_МЕХ — механический к. п. д. гидроцилиндра; z — число секций; р — давление;

v_П = 4Q/[(z +1) D_Ц²-- z d_Ш²].

Иногда возникает необходимость создания различных скоростей движения штока гидроцилиндра, работающего от одного насоса.

Для этого применяют так называемые многоскоростные гидроцилиндры. Жидкость в гидроцилиндр подается через специальный гидрораспределитель при различных соединениях полостей.

В машинах для производства строительных изделий применяют по­зиционные устройства, которые приводятся в действие гидроцилинд­рами, позволяющими останавливать шток в определенных положе­ниях. Внутренняя поверхность гидроцилиндра пересечена рядом ироточек, каждая из которых может быть соединена со сливом через гидрораспределитель. Гидроцилиндр включен по дифференциальной схеме, что устраняет возможность возникновения колебаний.

Гидроцилиндры могут осуществлять не только поступательное, но и вращательное движение. Для этого их соединяют с зубчатореечными, канато-блочными, цепными, винтовыми или кривошипными механизмами. Такие устройства применяют, например, для поворота платформы экскаваторов и кранов.

Особенности конструктивного исполнения цилиндров

К специфическим требованиям, предъявляемым к цилиндрам нефтепромыслового оборудования, относится необходимость обеспечения длины их хода, равного перемещению исполнительного органа.

Рис. 32 Рис. 33

При этом отпадает необходимость в использовании различного рода передач, усложняющих кинематическую схему машины. Наибольшие необходимые длины ходов могут превышать 2 – 3 м, например в гидроприводах ШСН, приводе талевой системы агрегатов подземного ремонта и т.п. Создание цилиндров со столь большой длиной хода сопровождается либо усложнением технологии их изготовления, либо усложнением их конструкции. В первом случае необходимо изготавливать гильзы цилиндров достаточно большой длины, во втором - использовать конструкции из составных, последовательно установленных гильз. Конструкция цилиндров с исполь­зованием составных гильз не позволяет применять эластичные уплотне­ния, а требует сложных уплотнений с жесткими кольцами различных конструкций.

Для обеспечения равномерности движения исполнительных органов из гидросистемы должен быть удален воздух. Как правило, устройства для его удаления выполняют на гидроцилиндрах. Из таких устройств ши­роко распространены шариковые клапаны, управляемые винтом 1 (рис.32). Полость под шариком 2 соединена вертикальным каналом с верхней частью цилиндра, где возможно скопление воздуха. При поворо­те винта против часовой стрелки шарик под давлением газа приподнима­ется, в результате чего воздух удаляется из полости, проходя по спираль­ному каналу, образованному винтом и корпусом. После удаления возду­ха начинает вытесняться рабочая жидкость, для которой сопротивление спирального канала гораздо больше, чем для воздуха. Поэтому расход ее резко уменьшается и из гидросистемы теряется несколько капель жид­кости, при появлении которых из резьбы винт завинчивается, прижимая шарик к седлу и герметизируя таким образом систему.

Для обеспечения аварийного опускания цилиндров при потере герме­тичности гидросистемы в тех случаях, когда совпадают направления дей­ствующего усилия и перемещения штока цилиндра (например, в приводе механизма подъема вышки агрегатов подземного ремонта из транспорт­ного положения в рабочее), а также удержания исполнительного органа при действии вертикальной нагрузки служат специальные замки и тормоз­ные клапаны. Их устанавливают, как правило, непосредственно на корпу­се цилиндров.

Принцип действия тормозного клапана (рис.33) следующий. При опускании поршня 8 в штоковую полость направляется от распределите­ля поток жидкости, под давлением которой золотник тормозного клапа­на 5 переводится в правое положение, в результате чего жидкость из под поршневой полости через дроссель направляется к золотнику и сливается в бак.

Управление клапаном осуществляется от подводящей линии гидро­цилиндра. В процессе работы золотник клапана открывает проходное сечение в зависимости от внешнего управляющего давления. При снятии давления он возвращается пружиной в положение "Закрыто". Обеспече­ние устойчивой работы клапана достигается установкой в линии управ­ления двух регулируемых дросселей /, 4 с обратными клапанами 2, 3, ко­торые дросселируют подводимый и отводимый управляющие потоки рабочей жидкости.

Перепад давления на тормозном клапане обеспечивает подпор дав­ления и плавное опускание поршня под действием вертикальной нагрузки и давления жидкости над поршнем цилиндра. При отсутствии давления в верхней полости цилиндра перемещение поршня вниз прекращается, поскольку золотник тормозного клапана занимает левое положение и запирает жидкость в подпоршневом пространстве.

При подъеме поршня рабочая жидкость попадает под поршень цилинд­ра, минуя золотник, через обратный клапан 6.

В случае нарушения герметичности линий, подводящих жидкость от распределителя к цилиндру или тормозному клапану, золотник последне­го закрывается, препятствуя таким образом движению поршня вниз.

Для предотвращения самопроизвольного перемещения рабочих ор­ганов можно использовать также гидрозамки 7, которые обеспечивают пропускание жидкости в одном или обоих направлениях и перекрытие его в обратном при отсутствии управляющего воздействия. Давление уп­равления составляет порядка 0,02 МПа для ненагруженного клапана.

Как правило, конструкция гидрозамка включает обратный клапан и цилиндр управления для его принудительного открытия (рис.34,а). В зависимости от того, соединена подклапанная полость со сливной лини­ей или имеет отдельный слив А, различают гидрозамки неразгруженные и разгруженные. При работе первых повышение давления в сливной линии не допускается. При перемещении поршня вниз под воздействием давления в надпоршневой полости гидрозамок открывается, в результа­те жидкость из подпоршневой полости через него и дроссель направляет­ся распределителем в бак (рис.34,6). Если в управляющей полости от­сутствует давление, замок закроется, и движение поршня прекратится.

Рис. 34

Рис. 35

Для обеспечения плавной остановки подвижных деталей цилиндра и связанного с ним исполнительного органа используют специальные дем­пферные устройства, основанные на создании дополнительного гидравли­ческого сопротивления на участке торможения. Наиболее простое такое устройство состоит из камеры, располагаемой в головке цилиндра, в которую входит дополнительный поршень 2 небольшого диаметра (рис.35). Подача жидкости под поршень при движении его в

Рис.34

обратную сторону обеспечивается через обратный клапан 7. Если торможение поршня необ­ходимо осуществить до достижения им крайнего положения, используют путевые дроссели, устанавливаемые вне цилиндра и управляемые кулач­ком, связанным с подвижными деталями исполнительного механизма.

При проектировании узлов, в которых используют гидроцилиндры, следует исключить возможность заклинивания подвижных деталей ци­линдра. Подобный случай может быть при эксцентричном приложении усилия к цилиндру и возникновении изгибающих моментов в попереч­ных сечениях его деталей. Для уменьшения или исключения этого целесо­образно применять шарнирные соединения штока и цилиндра с деталями исполнительных органов или различного рода направляющих устройств. Следует учитывать, что допускаемая погрешность параллельности оси цилиндра и направляющих не должна превышать нескольких сотых до­лей миллиметра на длине 1 м.

Дата добавления: 2014-01-07