СОВРЕМЕННЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ГИДРОПРИВОДЕ МОБИЛЬНЫХ МАШИН. Бекешс М.Я. научный руководитель ассис. Плачев Е.А. Сибирский федеральный университет

03.06.2020

Гидравлический привод (гидропривод) — совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии. 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.). Анализ развития современных зарубежных мобильных машин, включая землеройно-планировочные, подъемно-транспортные, для производства бетонных работ и уплотнения грунтов, дорожных оснований и покрытий, базовых колесных тягачей и др., выявил тенденцию все более широкого распространения объемного гидропривода рабочих органов и исполнительных механизмов, выполняющих возвратно-поступательное и вращательное движение. Зарубежные изготовители гидрооборудования стремятся максимально удовлетворять технические требования заказчиков. Продолжается дальнейшее совершенствование гидравлических аппаратов и интегрированных электрогидравлических устройств управления, расширяется ассортимент клапанов, присоединяемых к гидродвигателям и предохраняющих гидросистемы от перегрузок, обеспечивающих торможение исполнительных механизмов при движении и вращении. Все более широкое применение находит электронная система пропорционального управления (ЭПУ), особенно для грузоподъемных машин и механизмов с повышенными требованиями безопасности для обслуживающего персонала, а также в связи с рядом таких преимуществ, как плавное изменение скорости исполнительных механизмов, высокая точность позиционирования рабочих органов, улучшенная динамическая характеристика, защита от гидроудара, удобство дистанционного управления из безопасной зоны. Следует иметь в виду, что зарубежные мобильные машины и оборудование без гидропривода не изготавливают, потому что именно объемный гидропривод обеспечивает новые эксплуатационные свойства и высокий технический уровень. Отечественные мобильные машины в большинстве своем не имеют современного гидропривода, обеспечивающего автоматическое регулирование скорости движения и усилий исполнительных механизмов или рабочих органов, не оснащены средствами гидроавтоматики, электронного управления и технической диагностики. Основные компоненты гидрооборудования зарубежного производства с некоторыми техническими параметрами, применяемого в мобильных машинах. Насосы. В мобильных машинах наиболее часто применяют нерегулируемые и регулируемые аксиально-поршневые насосы для привода рабочих органов и исполнительных механизмов, выполняющих энергоемкие операции при высоком давлении (Рном = 25...38 МПа). Реже применяют шестеренные насосы, преимущественно для привода вспомогательных механизмов периодического действия при среднем давлении (Рном = 16...20 МПа). В промышленно развитых странах Европы и в США изготавливают более 20 типоразмеров нерегулируемых и регулируемых аксиально-поршневых гидромашин с наклонным блоком цилиндров и более 65 типоразмеров гидромашин с наклонным диском. Наблюдается тенденция все более широкого применения аксиальнопоршневых гидромашин с наклонным диском, имеющих более широкую номенклатуру и с более высокими параметрами. Аксиально-поршневые насосы и гидромоторы с объемным регулированием и реверсивным направлением потока рабочей жидкости (РЖ) предназначены для применения в гидропередачах с замкнутым потоком, в которых РЖ от гидродвигателя поступает во всасывающую полость насоса с подпиткой от дополнительного шестеренного насоса, обеспечивающего питание устройств гидроуправления. В связи с неизбежными перетечками РЖ в насосе и в гидромоторе во всасывающую гидролинию насоса РЖ поступает меньше на величину утечек, отводимых по дренажной гидролинии в бак гидросистемы. Для компенсации этого явления устанавливают насос подпитки, который под давлением 1,0...2,2 МПа нагнетает РЖ в гидролинию низкого давления. Под действием разности давлений в рабочих гидролиниях насоса распределительный золотник с гидравлическим управлением перемещается в положение, при котором гидролиния низкого давления соединяется с переливным клапаном. Таким образом осуществляется постоянный обмен РЖ в замкнутом контуре и ее охлаждение. Предохранительные клапаны позволяют перепускать РЖ из гидролинии высокого давления в гидролинию низкого давления и уменьшать динамические нагрузки при разгоне рабочего органа или ходового механизма машины. Давление в подпиточной гидролинии определяется настройкой переливного клапана. От насоса подпитки РЖ поступает через фильтр и один из обратных клапанов в гидролинию низкого давления насоса, а ее избыток поступает на слив через распределительный золотник и переливной клапан. Поскольку объемное регулирование осуществляется рабочим насосом и гидромотором без потерь мощности на дросселирование потока, оно является наиболее эффективным и широко применяется в гидропередачах с замкнутым потоком. Выходное звено такой гидропередачи – это аксиально-поршневые регулируемые или нерегулируемые гидромоторы, преимущественно с наклонным блоком цилиндров, к.п.д. которых на 3...5% выше, чем к.п.д. гидромашин с наклонным диском, и менее жесткие требования к фильтрации РЖ. Регулируемые и реверсивные насосы с наклонным диском серии V0, V250, V650 имеют следующие основные параметры: рабочий объем от 7,08 до 64,7 см3 ; номинальное давление 21 и 25 МПа; кратковременное (пиковое) давление 30...35 МПа; частота вращения номинальная 3600...3400 мин– 1; максимальная частота вращения от 3900 до 3600 мин-1; диапазон подачи РЖ от 25 до 232 л/мин; потребляемая максимальная мощность 28...115 кВт. Давление во всасывающей гидролинии равно или больше 0,08 МПа (абс), при пуске на холодном масле – не более 0,05 МПа (абс). Максимальное давление, допустимое в корпусе насоса, – 0,15 МПа. Оптимальная вязкость РЖ колеблется в пределах 15...35 мм2 / с. Рекомендуемый класс чистоты РЖ, обеспечивающий безотказный длительный срок эксплуатации, – 6 класс по стандарту NAS, 17/14 класс по ISO 4406 или эквивалентный 13 класс чистоты по ГОСТ 17216– 2001. Уровень допустимого загрязнения РЖ не должен превышать 8 класс по стандарту NAS, 18/16 класс по ISO 4406 или 13 класс по ГОСТ 17216–2001. Все типоразмеры регулируемых, реверсивных насосов V0, V250, V650 имеют исполнения, позволяющие регулировать подачу РЖ механическим изменением рабочего объема (рукояткой или тягой), дистанционным гидравлическим, электрогидравлическим релейным или пропорциональным управлением. Имеются исполнения двухпоточных насосов при последовательном (тандемном) их соединении с помощью специального фланца и муфты с приводом от одного вала. Аксиально-поршневые насосы серии V0, V250, V650 имеют следующие технические особенности: высокую частоту вращения, уменьшенные габаритные размеры, приспособлены для установки второго аксиально-поршневого насоса (двухпоточные) и подпиточных шестеренных насосов, встраиваемых предохранительных и подпиточных (антикавитационных) клапанов основного насоса; шесть видов управления подачей – ручное, ручное с сервоуправлением, автоматическое, электрическое (12 или 24 В), гидравлическое пропорциональное и электронное исполнение. Устанавливаемые в корпус насоса предохранительные клапаны могут быть настроены на необходимое давление открытия. Для обеспечения теплообмена РЖ в замкнутом контуре циркуляции потока РЖ со сливной гидролинией при реверсировании потока РЖ в корпусе насоса устанавливают обменный, или «промывочный», распределитель с дросселем. Встроенный насос подпитки создает важные эксплуатационные свойства: • возможность работы аксиально-поршневых насосов с наклонным диском при частоте вращения, превышающей в 1,6...2,26 раза частоту вращения аксиальнопоршневых насосов с наклонным блоком без подпитки, в том числе на «холодной» РЖ при низкой температуре окружающей среды; • подача насосами с наклонным диском увеличивается в 1,6...2,2 раза по сравнению с номинальной для насосов с наклонным блоком (без избыточного давления во всасывающей гидролинии) и возможностью сервоуправления подачей; • с повышением рабочего объема насосов номинальное и максимальное давление возрастает в 1,19 раза; • с повышением подачи и номинального давления потребляемая мощность насосов увеличивается в 2,5...5,5 раз, соответственно средняя удельная масса насосов серии V0, V250, V650 составляет 0,22...0,42 кг/кВт. Сравните с лучшими отечественными регулируемыми насосами, у которых этот показатель составляет 0,91 кг/кВт; • предусмотрена возможность последовательного соединения двух аксиальнопоршневых насосов с приводом от одного вала. Это позволяет удвоить гидравлическую мощность и создает благоприятные условия для независимого привода исполнительных механизмов. Например, мощность двухпоточного насоса V650-65 при номинальных давлении и частоте вращения составляет 230 кВт. Применение в гидропередаче регулируемого реверсивного насоса с наклонным диском в качестве основного обусловлено следующими его преимуществами по сравнению с аксиально-поршневым насосом с наклонным блоком цилиндров:

• более компактная конструкция (меньшие размеры) и меньшая удельная масса (кг/кВт), простое присоединение насосов подпитки и управления с помощью сквозного вала;

• более простые конструктивные возможности для повышения давления и ресурса, меньшая инерционная масса устройств, возможность обеспечить подачу РЖ в соответствии с требованием гидросистемы, что существенно улучшает эксплуатационные свойства мобильных машин.

Применение объемных гидропередач с замкнутым потоком исключает необходимость в муфтах сцепления, коробках передач, карданных валах, тормозах, кроме стояночных, так как гидропередачи выполняют функции тормоза. Направляющие гидроаппараты. Для создания современных мобильных машин серийно поставляют секционные и моноблочные многозолотниковые распределители, представляющие собой сложный гидроагрегат, который предохраняет гидросистему от чрезмерных нагрузок, обеспечивает дистанционное управление исполнительными механизмами, разгрузку от давления и другие функции. Основные параметры распределителей – номинальный расход (от 35 до 1200 л/ мин) и максимальное давление (35 МПа). Схемы соединения с исполнительными механизмами у них разные, как и типы и исполнения встраиваемых предохранительных, антикавитационных и других комбинированных клапанов, и разные виды управления золотниками, и способы возвращения золотников в нейтральную позицию.

Для дистанционного гидравлического управления ЗАО «ГидраПак Холдинг» поставляет пять блоков управления (джойстиков), двух- и четырехкоординатных с ручным, педальным (ножным) управлением и блоки питания системы управления с гидроаккумулятором. Многозолотниковые распределители позволяют совмещать рабочие операции, предусмотренные гидравлической схемой машины, в соответствии с заданными функциями исполнительных механизмов в конкретных условиях применения. Некоторые конструкции распределителей имеют защитные и другие дополнительные устройства, обеспечивающие безопасность при выполнении грузоподъемных операций. Наиболее часто применяются четырехлинейные двух- и трехпозиционные (4/2 и 4/3) распределители с цилиндрическими золотниками, имеющие открытый центр в нейтральной позиции золотника (проточная схема), когда напорная гидравлическая линия соединена со сливом внутри распределителя. Однако для некоторых мобильных машин, требующих изменения направления движения и регулировки скорости рабочих органов, применяют шестилинейные трехпозиционные (6/3) и реже четырехпозиционные четырехлинейные (4/4) распределители, чтобы получить «плавающую» позицию.

Современные конструкции распределителей с компенсаторами давления в виде регулируемых дросселей, встроенных в пропорциональные клапаны, постоянно отслеживают давление между регулируемым дросселем и потребителем (гидромотором или гидроцилиндром) и передают сигнал об изменении внешней нагрузки на регулятор насоса, изменяющий в свою очередь подачу насоса в гидроприводе с разомкнутым потоком. Такой гидропривод с системой LS (LoadSensing) обеспечивает быстрое и точное регулирование расхода РЖ практически независимо от внешней нагрузки, уменьшает потери давления, выделение тепла и демонстрирует значительное энергосбережение в отличие от обычных гидравлических систем. Номенклатура одно- и многозолотниковых селекторных распределителей с ручным и электромагнитным управлением широкая: на давление 21...35 МПа и расход 30...250 л/мин. Конструктивные возможности таких распределителей позволяют применять их в качестве связующего звена между потребителями и основным распределителем, когда необходимо управлять двумя и более потребителями попеременно с помощью основного распределителя. Обычно селекторные распределители состоят из одного или двух управляющих золотников с возвратными пружинами и электромагнитов. Для переключения золотников в одну из рабочих позиций применяется комбинированное переключение первого или второго электромагнита. В результате переключения открываются каналы для прохождения потока РЖ и устанавливается связь между отверстиями основного потока. При отключении питания электромагнита возвратная пружина перемещает золотник в нейтральную позицию. При необходимости переключить распределитель можно вручную, нажав на кнопку аварийного управления на торце электромагнита. Основные параметры шестилинейных двухпозиционных распределителей на условный проход 10 мм: максимальное давление 31,5 МПа; 13 класс чистоты РЖ по ГОСТ 17216–2001; кинематическая вязкость РЖ от 15 до 800 мм2 / с; допустимый диапазон температуры РЖ от –40 до +70 °С. Электрические параметры: напряжение питания электромагнита 12 или 24 В постоянного тока; потребляемая мощность 45 Вт; температура окружающей среды от – 40 до +50 °С; температура катушки электромагнита до +180 °С. Эти новые для отечественной промышленности так называемые селекторные (переключающие) распределители, или переключатели, обеспечивают приоритетный выбор направления потока РЖ. Обычно их устанавливают между двумя потребителями и основным распределителем, когда необходимо управлять обоими потребителями попеременно с помощью одного основного распределителя. Применение этих распределителей показало удобство в управлении исполнительными механизмами и в ряде случаев позволило значительно уменьшить количество и длину применяемых трубопроводов и рукавов высокого давления, а также снизило себестоимость.