Пути повышения эффективности гидропривода

Введение
Гидравлический привод (гидропривод) — совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии. Обязательными элементами гидропривода являются насос и гидродвигатель.Гидропривод представляет собой своего рода «гидравлическую вставку» между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.).Основное назначение гидропривода, как и механической передачи, — преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.).В общих чертах, передача энергии в гидроприводе происходит следующим образом:Приводной двигатель передаёт вращающий момент на вал насоса, который сообщает энергию рабочей жидкости.Рабочая жидкость по гидролиниям через регулирующую аппаратуру поступает в гидродвигатель, где гидравлическая энергия преобразуется в механическую.После этого рабочая жидкость по гидролиниям возвращается либо в бак, либо непосредственно к насосу.Глава 1. Общие сведения Область примененияОбъёмный гидропривод применяется в горных и строительно-дорожных машинах. В настоящее время более 50% общего парка мобильных строительно-дорожных машин (бульдозеров,эскаваторов и др.) является гидрофицированной. Это существенно отличается от ситуации 30-х - 40-х годов 20-го века, когда в этой области применялись в основном механические передачи. Широкое распространение получил гидропривод в авиации. Насыщенность современных самолётов системами гидропривода такова, что общая длина трубопроводов современного пассажирского авиалайнера может достигать нескольких километров. В автомобильной промышленности самое широкое применение нашли гидроусилители руля, существенно повышающие удобство управления автомобилем. Эти устройства являются разновидностью следящих гидроприводов. Гидроусилители применяют и во многих других областях техники (авиации, тракторостроении, промышленном оборудовании и др.), целом, границы области применения гидропривода определяются его преимуществами и недостатками. Области применения гидроусилителей:1. Станкостроение. Металлообрабатывающие станки, прессовое оборудование, пресс-автоматы для пластмасс.2. Лесная отрасль. Валочно-пакетирующие машины, погрузчики-штабелеры, машины сучкорезные, установки раскряжевочные, валочно-трелевочные машины, лесоповалочные машины. 3. Нефте- и газодобывающая отрасль. Машины для ремонта скважин, лебедки, трубоукладчики, гидроключи, гидроманипуляторы.4. Строительно-дорожная и подъемно-транспортная техника Автокраны, автогрейдеры, автогидроподъемники, бульдозеры, асфальтоукладчики, бетоноукладчики, катки, экскаваторы, погрузчики, косилки роторные дорожные, подъемники. 5. Судостроение. Приводы судовых механизмов, механизмы подъема якорей, катера, гидроманипуляторы, лебедки гидравлические.6. Инженерная техника Машины для наведения мостов, бензозаправщики, траншеекопатели, колесные тягачи, вездеходы автокраны.7. Металлургия Прокатные станы, литьевые машины, установки для транспортировки ленты, прессы гидравлические правильные.8. Горнодобывающие отрасли. Скреперы, карьерные экскаваторы, карьерные самосвалы, угольные комбайны, солевые комбайны, бульдозеры, автогидроподъемники, фронтальные погрузчики, путеремонтные машины, автогрейдеры.9. Железно-дорожный транспорт. Рельсоукладчики, балластоукладчики, щебнеочистительные машины, выправочно-подбивочные машины, погрузчики, трелевочные трактора, гидравлические краны на ж/д ходу, путеремонтные машины, краново-бурильные машины.10. Коммунальное хозяйство Снегоуборочные машины, мусоровозы, пожарные машины, пескоразбрасыватели, уборочные машины. 11. Аэродромная техника Аэродромно-уборочные машины, погрузчики, подъемники, снегоуборочные машины, заправщики, лестницы. Преимущества и недостаткиШирокое распространение гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин. Вот основные из них:1. Бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена гидропередачи и обеспечение малых устойчивых скоростей. Минимальная угловая скорость вращения вала гидромотора может составлять 2…3 об/мин.2. Небольшие габариты и масса. Время разгона, благодаря меньшему моменту инерции вращающихся частей не превышает долей секунды в отличие от электродвигателей, у которых время разгона может составлять несколько секунд.3. Частое реверсирование движения выходного звена гидропередачи. Например, частота реверсирования вала гидромотора может быть доведена до 500, а штока поршня гидроцилиндра даже до 1000 реверсов в минуту.4. Большое быстродействие и наибольшая механическая и скоростная жесткость. Механическая жесткость - величина относительного позиционного изменения положения выходного звена под воздействием изменяющейся внешней нагрузки. Скоростная жесткость - относительное изменение скорости выходного звена при изменении приложенной к нему нагрузки.5. Автоматическая защита гидросистем от вредного воздействия перегрузок благодаря наличию предохранительных клапанов.6. Хорошие условия смазки трущихся деталей и элементов гидроаппаратов, что обеспечивает их надежность и долговечность. Так, например, при правильной эксплуатации насосов и гидромоторов срок их службы доведен в настоящее время до 5…10 тыс. ч работы под нагрузкой. Гидроаппаратура может не ремонтироваться в течение долгого времени (до 10…15 лет).7. Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотные без применения каких-либо механических передач, подверженных износу. Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту автоматизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе. Гидроприводу присущи и недостатки, которые ограничивают его применение. Основные из них следующие.8. Изменение вязкости применяемых жидкостей от температуры, что приводит к изменению рабочих характеристик гидропривода и создает дополнительные трудности при эксплуатации гидроприводов (особенно при отрицательных температурах).9. Утечки жидкости из гидросистем, которые снижают КПД привода, вызывают неравномерность движения выходногозвена гидропередачи, затрудняют достижение устойчивой скорости движения рабочего органа при малых скоростях.10. Необходимость изготовления многих элементов гидропривода по высокому классу точности для достижения малых зазоров между подвижными и неподвижными деталями, что усложняет конструкцию и повышает стоимость их изготовления.11. Взрыво- и огнеопасность применяемых минеральных рабочих жидкостей.12. Невозможность передачи энергии на большие расстояния из-за больших потерь на преодоление гидравлических сопротивлений и резкое снижение при этом КПД гидросистемы. Глава 2. Повышение эффективности гидроприводаПроблема повышения эффективности гидравлического привода решается на стадии его проектирования, изготовления и эксплуатации.Применение материалов повышенной прочности для изготовления ответственных деталей гидрооборудованияВ качестве примера этого направления повышения работоспособности можно отметить применение более стойких металлов в насосах, регулирующей и направляющей гидроаппаратуре для изготовления деталей, подверженных кавитационной эрозии. Применение хладностойких сталей для изготовления штоков и проушин гидроцилиндров, валов насосов и гидромоторов, применение прочных и морозостойких полиуретановых и резинотканевых уплотнений гидрооборудования, которые имеют высокую прочность, сохраняют достаточную эластичность в широком диапазоне температуры и не подвержены интенсивному старению и вулканизации.Применение новых конструкция гидрооборудованияДаже небольшие изменения конструкции существующего гидрооборудования позволяют повысить их работоспособность при экстремальных температурах. Например, применение эластичных прокладок и изменение посадок в соединении штуцер-корпус распределителя позволяет уменьшить низкотемпературное разрушение последнего. Уменьшение концентраторов напряжений на валу насосов и гидромоторов также позволяет сократить их поломки в период пуска при прецизионных соединениях направляющей и регулирующей аппаратуры. Применение соответствующих посадок в гидроаппаратуре исключает случаи низкотемпературного защемления подвижных элементов в зазорах и тем самым предотвращает возможные аварийные ситуации.Разработка новых гидравлических системПрименение рациональной разводки гидравлической системы, уменьшение протяженности и изгибов всасывающей, напорной и сливной гидролиний за счет рационального расположения гидрооборудования на машине, использования электрогидравлического способа управления и объединения функций двух-трех гидроаппаратов в одном позволяет уменьшить потери энергии в гидролиниях и увеличить полезные усилия на гидродвигателях при низких температурах окружающей среды и рабочей жидкости. К этому методу следует отнести, например, использование гидрозамков или дросселей с обратными клапанами, предназначенных для исключения быстрого самопроизвольного опускания рабочего оборудования, применения вторичных предохранительных клапанов, а также клапанов с различными логическими функциями. Кроме того, существенно повысить работоспособность гидрофицированных машин можно применением регулируемых аксиально-поршневых насосов с так называемым ноль-установителем, который при пуске насоса автоматически уменьшает угол наклона блока цилиндров и тем самым обеспечивает минимальную подачу жидкости.Это позволяет уменьшить типовые давления в период пуска и, как следствие, крутящий момент на валу, что в конечном итоге исключает задиры и заклинивание в поршневой группе насоса. Таким образом, прогрев двигателя внутреннего сгорания и разогрев рабочей жидкости в гидросистеме могут быть осуществлены при минимальной подаче насоса и минимальных нагрузках.Применения маловязких рабочих жидкостейВсесоюзным научно-исследовательским институтом нефтяной промышленности (ВНИИНП) совместно с Всесоюзным научно исследовательским и проектно-конструкторским институтом промышленных гидроприводов и гидроавтоматики ВНИИ гидропривод и Всесоюзный научно-исследовательский и институтом строительного и дорожного машиностроения (ВНИИстройдормаш) разработаны гидравлические масла ВМГЗ и МГ. Эти масла созданы с целью уменьшения номенклатуры рабочих жидкостей, обеспечения работоспособности гидроприводов самоходных машин, эксплуатируемых на открытом воздухе в различных климатических условиях. Применение этих масел, особенно в гидросистемах с аксиально-поршневыми насосами, позволило расширить географическую зону эксплуатации и отказаться от двенадцати сортов масел, использовавшихся ранее. Длительный период эксплуатации гидрофицированных машин показал, что масла ВМГЗ и МГ обладают хорошими эксплуатационными свойствами: обеспечивают защиту металлических поверхностей трения от задиров и износа, удовлетворительно предотвращают коррозию, слабо образуют смолистые осадки, имеют хорошие антипенные свойства.Однако необходимо отметить, что маловязкие минеральные масла при температурах выше плюс 35°С не обеспечивают достаточную защиту поверхностей трения, что приводит к повышенным внутренним и наружным утечкам рабочей жидкости, что, в свою очередь, снижает объемный КПД гидронасосов и гидромоторов и производительность гидрофицированных машин.Оптимизация теплового режима гидроприводаЭто направление следует считать наиболее радикальным, т. к. оно позволяет решить проблемы работоспособности гидропривода в комплексе. Оптимальный тепловой режим дает возможность уменьшить потери давления жидкости в гидросистеме и потери на трение в гидрооборудовании увеличить долговечность гидрооборудования, повысить объемный КПД и производительность машин; исключить кавитацию и ее отрицательные последствия. Кроме того, регулирование температуры способствует сохранению химической стабильности рабочей жидкости, уменьшает наружные утечки, а главное, позволяет использовать в гидроприводе одно масло в течение всего года. Все это достигается с помощью искусственного поддержания температуры (вязкости) минерального масла в оптимальном диапазоне, граничные температуры которого зависят от конструкции гидропривода и марки используемой рабочей жидкости. Для регулирования температуры рабочей жидкости в гидросистему вводится дополнительное устройство, которое при низких температурах за счет специальных подогревателей или тепла, выделяемого двигателем внутреннего сгорания, способствует интенсивному разогреву масла, а при высоких температурах увеличивает теплообмен гидропривода с окружающей средой за счет ввода дополнительных поверхностей теплоотдачи, обдува гидросистемы, применения масляных радиаторов.Следует помнить, что все шесть рассмотренных методов повышения работоспособности гидропривода ни в коем случае не исключают и не заменяют полностью друг друга, а органично сочетаются между собой. Поэтому при проектировании гидроприводов машин, предназначенных для эксплуатации в районах с суровым и резко континентальным климатом, необходимо учитывать возможность сочетания всех методов.В заключение необходимо отметить, что в настоящее время предпусковой разогрев рабочей жидкости находит широкое применение на отечественных и зарубежных машинах.
Заключение

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. С развитием электроники и вычислительных средств связан прогресс в области диагностирования гидропривода. Процесс диагностирования некоторых современных машин простыми словами может быть описан следующим образом. Специалист подключает переносной компьютер к специальному разъёму на машине. Через этот разъём в компьютер поступает информация о значениях диагностических параметров от множества датчиков, встроенных в гидросистему. Программа или специалист анализирует полученные данные и выдаёт заключение о техническом состоянии машины, наличии или отсутствии неисправностей и их локализации. По такой схеме осуществляется диагностирование, например, некоторых современных ковшовых погрузчиков. Развитие вычислительных средств позволит усовершенствовать процесс диагностирования гидропривода и машин в целом. Важную роль в развитии гидропривода может сыграть создание и внедрение новых конструкционных материалов. В частности, развитие нанотехнологий позволит повысить прочность материалов, что позволит уменьшить массу гидрооборудования и его геометрические размеры, повысить его надёжность. С другой стороны, создание прочных и одновременно эластичных материалов позволит, например, уменьшить недостатки многих гидравлических машин, в частности, увеличить развиваемое диафрагменными насосами давление.
Список используемой литературы
1. Гейер В. Г., Дулин В. С., Заря А. Н. Гидравлика и гидропривод: Учеб для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1991.2. Лепешкин А. В., Михайлин А. А., Шейпак А. А. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебник, ч.2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. / под ред. А. А. Шейпака. — М.: МГИУ, 2003.3. Лозовецкий В.В., « Гидро- и Пневмосистемы транспортно-технологических машин»/ Лозовецкий В.В. //Лань, 2012.4. Юфин А. П. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод. — М.: Высшая школа, 1965.