Основы гидравлики: понимание систем жидкостного привода

Базовые принципы гидравлики и гидравлических систем

Гидравлика — это получение сил и движений с использованием гидравлических жидкостей как среды передачи энергии. Гидравлические системы критически важны для работы тяжелого оборудования. Термин происходит от греческого слова «вода» и изначально означал изучение физического поведения воды в покое и в движении. Сегодня понятие расширено на все жидкости, включая гидравлические жидкости. Гидравлические системы давно используются в промышленности для привода разного оборудования. С усложнением техники разрабатываются новые системы с гидравлическим приводом.

Гидравлические системы применяются в современных производственных цехах и играют ключевую роль в металлургии, горном деле, строительстве и транспорте. Они используются для подъема, перемещения и толкания материалов. Широкое промышленное применение началось в 1950-х, и с тех пор гидравлика стала стандартом в промышленной технике. Сегодня она занимает важное место в современной автоматизации благодаря универсальности, эффективности и простоте передачи энергии.

Задача гидравлической системы — преобразование энергии из одной формы в другую. Силы, создаваемые жидкостью, передаются на механизм. Для понимания работы систем нужно знать принципы гидравлики — изучение жидкостей в движении и давления в трубах и цилиндрах.

Разделы гидравлики

Науку делят на две ветви:

• Гидродинамика — изучение движущихся жидкостей. Примеры: водяное колесо, турбина (энергия движения воды), гидродинамический муфта.
• Гидростатика — изучение жидкостей под давлением. Примеры: гидравлический домкрат, пресс, гидроцилиндры. В гидростатических устройствах давление на замкнутую жидкость передает энергию. Если жидкость движется в системе, возникает движение в системе. Большинство современного гидравлического оборудования работает по гидростатическому принципу.

Преимущества гидравлики над другими технологиями управления

Три основные технологии управления — гидравлика, электроника, пневматика. Преимущества гидравлики:

• Передача больших усилий компактными компонентами — высокая плотность мощности
• Точное позиционирование
• Стабильная выходная мощность (сложно достичь в пневматических или механических приводах)
• Пуск под нагрузкой возможен
• Равномерное движение независимо от нагрузки (жидкости практически несжимаемы, используются дроссельные клапаны)
• Плавная работа и реверс
• Хорошая регулируемость и управление
• Эффективная теплоотдача
• Меньший риск утечек по сравнению с пневматикой
• Простота монтажа, упрощенный контроль, минимальное обслуживание
• Использование несжимаемой жидкости обеспечивает высокую КПД (потери только на трении жидкости)
• Надежная работа в жарком климате

Недостатки гидравлических систем

• Загрязнение окружающей среды отработанными маслами (пожарная опасность, риск аварий)
• Чувствительность к загрязнениям
• Опасность от чрезмерных давлений (разрыв линий)
• Зависимость от температуры (изменение вязкости)

Стационарные и подвижные гидравлические системы

Подвижные системы движутся на колесах или гусеницах, стационарные — жестко закреплены. Характерная черта подвижных систем — ручное управление клапанами; в стационарных обычно используются электромагнитные клапаны.

Типичные применения подвижных систем: строительная техника, самосвалы, экскаваторы, подъемные платформы, подъемно-транспортные устройства, навальное оборудование.

Основные применения стационарных систем: производственные и сборочные станки, потоковые линии, подъемно-транспортные устройства, прокатные станы, прессы, лифты, литейные машины под давлением. Станки — классическая область применения.

Закон Паскаля — основа гидравлики

В XVII веке француз Блез Паскаль сформулировал закон: «Давление, приложенное к замкнутой жидкости, передается во всех направлениях без убывания и действует с равной силой на равные площади под прямым углом к ним». Это принцип умножения силы: малая сила, приложенная к малой площади, создает большую силу на большой площади.

Умножение сил — не единственное преимущество. Силы можно передавать нелинейно — вокруг углов — с усилением. Жидкостная передача — гибкая концепция. Это передача энергии от стационарного вращающего источника к удаленному исполнительному механизму (вращательному или линейному) с усилением силы. Также это этап преобразования потенциальной энергии в механическую.

Дополнительные преимущества:

• Легкое изменение направления сил или их реверс
• Возможность установки защитных устройств, позволяющих нагрузке остановиться, но предотвращающих перегрузку привода и излишние напряжения в компонентах
• Независимое управление скоростью разных узлов оборудования от скорости первичного двигателя

Гидравлические жидкости

Основное назначение — передача и распределение сил к исполнительным механизмам. Жидкости почти несжимаемы. Вода непригодна: замерзает, кипит при 100 °C, вызывает коррозию, слабо смазывает. Большинство систем используют масло — несжимаемое и смазывающее. Разные жидкости применяются в зависимости от задачи и условий, но все выполняют базовые функции:

• Передача сил и мощности через трубопроводы к исполнительному механизму
• Смазка компонентов гидравлической цепи
• Охлаждение — отвод тепла от «горячих точек»
• Уплотнение зазоров между подвижными частями для повышения КПД и снижения тепла от утечек

Ключевые свойства гидравлических жидкостей

• Вязкость — внутреннее сопротивление течению. Растет при понижении температуры. Жидкость должна обеспечить хорошее уплотнение в насосах, клапанах, поршнях, но не быть слишком густой (потери мощности, перегрев, износ). Слишком жидкая — быстрый износ под нагрузкой.
• Химическая стабильность — способность сопротивляться окислению и разрушению длительное время. Критична при высоких температурах. Локальные перегревы (подшипники, зубья шестерен, малые отверстия) могут углевестить масло, хотя в баке температура нормальна.
• Температура вспышки — температура, при которой пары возгораются от пламени. Высокая — признак устойчивости к горению и низкой испаримости.
• Температура загорания — температура устойчивого горения при воздействии искры/пламени. Также должна быть высокой.

Для надежной работы и защиты неметаллических компонентов критически важно использование правильной жидкости. Три основные категории:

1. Минеральные масла — при низком пожарном риске. Из нефти. Уплотнения из синтетического каучука.
2. Полиальфаолефины (PAO) — огнеупорные гидрогенизированные жидкости, преодолевающие горючесть минеральных масел. Значительно менее горючи, но высокая вязкость при низких температурах. Применение до –40 °C.
3. Фосфатные эфиры — крайне огнеупорные. Но не огнестойкие — при определенных условиях горят. Несмесимы с нефтяными. Уплотнения для одного типа не подходят для других.

Компоненты системы (уплотнения, прокладки, рукава) должны соответствовать типу жидкости.

Типы гидравлических систем

Система с открытым центром — при простаивающих механизмах есть поток жидкости, но нет давления. Насос циркулирует жидкость из бака через распределительные клапаны обратно в бак. Клапаны соединены последовательно. Жидкость свободно проходит через каждый клапан до активации одного из них. При включении клапана поток к баку блокируется, давление растет, двигает поршень; жидкость с обратной стороны возвращается в бак.

Система с закрытым центром — жидкость под давлением всегда, пока работает насос. Несколько исполнительных механизмов в параллели, некоторые работают одновременно. Клапаны расположены параллельно. Управление давлением: при постоянном насосе — редуктор давления (предохранительный клапан — резерв); при переменном насосе — встроенный компенсатор автоматически меняет подачу. При достижении рабочего давления подача почти нулевая, внутренний байпас обеспечивает циркуляцию для охлаждения и смазки. Предохранительный клапан — резерв.

Преимущество открытого центра: исключено постоянное под давлением состояние. Давление нарастает плавно после переключения клапана — мало ударов давления, плавная работа. Но медленнее закрытой системы, где давление доступно сразу.

Основные компоненты гидравлической системы

Минимальный набор: гидравлический насос, бак, распределительный клапан, обратный клапан, предохранительный клапан, клапан выбора, исполнительный механизм, фильтр. Базовая схема на рис. 1.

Рис. 1 Базовая гидравлическая система

Бак (резервуар) — емкость для хранения рабочей жидкости с запасом на утечки и испарение. Обеспечивает расширение жидкости, удаление воздуха, охлаждение. Бак снабжает систему, восполняет утечки, служит переливной чашей при тепловом расширении, отработке аккумуляторов, смещении поршней. Также удаляет пузырьки воздуха и механические примеси (через фильтры). Баки герметичные (под давлением) или негерметичные. Перегородки и ребра предотвращают вихревание и нагнетание воздуха в насос.

Чистота жидкости — залог правильной работы. Загрязнение — частая причина неисправностей. Чужаки и металлические частицы от износа попадают в систему. Используются грубые фильтры (сетки), тонкие фильтры и магнитные пробки. Магнитные пробки в баке улавливают железные частицы. Сетки — первичная фильтрация крупных частиц, малый гидравлический résistance, стоят на всасывании насосов. Тонкие фильтры — в баке, на линии давления, сливе. Классификация: полный или частичный поток. Байпасный клапан пропускает жидкость при засоре. Без байпаса — индикатор засорения (по перепаду давления).

Аккумуляторы — аналогия электрической батареи. Накапливают потенциальную энергию жидкости под давлением для будущей работы: привод цилиндров и гидромоторов, поддержание давления при отказе насоса, компенсация утечек. Могут быть пружинными, мешковыми, поршневыми.

Гидравлические насосы — преобразуют механическую энергию первичного двигателя (электродвигателя) в гидравлическую (давление). Создают поток. Блок «насос + двигатель» называется гидронасос. Забирает жидкость из бака, подает в цепь. Обычно скорость постоянна, подача равномерна за оборот. Расход и направление управляются внешними механизмами. Иногда насос приводом сервоприводом — сложнее. Характеристики: производительность, потребляемая мощность, частота вращения, выходное давление, КПД. КПД 90–98%. Два вида КПД: объемный (фактический/теоретический объем) и мощностной (гидравлическая мощность/механическая). Основные типы: центробежные и поршневые.

Гидравлические исполнительные механизмы — преобразуют энергию давления в силу и движение. Линейные (цилиндры, тараны, рециркулирующие моторы) — сила и движение по прямой. Вращательные (гидравлические моторы) — крутящий момент и вращение.

Регулирование давления — снижение высокого входного давления до рабочего. Поддерживает выходное давление в допуске. Выполняется редуктором. Основная функция — согласовать расход с потребностью, удерживая выходное давление в пределах.

Клапаны — управление исполнительными механизмами. Регулируют давление, создают специальные давления, контролируют расход и направление потока. Три категории: давления, расхода (объема), направления. Некоторые клапаны совмещают функции. Оценка по размеру, давлению, перепаду давления/расходу.

Трубопроводы — три типа: трубы (жесткие), трубки (полужесткие), гибкие рукава. Трубки: бесшовные и электросварные — оба подходят. Выбор по расходу, типу жидкости, скорости, давлению. Рукава — при необходимости гибкости.

Фитинги (соединительные детали) — соединение элементов системы. Много типов: резьбовые, конусные, муфты гибких рукавов, многоразовые фитинги. Выбор зависит от типа линии, среды, максимального давления.

Гидравлические схемы

Полные чертежи гидравлической цепи с описанием, последовательностью операций, примечаниями, спецификацией. Критически важны для проектировщиков, монтажников, эксплуатационного персонала. Четыре типа:

• Блочные — компоненты как блоки, линии между ними — связи/взаимодействия.
• Разрезные — внутренняя конструкция компонентов и траектории потоков. Цвет/штриховка показывает режимы потока и давления.
• Наглядные (пиктограммные) — схема трубопроводов, компоненты внешне близки к реальным формам и размерам.
• Графические (символьные) — промышленный шортхенд, стандарт для проектирования и поиска неисправностей. Геометрические символы компонентов, управлений, связей. Типичная графическая схема на рис. 2.

Рис. 2 Типичная графическая схема гидравлической цепи