Гидроприводы в промышленности. Часть II

Потребителями гидроприводов в России являются практически все отрасли экономики. Но в машиностроении, металлургии, сельском хозяйстве, на транспорте, в добывающих и многих других сферах производства в основном применяются объемные приводы

Основная часть объемного привода — это гидромашина, состоящая из насоса и гидродвигателя. Насос преобразовывает энергию приводного двигателя (электрического, бензинового, дизеля и др.) в движение рабочей жидкости, а гидродвигатель — снова в возвратно-поступательное или вращательное механическое движение, необходимое для работы самого различного оборудования (часть такого оборудования представлена в таблице 1). Одно из достоинств объемных гидромашин состоит в том, что они обратимы и могут работать как в качестве насоса, так и в качестве двигателя

Структура объемного гидропривода
Объемный гидропривод — достаточно сложное устройство. Принято различать его 4 основные подсистемы: гидропередачу, устройства управления, вспомогательные устройства и гидролинии (см. рисунок 1).

Объемная гидропередача — это так называемая силовая часть гидропривода. Ее главные элементами являются насос и гидродвигатель. Если выходное звено гидромашины получает вращательное движение, то такой двигатель называют гидромотором, если возвратно-поступательное, то — силовым цилиндром

В состав гидропередач может входить гидроаккумулятор (емкость, предназначенная для аккумулирования энергии рабочей жидкости, находящейся под давлением), позволяющий использовать эту энергию по мере необходимости. Кроме того, в гидропередачу могут включаться также гидропреобразователи — устройства для изменения уровня давления и расхода рабочей жидкости

Собственно для управления изменением или поддержанием на нужном уровне давления и расхода, а также изменением направления движения потока рабочей жидкости служат такие устройства, как:
• гидрораспределители — для изменения направления движения потока рабочей жидкости, нужной последовательности включения в работу гидродвигателей, реверсирования движения их выходных звеньев и т. д.;
• регуляторы давления (предохранительный, редукционный, переливной и другие клапаны) — для регулирования давления рабочей жидкости;
• регуляторы расхода (делители и сумматоры потоков, дроссели и регуляторы потока, направляющие клапаны);
• гидравлические усилители мощности сигналов управления.
К вспомогательным же устройствам обычно относят так называемые кондиционеры рабочей жидкости (фильтры, теплообменные аппараты и др.), гидравлические реле давления, гидроемкости, уплотнители, обеспечивающие герметизацию системы и др. А гидролинии — это трубы, рукава высокого давления, каналы и соединения, по которым циркулирует рабочая жидкость. Сами гидролинии подразделяются на всасывающие, напорные, сливные, дренажные, а также гидролинии управления

Насосы и лицензии

В гидроприводах применяются различные насосы: шестеренные, пластинчатые, поршневые и др. Каждый из них используется так, чтобы полнее реализовать присущие им достоинства. Например, в станкостроении, при сравнительно высоких давлениях, применяют регулируемые (с изменяемым рабочим объемом) радиально-поршневые насосы типа НП с максимальной подачей до 400 л/мин. и давлением до 200 МПа. Рабочими камерами в таком насосе являются радиально расположенные цилиндры, а вытеснителями — поршни. При вращении ротора поршни вначале выдвигаются из цилиндров (происходит всасывание), а затем вдвигаются внутрь (нагнетание).

Соответственно движется и рабочая жидкость — она вначале заполняет цилиндры, а затем поршнями вытесняется в напорную линию гидросистемы. Сами же поршни выдвигаются и прижимаются к статору или центробежной силой, или принудительно — пружиной, давлением рабочей жидкости и др.

Еще больше достоинств у аксиально-поршневых насосов, к которым относят: меньшие радиальные размеры, массу, габариты и момент инерции; возможность работы при большом числе оборотов; удобство при монтаже и ремонте. Такие насосы конструктивно подразделяются на два типа: выполненные с наклонным блоком либо с наклонным диском. Рабочими камерами аксиально-поршневых насосов также являются цилиндры, а вытеснителями — поршни

Многие считают, что на отечественном рынке (так же, как и стран СНГ) аксиально-поршневых гидромашин преобладает оборудование, созданное на базе лицензий зарубежных фирм. О компании Bosch Rexroth мы говорили в первой части статьи. К созданным с помощью лицензий можно также отнести аксиально-поршневые гидромашины типа Hydro-Gigant фирмы Constantin Ranch RG, которые применяются в основном на строительно-дорожных машинах и судовых гидроприводах.

Они выполнены по схеме с наклонным блоком цилиндров. При такой конструкции основными аргументами в пользу схемы с наклонным блоком были: лучшая всасывающая способность и менее жесткие требования к очистке и вязкости рабочей жидкости. Дело в том, что для гидромашин с наклонным блоком ресурс работы зависит прежде всего от долговечности подшипников качения фланца приводного вала, а не от чистоты рабочей жидкости. Поэтому для них достаточной считается тонкость фильтрации жидкости порядка 25 мкм. А ресурс гидромашин с наклонным диском зависит в основном от степени очистки рабочей жидкости, поэтому и тонкость фильтрации, как правило, должна быть не грубее 10 мкм.

Бытует мнение, что производство аксиально-поршневых гидромашин позволило прежде всего решить проблему оснащения экскаваторов общим гидроприводом — и для рабочих органов, и для передвижения. Связано это с тем, что специфика работы экскаваторов, имеющих разнесенные во времени циклы — технологический при копании и транспортный для передвижения между объектами, — позволяет использовать единый насос для обоих циклов. Хотя, с точки зрения других специалистов, более широкие возможности дает комбинация двух насосов с приводом вращения от общего вала. И не случайно большинство экскаваторов оснащено сдвоенными насосами. Кстати, в отличие от экскаваторов в ряде дорожных машин (грейдеров, асфальтоукладчиков, снегоочистителей) и другой техники (например, зерноуборочных комбайнов), технологический режим жестко увязан с транспортным, поэтому для них требуется обязательная установка раздельных насосных установок.

Что же касается схемы насосов с наклонным диском, то в России и странах СНГ по лицензии фирмы Sauer-Sundstrand ее освоили несколько предприятий с объемом ежегодного выпуска 150 тыс. шт. Речь идет о с рабочем объеме от 33 до 338 куб. см на давление до 35 МПа.

Отечественное оборудование

Сегодня аксиально-поршневые гидромашины выпускаются многими предприятиями России и стран СНГ. Например, Санкт-Петербургское ЗАО «ЦНИИ судового машиностроения» производит два типоразмерных ряда гидромашин:

• насосы с регулируемым рабочим объемом 55, 107, 225, 468 и 915 куб. см;
• гидромоторы с постоянным рабочим объемом от 12 до 1830 куб. см.

Это же объединение может предложить и модернизированные гидромоторы с гидростатической разгрузкой подшипников приводного вала, что позволяет поднять их ресурс до 14000 часов.

В АО «Машиностроение и гидравлика» (Московский машиностроительный завод им. М. И. Калинина) был освоен выпуск гидромашин с рабочими объемами 11,6; 28 и 56 куб. см, в том числе: мотор-насосов с постоянным рабочим объемом серии 210 и насосов с регулируемым рабочим объемом в однопоточном исполнении типа 313.16 (28 куб. см), 313.20 (56 куб. см) и 207.20 (56 куб. см), двухпоточном исполнении типа 224А.20 и 323.20 (2 х 56 куб. см, ) и трехпоточном исполнении 333.20 (два регулируемых насоса по 56 куб. см и один нерегулируемый 11,6 куб. см). В насосе типа 333.20 при номинальном давлении 20 МПа максимальное давление составляет 32 МПа, а предельное — 40 МПа;

В программе екатеринбургского ОАО «Пневмостроймашина» есть гидромашины с рабочим объемом: 12, 28, 56, 112 и 160 куб. см, в том числе мотор-насосы с нерегулируемым рабочим объемом, регулируемые нереверсивные насосы и регулируемые гидромоторы. Эти машины предназначены для работы на номинальном давлении 20 МПа (максимальное давление составляет 32 и 35 МПа), при температуре рабочей жидкости в процессе эксплуатации от ─40 до +75°С.

Одесский завод «Стройгидравлика» выпускает насосы и гидромоторы с постоянным рабочим объемом 56 и 112 куб. см, насосы с регулируемым рабочим объемом 112 и 224 куб. см (в том числе сдвоенные 2 х 112 куб. см). К настоящему времени разработчикам удалось повысить их номинальное давление от 16 до 20 и 25 МПа, а максимальное — до 32 и 35 МПа. Насосы комплектуются автоматическими регуляторами мощности.

Разумеется, этими примерами не ограничивается перечень предприятий России и СНГ, производящих аксиально-поршневые гидромашины, — их гораздо больше. Характеристики этого типа оборудования скрываются за их десятизначными буквенно-цифровыми обозначениями. Приведем расшифровку самих обозначений аксиально-поршневых гидромашин (рисунок 2).

Жидкости и присадки

Гидравлический привод не может действовать без рабочей жидкости. В качестве рабочих жидкостей в данном случае применяют минеральные масла, водомасляные эмульсии, смеси и синтетические жидкости. Минеральные масла получают в результате переработки высококачественных сортов нефти с добавлением в них специальных присадок: антиокислительных, вязкостных, противоизносных, снижающих температуру застывания жидкости, антипенных и т. д.

Водомасляные эмульсии представляют собой смеси воды и минерального масла в соотношениях 100:1, 50:1 и т. д. Эмульсии применяют в гидросистемах машин, работающих в пожароопасных условиях и в машинах, где требуется большое количество рабочей жидкости (например, в гидравлических прессах). Смеси различных сортов минеральных масел между собой, с керосином, глицерином и т. д. применяют в гидросистемах высокой точности, а также в гидросистемах, работающих в условиях низких температур. Синтетические жидкости создаются на основе силиконов, хлор— и фторуглеродистых соединений, полифеноловых эфиров и т. д. Они негорючи, стойки к воздействию химических элементов, обладают стабильностью вязкостных характеристик в широком диапазоне температур. Кстати, в последнее время, даже несмотря на высокую стоимость, синтетические жидкости находят все большее применение в гидроприводах машин общего назначения. Тем не менее основной рабочей жидкостью для гидроприводов, работающих в промышленности, продолжает оставаться минеральное масло.

В целом гидравлические масла должны обладать определенными характеристиками, такими как:

• оптимальный уровень вязкости и хорошие вязкостно-температурные свойства в широком диапазоне температур, т. е. высокий индекс вязкости;
• высокие антиокислительные свойства, а также термическая и химическая стабильность, обеспечивающие длительную бессменную работу масла в гидросистеме;
• защита деталей гидропривода от коррозии и износа;
• хорошая фильтруемость;
• достаточные деаэрирующие, деэмульгирующие и антипенные свойства;
• совместимость с материалами гидросистемы.

Сами гидроприводы постоянно совершенствуются, и этот процесс связан с повышением требований к рабочей жидкости. В частности, при повышении давления повышается и верхний температурный предел масел. Следствием уменьшения общей массы привода или увеличения отношения передаваемой мощности к массе является более интенсивная эксплуатация рабочей жидкости. А уменьшение рабочих зазоров между деталями ужесточает требования к чистоте масла.

Главное качество

Основной характеристикой гидравлического масла продолжает оставаться его вязкость. Принятая в мире классификация минеральных гидравлических масел базируется прежде всего на их вязкости и наличии присадок, обеспечивающих нужный уровень эксплуатационных свойств. Например, обозначение отечественных гидравлических масел состоит из трех групп знаков, первая из которых обозначается буквами «МГ» (минеральное гидравлическое), вторая группа — цифрами и характеризует класс кинематической вязкости, третья — буквами и указывает на эксплуатационные свойства.

По значению вязкости при 40°С (ГОСТ 17479.3−85, соответствующий международному стандарту ISO 3448) гидравлические масла делятся на 10 классов (таблица 2).

Что же касается эксплуатационных свойств и состава (наличия соответствующих функциональных присадок) гидравлические масла делят на группы — А, Б и В:

• группа А (группа НН по ISО) — нефтяные масла без присадок, применяемые в малонагруженных гидросистемах с шестеренными или поршневыми насосами, работающими при давлении до 15 МПа и максимальной температуре масла в объеме до 80°С;
• группа Б (группа HL по ISO) — масла с антиокислительными и антикоррозионными присадками. Предназначены для средненапряженных гидросистем с различными насосами, работающими при давлениях до 25 МПа и температуре масла в объеме свыше 80°С;
• группа В (группа HM по ISO) — хорошо очищенные масла с антиокислительными, антикоррозионными и противоизносными присадками. Предназначены для гидросистем, работающих при давлении свыше 25 МПа и температуре масла в объеме свыше 90°С.

Приведенные в таблице данные справедливы для «тепличных» условий работы гидромашины. А в реальной жизни приходится эксплуатировать гидроприводы в самых различных условиях, часто — при более высокой или низкой температуре окружающего воздуха. При этом особые неприятности поджидают при низких температурах. Например, при безгаражном хранении техники в зимнее время вязкость масла становится настолько высокой, что при запуске гидросистемы насос некоторое время не может прокачать рабочую жидкость.

В результате — так называемое «сухое» трение подвижных частей насоса, кавитация, интенсивный износ и преждевременный выход оборудования из строя. Поэтому при применении рабочих жидкостей в условиях отрицательных температур перед пуском гидропривода рабочую жидкость подогревают. Сам же нижний температурный предел определяется двумя показателями: полным заполнением рабочих камер и «прокачиваемостью» жидкости. А у разных насосов он различен, точно так же, как и верхний, связанный с допустимым увеличением утечек, снижением объемного КПД, а также с прочностью пленки рабочей жидкости (см. таблицу 3).

Шестеренные и другие

Что же касается шестеренных насосов, то их основным преимуществом является конструкционная простота, компактность, надежность в работе и сравнительно высокий КПД. В машиностроении шестеренные насосы применятся в системах с дроссельным регулированием. Основная часть шестеренных насосов, применяемых в промышленности, сконструирована на основе двух прямозубых шестерен внешнего зацепления. Такой насос состоит из ведущей и ведомой шестерен, размещенных в корпусе с небольшим зазором. При вращении шестерен жидкость, заполнившая рабочие камеры (межзубовые пространства), переносится из полости всасывания в полость нагнетания, откуда и вытесняется в напорный трубопровод. В отечественном машиностроении применяются также и другие конструктивные схемы, например, насосы с внутренним зацеплением, трех— и более шестерные насосы.

Пластинчатые насосы так же, как и шестеренные, просты по конструкции, компактны, надежны в эксплуатации и сравнительно долговечны. В них рабочие камеры образованы поверхностями статора, ротора, торцевых распределительных дисков и двумя соседними вытеснителями-платинами. Эти пластины также называют лопастями, лопатками или шиберами. Такие насосы могут быть одно-, двух— и многократного действия. Например, в насосах однократного действия одному обороту вала соответствует одно всасывание и одно нагнетание, в насосах двукратного действия — два всасывания и два нагнетания.

Валерий Казиев www.expert.ru