Гидравлический привод строительных машин

В большинстве современных моделей универсальных одноковшовых экскаваторов, самоходных стреловых кранов, погрузчиков, бульдозеров, скреперов и других строительных машинах для передачи мощности от двигателя к рабочим механизмам применяется гидравлический объемный (статический) привод. В объемном гидроприводе используется энергия (статический напор) практически несжимаемой рабочей жидкости (минеральное масло), нагнетаемой гидравлическими насосами.

На рис. 1.1 приведена принципиальная схема гидропривода механизма подъема стрелы одноковшового экскаватора.

Рабочая жидкость всасывается-из бака через фильтр насосом и подается через золотниковое распределительное устройство в одну из полостей силовых цилиндров. Из противоположных полостей через тот же распределитель рабочая жидкость сливается в бак.

Для предохранения гидросистемы от перегрузок на нагнетательной линии устанавливают предохранительный клапан, сбрасывающий при максимальном давлении, на которое он отрегулирован, избыток рабочей жидкости обратно в бак. Привод насоса осуществляется от основного двигателя машины.

В гидроприводах строительных машин широко распространены шестеренные, аксиально-поршневые насосы и гидромоторы.

Насосы преобразуют механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости; гидромоторы преобразуют энергию потока рабочей жидкости в механическую, вращая приводные валы механизмов.

Шестеренные насосы выполняют с внешним и внутренним зацеплением. Они могут иметь одну или несколько секций. На рис. 1.2 приведена схема односекционного насоса типа НШ с внешним зацеплением. При вращении шестерен, в направлении, указанном стрелками, рабочая жидкость из бака поступает во всасывающую камеру корпуса 3 насоса. Из камеры всасывания жидкость, заключенная во впадинах шестерен, переносится в камеру нагнетания и выдавливается в рабочую магистраль. Число зубьев шестерен колеблется в пределах от 6 до 12. Односекционные насосы развивают рабочее давление до 100 кгс/см2 (10 МП а).

Для получения больших давлений — до 140 кгс/см2 (14 МПа) иногда применяют многосекционные насосы, состоящие из нескольких пар шестерен — секций (обычно двух или трех), расположенных последовательно.

Рис. 1.1. Принципиальная схема гидропривода под-иема стрелы одноковшового экскаватора:
1 — фильтр; 2 — бак; 3 — насос; 4 — напорная линия; 5 — золотниковое распределительное устройство; 6 — рукоять управления; 7 — силовые гидроцилиндры двустороннего действия; 8 и 9 — трубопроводы; 10 — стрела; 11 — рукоять; 12 — ковш; 13 — предохранительный клапан; 14 — сливная линия

Шестеренные насосы просты по конструкции, малогабаритны и имеют невысокую стоимость. Основные их недостатки — сравнительно малый КПД (0, 6—0, 75) и небольшой срок службы при работе с высоким Давлением.

Аксиально-поршневые насосы и гидромоторы (рис. 1.3) аналогичны по конструкции и состоят из неподвижного распределительного диска, вращающегося блока поршней со штоками и приводного вала. Блок имеет восемь расположенных по окружности цилиндров. Приводной вал, опирающийся на три шарикоподшипника, передает вращение блоку цилиндров через универсальный шарнир (карданный вал). Поршни также шарнирно связаны с приводным валом при помощи штоков, шаровые головки которых завальцованы во фланцевой части вала.

Рис. 1.2. Схема односекционного шестеренного насоса с внешним зацеплением

Блок, вращающийся на шарикоподшипнике, расположен к приводному валу под углом сс = 30°. Благодаря этому при вращении вала поршни движутся вместе с блоком и одновременно перемещаются возвратно-поступательно вдоль оси цилиндров 6, попеременно засасывая рабочую жидкость из всасывающей магистрали и выталкивая ее в напорную магистраль. Блок цилиндров прижат пружиной к неподвижному распределительному Всасывание диску. В диске имеются два дуговых окна (рис. 1.3, 6), через одно из которых жидкость засасывается из бака, а через другое нагнетается поршнями в напорную магистраль. Перемычки между окнами отделяют полость всасывания от полости нагнетания. При вращении блока отверстия цилиндров соединяются либо со всасываюющей, либо с напорной магистралями. За половину оборота вала каждый поршень перемещается к верхнему торцу блока, при этом рабочая жидкость засасывается под поршень из всасывающей магистрали через всасывающее окно распределительного диска. За следующую половину оборота поршень движется к нижнему торцу блока, при этом жидкость вытесняется из-под поршня через нагнетательное окно диска в напорную магистраль.

Рис. 1.3. Аксиально-поршневой насос:
а — конструктивная схема; б — схема действия неподвижного распределительного диска

При использовании аксиально-поршневого насоса в качестве гидродвигателя по напорной магистрали от насоса нагнетается рабочая жидкость и ее давление на поршни преобразуется во вращение приводного вала. Отработавшая жидкость отводится от гидродвигателя по сливному трубопроводу. Для реверсирования гидродвигателя меняют местами нагнетательный и сливной трубопроводы или изменяют направление потоков жидкости в них на противоположное.

Современные аксиально-поршневые насосы развивают рабочее давление до 160—175 кгс/см2 (16—17, 5 МПа) и выше и имеют высокий КПД —до 0, 96—0, 98.

Различают регулируемые (переменной подачи) и нерегулируемые (постоянной подачи) аксиально-поршневые насосы. У нерегулируемых насосов угол а наклона вращающегося блока цилиндров по отношению к оси приводного вала постоянен. В регулируемом насосе имеется возможность изменения угла наклона качающего блока цилиндров в процессе работы. При плавном изменении угла взаимного расположения вала и блока цилиндров будут соответственно плавно обратно пропорционально изменяться подача жидкости Q (или производительность насоса) и давление р, развиваемое насосом, при неизменной мощности насоса N, так как N=pQ. Причем если этот угол изменить на противоположный, то насос изменит направление подачи жидкости также на противоположное.

Аксиально-поршневые насосы переменной подачи, снабженные устройствами для поворота оси блока в зависимости от давления в системе, используют для автоматического регулирования усилия и скорости рабочего органа или исполнительного механизма машины при колебаниях внешней нагрузки.

На некоторых моделях современных строительных машин установлены сдвоенные аксиально-поршневые насосы, которые состоят из двух унифицированных качающих узлов, смонтированных в одном корпусе. Сдвоенные насосы применяют в случае, когда для обслуживания системы гидропривода машины необходимо создать два потока рабочей жидкости.

Рис. 1.4. Схема гидроцилиндра двустороннего действия с односторонним штоком

Такие насосы развивают рабочее давление в системе гидропривода до 250—300 кгс/см2 (25—30 МПа). По числу устанавливаемых насосов или потоков жидкости, подаваемых в напорные линии, классифицируют системы гидропривода стррительных машин. На отечественных машинах наибольшее распространение получила двухпоточная система привода, в которой рабочая жидкость от двух или трех насосов (секций насоса) подается в две напорные линии.

Гидроцилиндры — простейшие гидравлические двигатели с возвратно-поступательным движением подвижного звена, применяемые для привода элементов рабочего оборудования строительных машин. Различают гидроцилиндры одностороннего действия (плунжерные), передающие принудительное движением звену только в одном направлении, и двустороннего действия, у которых подвижное звено может принудительно перемещаться в противоположных направлениях. Основными элементами гидроцилиндра двустороннего действия (рис. 1.4) являются: цилиндрический корпус и поршень со штоком. Подвижным звеном может служить корпус или шток.

Наибольшее распространение в строительных машинах с гидравлическим приводом получили гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком. Они аналогичны по конструкции и принципу действия и отличаются друг от друга диаметром и ходом поршня. Полость гидроцилиндра, в которой расположен шток, называется штоковой, противоположная — поршневой.

Рабочая жидкость в поршневую и штоковую полости поступает через штуцера. При подаче жидкости под давлением от насоса в поршневую полость шток выдвигается из гидроцилиндра, а при подаче жидкости в штоковую полость — втягивается в него. Герметичное разделение штоковой и поршневой полостей обеспечивается уплотнением поршня. Уплотнение штока препятствует утечке рабочей жидкости из штоковой полости.

Отверстия в хвостовике корпуса и головке штока служат для присоединения гидроцилиндра посредством шарниров к рабочим органам и несущим конструкциям машины. Для компенсации перекосов соединяемых элементов гидроцилиндры устанавливают на сферических подшипниках.

Управление гидродвигателями осуществляется распределительными устройствами (распределителями). Они направляют поток рабочей жидкости от насоса по трубопроводам к рабочим полостям гидродвигателей, управляют последовательностью их действия и обеспечивают отвод жидкости из сливных полостей в бак. Кроме того, распределительные устройства реверсируют гидродвигатели и регулируют их скорость.

В гидросистемах строительных машин применяют главным образом золотниковые распределители. По числу присоединенных каналов золотниковые распределители делят на двух-, трех- и четырехходовые. Для управления гидродвигателями двустороннего действия применяют, как правило, четырехходовые распределители с четырьмя каналами (напор, слив и два рабочих отвода). По числу фиксированных положений золотника — рабочих позиций — различают трех- и четырехпозиционные распределители. Положения золотника трехпозиционного распределителя — два рабочих и одно нейтральное, четырехпозиционного — два рабочих, одно нейтральное и одно плавающее.

Трехпозиционный четырехканальный распределитель (см. рис. 1.1) управляет подачей рабочей жидкости в гидроцилиндры механизма подъема стрелы. При помощи его можно попеременно соединять напорную и сливную линии либо с трубопроводом (рабочее положение рукоятки управления 6), либо с трубопроводом (положение Р2), меняя таким образом направление движения штоков гидроцилиндров. В нейтральном положении золотника (положение Н) можно останавливать штоки гидроцилиндров и связанную с ними стрелу в любом положении, запирая входы в оба трубопровода. При запирании линий распределитель соединяет напорную и сливную линии и обеспечивает разгрузку непрерывно работающего и подающего рабочую жидкость насоса.

Четырехсекционный распределитель обеспечивает четвертое — плавающее положение штока гидроцилиндра. В плавающем положении золотник отсекает от напорной линии распределителя обе полости гидроцилиндра и соединяет их со сливной линией, в результате чего шток или цилиндр может свободно перемещаться под действием внешней нагрузки.

Золотниковые распределители выпускают в двух исполнениях—моноблочном и секционном (разборном). У моноблочного распределителя все золотниковые секции выполнены в одном литом корпусе, число секций постоянно. У секционного распределителя каждый золотник установлен в отдельном корпусе (секции), присоединяемом к таким же смежным унифицированным секциям. Число секций секционного распределителя можно уменьшать или увеличивать путем перемонтажа. На большинстве отечественных машин установлены секционные распределители. В систему управления, входят также клапаны различного назначения и дроссели.

Предохранительные клапаны ограничивают повышение давления жидкости в системе сверхдопустимого и защищают элементы гидросистемы от перегрузок. Клапаны регулируют на давление, превышающее номинальное на 10—15%. При давлении, превышающем рабочее, клапан открывается и перепускает жидкость в сливную линию.

Редукционные клапаны понижают давление подаваемой в систему жидкости до определенной величины независимо от давления, развиваемого насосом.

Обратные клапаны служат для пропуска потока жидкости только в одном направлении.

Дроссели представляют собой местные гидравлические сопротивления и предназначены для изменения объема подачи жидкости в гидродвигатели: в гидроцилиндр в целях регулирования скорости движения штока или в гидромотор для регулирования частоты его вращения. Обычно дроссель ставят на трубопроводе, соединяющем сливную и напорную линии. Дроссель отводит часть потока жидкости в сливную линию, уменьшая тем самым подачу в гидродвигатель.

Гидродинамические передачи. Гидродинамическая передача представляет собой гидромуфту (применяется редко) или гидротрансформатор, принцип действия которых основан на гидродинамической связи между их ведущими и ведомыми элементами. Гидромуфта или гидротрансформатор обычно связывают валы двигателя и исполнительного механизма.

Гидротрансформатор (рис. 1.5) обеспечивает плавное автоматическое изменение величины передаваемого крутящего момента в зависимости от меняющейся- внешней нагрузки. Он состоит из трех колес, снабженных радиально расположенными криволинейными лопатками: ведущего (насоса), жестко связанного с валом двигателя; ведомого (турбины), соединенного с валом исполнительного механизма и промежуточного направляющего 3 (реактора), закрепленного неподвижно. Полость корпуса гидротрансформатора заполнена маловязким маслом. При вращении насоса его лопатки отбрасывают масло в сторону турбины. Ударяясь о лопатки турбины, масло отдает ей часть кинетической энергии, вследствие чего турбина начинает вращаться в одном направлении с насосом. Из турбины масло перетекает в направлении, обратном вращению насоса, к неподвижным лопаткам реактора, ударяется о них и, изменив направление вращения, поступает затем в насос. В результате удара на лопатках реактора возникает усилие, вызывающее появление реактивного момента, воздействующего на тубину. Таким образом, на турбину действуют два момента: крутящий моментдвигателя, передаваемый через поток ротранеформатора жидкости от насоса, и реактивный момент.

Рис. 1.5. Схема

Это позволяет получать на выходном валу гидротрансформатора крутящий момент, превышающий момент приводного двигателя. При уменьшении частоты вращения турбины с увеличением внешней нагрузки автоматически увеличивается реактивный и, следовательно, суммарный крутящий момент на выходном валу. Отношение максимального крутящего момента к моменту двигателя, называемое коэффициентом трансформации, составляет 2, 5—3, 5.

Применение гидротрансформатора в трансмиссиях машин позволяет предохранить двигатель от перегрузок, улучшить тяговые качества машин, упростить их кинематику, повысить производительность.