Основы гидравлики и гидравлических систем

Основы гидравлики и гидравлических систем

Гидравлика - это создание сил и движений с использованием гидравлических жидкостей, которые представляют собой среду для передачи мощности. Гидравлические системы чрезвычайно важны для работы тяжелого оборудования. Слово «гидравлика» происходит от греческого слова «вода» и первоначально означало изучение физического поведения воды в состоянии покоя и в движении. Сегодня это значение было расширено и теперь включает физическое поведение всех жидкостей, включая гидравлические жидкости. Гидравлические системы не новы в отрасли. Они предоставили средства для работы многих типов промышленного оборудования. По мере того, как промышленное оборудование становится все более сложным, разрабатываются новые системы с гидравлическим приводом.

Гидравлические системы используются на современных производственных предприятиях и производственных установках и играют важную роль в металлургической, горнодобывающей, строительной и погрузочно-разгрузочной технике. Гидравлические системы используются для управления орудиями для подъема, толкания и перемещения материалов. Широкий спектр применения гидравлических систем в промышленности начался только с 1950-х годов. С тех пор эта форма питания стала стандартной для работы промышленного оборудования. Сегодня гидравлические системы занимают очень важное место в современной технологии автоматизации. Есть много причин. Некоторые из них заключаются в том, что гидравлические системы универсальны, эффективны и просты для передачи мощности.

Передача мощности — это работа гидравлической системы, поскольку она преобразует мощность из одной формы в другую. В гидравлических системах силы, прилагаемые жидкостью, передаются на механический механизм. Чтобы понять, как работают гидравлические системы, необходимо понять принципы гидравлики. Гидравлика — это наука о движении жидкостей и давлении в трубах и цилиндрах.

Науку о гидравлике можно разделить на две ветви, а именно (i) гидродинамику и (ii) гидростатику. Гидродинамика имеет дело с движущимися жидкостями. Примерами применения гидродинамики являются водяное колесо или турбина; используемая энергия создается движением или водой и гидротрансформатором. Гидростатика имеет дело с жидкостями, находящимися под давлением. Примерами применения гидростатики являются гидравлический домкрат или гидравлический пресс и приведение в действие гидравлического цилиндра. В гидростатических устройствах давление на захваченную (замкнутую) жидкость передает мощность. Если жидкость движется или течет в системе, то происходит движение в этой системе. Большая часть используемого сегодня гидравлического оборудования работает гидростатически.

Тремя наиболее часто используемыми технологиями в контексте технологии управления для создания сил, движений и сигналов являются гидравлика, электричество и пневматика. Ниже приведены преимущества гидравлики перед другими технологиями.

• Передача больших усилий с помощью небольших компонентов, что означает большую энергоемкость
• Точное позиционирование
• Гидравлическая система обеспечивает постоянную выходную мощность, что сложно в системах с пневматическим или механическим приводом.
• Запуск возможен при большой нагрузке
• Возможны даже движения независимо от нагрузки, поскольку жидкости практически не сжимаемы, и можно использовать клапаны управления потоком
• Плавная работа и разворот
• Хороший контроль и регулирование
• Хороший отвод тепла
• Возможность утечки в гидравлической системе меньше, чем в пневматической системе.
• Простота установки, упрощение проверки и минимальные требования к обслуживанию.
• Гидравлическая система использует несжимаемую жидкость, что обеспечивает более высокую эффективность. он имеет лишь незначительные потери из-за жидкостного трения
• Система хорошо работает в жарких условиях.

К недостаткам гидравлических систем относятся (i) загрязнение окружающей среды отработанными маслами (опасность пожара или несчастных случаев), (ii) чувствительность к загрязнениям, (iii) опасность избыточного давления (разрыв трубопроводов) и (iv) зависимость от температуры. (изменение вязкости).

Существует основное различие между стационарными гидравлическими системами и мобильными гидравлическими системами. В то время как мобильные гидравлические системы перемещаются на колесах или гусеницах, стационарные гидравлические системы остаются прочно зафиксированными в одном положении. Характерной особенностью мобильных гидравлических систем является то, что клапаны часто управляются вручную. В случае стационарных гидравлических систем обычно используются электромагнитные клапаны.

Типичные области применения мобильных гидравлических систем включают (i) строительное оборудование, (ii) самосвалы, экскаваторы, подъемные платформы, (iii) подъемно-транспортные устройства и (iv) погрузочно-разгрузочное оборудование. Основными областями применения стационарных гидравлических систем являются (i) производственные и сборочные машины всех типов, (ii) передаточные линии, (iii) подъемно-транспортные устройства, (iv) прокатные станы, (v) прессы, (vi) подъемники. , и (vii) машины для литья под давлением и т. д. Станки являются типичной областью применения.

В семнадцатом веке французский ученый Блез Паскаль сформулировал фундаментальный закон, лежащий в основе гидравлики. Закон Паскаля гласит, что «давление, прикладываемое к замкнутой жидкости, передается без уменьшения во всех направлениях и действует с одинаковой силой на все равные площади и под прямым углом к ​​этим площадям». Этот принцип также известен как законы замкнутых жидкостей. Паскаль продемонстрировал практическое применение своих законов и продемонстрировал, что приложение небольшой входной силы к небольшой площади может привести к большой силе за счет увеличения выходной площади. Это давление при приложении к большей выходной площади создает большую силу. Это метод умножения силы.

Умножение сил — это только одно из преимуществ использования гидравлической жидкости для передачи мощности. Далее силы не обязательно должны передаваться по прямой (линейно). Сила может передаваться из-за угла или любым другим нелинейным способом при усилении. Fluid Power — это действительно гибкая концепция передачи мощности. На самом деле гидродинамическая энергия представляет собой передачу энергии от практически стационарного вращающегося источника к удаленно расположенному вращающемуся (круговому) или линейному (прямолинейному) устройству усиления силы, называемому исполнительным механизмом. Энергию жидкости также можно рассматривать как часть процесса преобразования потенциальной энергии в активную механическую форму (линейную или вращательную силу и мощность). Как только основная энергия преобразуется в энергию жидкости, появляются другие преимущества, перечисленные ниже.

• Силы можно легко изменить, изменив их направление или обратив их вспять.
• Можно добавить защитные устройства, которые позволяют оборудованию, работающему с грузом, останавливаться, но предотвращают перегрузку первичного двигателя и чрезмерную нагрузку на компоненты оборудования.
• Скоростью различных компонентов оборудования можно управлять независимо друг от друга, а также независимо от скорости основного двигателя.

Гидравлические жидкости

Жидкости гидравлической системы используются в основном для передачи и распределения сил на различные приводимые в действие узлы. Жидкости способны на это, потому что они почти несжимаемы. Вода не подходит в качестве гидравлической жидкости, так как она замерзает при низких температурах и кипит при 100°С, а также потому, что она вызывает коррозию и ржавчину и плохо смазывает. В большинстве гидравлических систем используется масло (гидравлическая жидкость), поскольку оно не сжимается и смазывает систему. Многие типы жидкостей используются в гидравлических системах по разным причинам, в зависимости от задачи и рабочей среды, но все они выполняют следующие основные функции.

• Жидкость используется для передачи сил и энергии по каналам (или линиям) к приводу, где может выполняться работа.
• Жидкость представляет собой смазочную среду для гидравлических компонентов, используемых в контуре.
• Жидкость представляет собой охлаждающую среду, отводящую тепло от «горячих точек» в гидравлическом контуре или компонентах и ​​отводящую его в другом месте.
• Жидкость герметизирует зазоры между движущимися частями компонентов, повышая эффективность и уменьшая тепловыделение, создаваемое чрезмерной утечкой.

Ниже приведены некоторые свойства и характеристики, которые необходимо учитывать при выборе жидкости в качестве подходящей гидравлической жидкости для конкретной системы.

• Вязкость. Это одно из наиболее важных свойств любой гидравлической жидкости. Это внутреннее сопротивление потоку. Вязкость увеличивается при понижении температуры. Удовлетворительная жидкость для данной гидравлической системы должна иметь достаточную плотность, чтобы обеспечить хорошее уплотнение в насосах, клапанах и поршнях, но она не должна быть настолько густой, чтобы оказывать сопротивление потоку, что приводит к потере мощности и более высоким рабочим температурам. Эти факторы увеличивают нагрузку и вызывают чрезмерный износ деталей. Слишком жидкая жидкость также приводит к быстрому износу движущихся частей или деталей, испытывающих большие нагрузки.
• Химическая стабильность. Химическая стабильность является чрезвычайно важным свойством при выборе гидравлической жидкости. Это способность жидкости сопротивляться окислению и порче в течение длительного времени. Все жидкости имеют тенденцию к неблагоприятным химическим изменениям в тяжелых условиях эксплуатации. Это имеет место, например, когда система работает в течение значительного времени при высоких температурах. Чрезмерные температуры оказывают большое влияние на срок службы жидкости. Обычно температура жидкости в резервуаре работающей гидравлической системы не всегда отражает истинное состояние рабочих условий. Локализованные точки перегрева возникают на подшипниках, зубьях шестерен или в местах, где жидкость под давлением проталкивается через небольшое отверстие. Непрерывное прохождение жидкости через эти точки может вызвать локальные температуры, достаточно высокие для обугливания или образования шлама жидкости, однако жидкость в пласте может не указывать на чрезмерно высокую температуру.
• Точка воспламенения. Температура воспламенения – это температура, при которой жидкость выделяет пар в количестве, достаточном для мгновенного воспламенения или вспышки при воздействии пламени. Для гидравлических жидкостей желательна высокая температура воспламенения, поскольку она указывает на хорошую устойчивость к горению и низкую степень испарения при нормальных температурах.
• Точка воспламенения. Температура воспламенения — это температура, при которой жидкость выделяет пар в количестве, достаточном для воспламенения и продолжения горения при воздействии искры или пламени. Как и при температуре воспламенения, от желательных гидравлических жидкостей требуется высокая температура воспламенения.

Для обеспечения правильной работы гидравлической системы и во избежание повреждения неметаллических компонентов гидравлической системы необходимо использовать правильную жидкость. Три основные категории гидравлических жидкостей:(i) минеральные масла, (ii) поли-альфа-олефины и (iii) сложные эфиры фосфорной кислоты.

Гидравлические жидкости на минеральной основе используются во многих гидравлических системах, где пожароопасность сравнительно невелика. Их перерабатывают из нефти. Уплотнения из синтетического каучука используются с жидкостями на нефтяной основе. Гидравлическая жидкость на основе поли-альфа-олефинов представляет собой огнестойкую гидрированную жидкость для преодоления характеристик воспламеняемости гидравлических жидкостей на основе минерального масла. Он значительно более огнестойкий, но имеет недостаток, заключающийся в высокой вязкости при низкой температуре. Использование этой жидкости, как правило, ограничено температурой –40°C. Гидравлические жидкости на основе эфиров фосфорной кислоты чрезвычайно огнестойки. Однако они не пожаробезопасны и при определенных условиях горят. Из-за разницы в составе жидкости на нефтяной основе и на основе эфиров фосфорной кислоты не смешиваются. Кроме того, уплотнения для какой-либо одной жидкости несовместимы с другими жидкостями и не совместимы с ними.

Гидравлические системы требуют использования специальных аксессуаров, совместимых с гидравлической жидкостью. Соответствующие уплотнения, прокладки и шланги должны быть специально предназначены для типа используемой жидкости. Необходимо позаботиться о том, чтобы компоненты, установленные в системе, были совместимы с гидравлической жидкостью.

Гидравлические системы

Гидравлические системы могут быть системами с открытым центром или системой с закрытым центром. Система с открытым центром — это система с потоком жидкости, но без давления в системе, когда приводные механизмы не работают. Насос перекачивает жидкость из резервуара через селекторные клапаны и обратно в резервуар. В системе с открытым центром может использоваться любое количество подсистем с переключающим клапаном для каждой подсистемы. Селекционные клапаны системы с открытым центром всегда соединены последовательно друг с другом. При таком расположении линия давления системы проходит через каждый селекторный клапан. Жидкость всегда может свободно проходить через каждый селекторный клапан и обратно в резервуар до тех пор, пока один из селекторных клапанов не будет установлен для работы механизма. Когда один из переключающих клапанов находится в положении для управления исполнительным устройством, жидкость направляется от насоса по одной из рабочих линий к исполнительному механизму. Когда селекторный клапан находится в этом положении, поток жидкости через клапан в резервуар блокируется. В системе создается давление, преодолевающее сопротивление и перемещающее поршень исполнительного цилиндра; жидкость с противоположного конца привода возвращается к селекторному клапану и течет обратно в резервуар. Работа системы после срабатывания компонента зависит от типа используемого переключающего клапана.

В системе с закрытым центром жидкость находится под давлением, когда работает силовой насос. Несколько исполнительных механизмов расположены параллельно, и несколько исполнительных устройств работают одновременно, в то время как некоторые другие исполнительные устройства не работают. Эта система отличается от системы с открытым центром тем, что селекторные или направляющие клапаны расположены параллельно, а не последовательно. Средства управления давлением насоса различаются в системе с закрытым центром. Если используется насос постоянной подачи, давление в системе регулируется регулятором давления. Предохранительный клапан действует как резервное предохранительное устройство в случае отказа регулятора. Если используется насос переменной производительности, давление в системе регулируется встроенным компенсатором механизма давления насоса. Компенсатор автоматически изменяет выходную громкость. Когда давление приближается к нормальному давлению в системе, компенсатор начинает уменьшать производительность насоса. Насос полностью компенсируется (почти нулевой расход), когда достигается нормальное давление в системе. Когда насос находится в этом полностью компенсированном состоянии, его внутренний перепускной механизм обеспечивает циркуляцию жидкости через насос для охлаждения и смазки. В качестве резерва безопасности в системе установлен предохранительный клапан.

Преимущество системы с открытым центром по сравнению с системой с закрытым центром заключается в том, что постоянное повышение давления в системе устраняется. Поскольку давление нарастает постепенно после перевода селекторного клапана в рабочее положение, скачки давления оказываются очень незначительными. Это действие обеспечивает более плавную работу исполнительных механизмов. Работа выполняется медленнее, чем в системе с закрытым центром, в которой давление доступно в момент позиционирования переключающего клапана.

Основные компоненты гидравлической системы

Независимо от своей функции и конструкции гидравлическая система имеет минимальное количество основных компонентов в дополнение к средствам, через которые передается жидкость. Базовая система состоит из гидравлического насоса, резервуара для гидравлической жидкости, направляющего клапана, обратного клапана, клапана сброса давления, переключающего клапана, исполнительного механизма и фильтра. Базовая гидравлическая система показана на рис. 1.

Рис. 1. Базовая гидравлическая система

Гидравлический резервуар представляет собой емкость для хранения жидкости, необходимой для питания системы, включая резерв для покрытия любых потерь от незначительных утечек и испарений. Резервуар обычно предназначен для обеспечения пространства для расширения жидкости, обеспечения возможности выхода воздуха, вовлеченного в жидкость, и для охлаждения жидкости. Гидравлические резервуары либо вентилируются в атмосферу, либо закрываются от атмосферы и находятся под давлением. Жидкость течет из резервуара к насосу, где она проходит через систему и в конечном итоге возвращается в резервуар. Резервуар не только обеспечивает эксплуатационные нужды системы, но и восполняет потери жидкости в результате утечек. Кроме того, резервуар служит переливным резервуаром для избыточной жидкости, вытесняемой из системы за счет теплового расширения (увеличения объема жидкости, вызванного изменением температуры), аккумуляторов, смещения поршня и штока. Резервуар также служит местом, где жидкость очищается от пузырьков воздуха, которые могут попасть в систему. Посторонние вещества, попавшие в систему, также могут быть отделены от жидкости в резервуаре или при ее протекании через линейные фильтры. Резервуары бывают напорными и безнапорными. Перегородки и/или ребра встроены в большинство резервуаров для предотвращения случайного движения жидкости в резервуаре, такого как вихревое движение (завихрение) и выбросы. Эти условия могут привести к пенообразованию жидкости и попаданию воздуха в насос вместе с жидкостью.

Для правильной работы гидравлических компонентов жидкость должна быть как можно более чистой. Загрязнение гидравлической жидкости является одной из частых причин неисправностей гидравлической системы.

В гидравлическую систему обычно попадают инородные тела и мельчайшие частицы металла в результате нормального износа клапанов, насосов и других компонентов. Сетчатые фильтры, фильтры и магнитные заглушки используются для удаления посторонних частиц из гидравлической жидкости и являются эффективным средством защиты от загрязнения. Магнитные пробки, расположенные в резервуаре, используются для удаления частиц железа или стали из жидкости. Сетчатый фильтр — это первичная система фильтрации, которая удаляет крупные частицы посторонних веществ из гидравлической жидкости. Несмотря на то, что его фильтрующее действие не так хорошо, как у фильтра, сито оказывает меньшее сопротивление потоку. Сетчатые фильтры используются для перекачки впускных линий, где падение давления должно быть сведено к минимуму. Фильтр удаляет мелкие посторонние частицы из гидравлической жидкости и является наиболее эффективным средством защиты от загрязнений. Фильтры располагаются в резервуаре, напорной линии, обратной линии или в любом другом месте, где это необходимо. Они классифицируются как полнопоточные или пропорциональные. Перепускной предохранительный клапан в корпусе позволяет жидкости обходить фильтрующий элемент и проходить непосредственно через выпускное отверстие, когда элемент засоряется. Фильтры без перепускного клапана снабжены индикатором загрязнения. Этот индикатор работает по принципу разности давлений жидкости на входе в фильтр и после выхода из элемента.

Аккумуляторы подобны электрической аккумуляторной батарее. Гидроаккумулятор хранит потенциальную мощность, в данном случае гидравлическую жидкость под давлением, для будущего преобразования в полезную работу. Эта работа может включать работу с цилиндрами и гидравлическими двигателями, поддержание необходимого давления в системе в случае отказа насоса или электропитания, а также компенсацию потери давления из-за утечки. Аккумуляторы могут использоваться в качестве распределителей жидкости и барьеров для жидкости и могут обеспечивать амортизирующее (амортизирующее) действие. Аккумуляторы могут быть пружинными, мешочными или поршневыми.

Гидравлические насосы преобразуют механическую энергию первичного двигателя (электродвигателя) в гидравлическую (напорную) энергию. Затем энергия давления используется для работы исполнительного механизма. Насосы толкают гидравлическую жидкость и создают поток. Комбинированный насосно-приводной двигатель известен как гидравлический насос. Гидравлический насос забирает гидравлическую жидкость из накопительного бака и подает ее в остальную часть гидравлического контура. Как правило, скорость насоса постоянна, и насос подает равный объем жидкости за каждый оборот. Количество и направление потока жидкости контролируются некоторыми внешними механизмами. В некоторых случаях сам гидравлический насос приводится в действие двигателем с сервоприводом, но это усложняет систему. Гидравлические насосы характеризуются пропускной способностью, потребляемой мощностью, скоростью привода, давлением на выходе и КПД насоса. Насосы не работают на 100%. КПД насоса можно определить двумя способами. Одним из них является объемная эффективность, которая представляет собой отношение фактического объема подаваемой жидкости к максимально возможному теоретическому объему. Во-вторых, энергоэффективность, которая представляет собой отношение выходной гидравлической мощности к входной механической/электрической мощности. Типичный КПД насосов варьируется от 90 % до 98 %. Гидравлические насосы обычно бывают двух типов, а именно (i) центробежный насос и (ii) поршневой насос.

Гидравлический привод получает энергию давления и преобразует ее в механическую силу и движение. Привод может быть линейным или поворотным. Линейный привод выдает усилие и движение по прямой линии. Его чаще называют цилиндром, но также называют плунжером, поршневым двигателем или линейным двигателем. Поворотный привод создает крутящий момент и вращательное движение. Его чаще называют гидравлическим мотором или мотором.

Регулировка давления — это процесс снижения высокого исходного давления до более низкого рабочего давления, подходящего для применения. Это попытка поддерживать выходное давление в допустимых пределах. Регулировка давления осуществляется с помощью регулятора давления. Основная функция регулятора давления заключается в согласовании расхода жидкости с потребностью. При этом регулятор должен поддерживать выходное давление в определенных допустимых пределах

Клапаны используются в гидравлических системах для управления работой приводов. Клапаны регулируют давление, создавая особые условия давления и контролируя, сколько жидкости будет течь в частях контура и куда она пойдет. Гидравлические клапаны делятся на три категории:управление давлением, управление потоком (объемом) и управление направлением. Некоторые клапаны имеют несколько функций, поэтому их можно отнести к нескольким категориям. Клапаны оцениваются по их размеру, возможностям давления и перепаду давления/расходу.

Тремя распространенными типами трубопроводов в гидравлических системах являются трубы, трубки и гибкие шланги, которые также называются жесткими, полужесткими и гибкими трубопроводами. Для гидравлических линий используются два типа труб:бесшовные и электросварные. Оба подходят для гидравлических систем. Знание расхода, типа жидкости, скорости жидкости и давления в системе помогает определить тип трубок, которые необходимо использовать. Шланги используются, когда необходима гибкость.

Фитинги служат для соединения узлов гидросистемы, в том числе отдельных участков кровеносной системы. Для гидравлических систем доступно множество различных типов разъемов. Типы, которые следует использовать, зависят от типа системы кровообращения (труба, трубка или гибкий шланг), текучей среды и максимального рабочего давления в системе. К наиболее распространенным типам соединителей относятся резьбовые соединители, раструбные соединители, гибкие шланговые муфты и многоразовые фитинги.

Гидравлические схемы

Гидравлические схемы представляют собой полные чертежи гидравлической схемы. В схемы включены описание, последовательность операций, примечания и список компонентов. Точные диаграммы важны для проектировщика, людей, которые строят машины, и людей, которые обслуживают гидравлическую систему. Существует четыре типа гидравлических схем. Они бывают блочными, вырезными, изобразительными и графическими. На этих диаграммах показаны (i) компоненты и то, как они будут взаимодействовать, (ii) как соединять компоненты и (iii) как работает система и что делает каждый компонент.

Блок-схема показывает компоненты с линиями между блоками, которые указывают на соединения и/или взаимодействия. Диаграмма в разрезе показывает внутреннюю конструкцию компонентов, а также пути потока. Поскольку на диаграмме используются цвета, оттенки или различные узоры в линиях и проходах, она может отображать множество различных условий потока и давления. На графической схеме показано расположение трубопроводов контура. Компоненты видны снаружи и обычно очень точно воспроизводят их реальные формы и размеры. Графическая диаграмма — это сокращенная система в отрасли, и ее обычно предпочитают для проектирования и устранения неполадок. Простые геометрические символы представляют компоненты, их элементы управления и соединения. Типичная графическая схема гидравлического контура показана на рис. 2.

Рис. 2. Типичная графическая схема гидравлического контура