Гидравлические устройства 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.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

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.

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.

§ 8. Гидравлический привод

Гидроприводами оснащают экскаваторы, бульдозеры, автогрейдеры, стреловые краны, погрузчики и другие строительные машины.

Основными преимуществами гидропривода строительных машин по сравнению с другими системами припадок являются:

бесступенчатое регулирование скорости рабочих движений, обеспечивающее возможность плавных пусков и остановов и снижение динамических нагрузок;

возможность создания больших передаточных отношений между скоростями энергетической установки и исполнительными органами машины;

удобство управления при небольшой затрате энергии;

простота кинематических устройств для преобразования вращательного движения в поступательное, и наоборот;

возможность легкого подвода энергии от насоса, связанного с приводным двигателем, к любому исполнительному органу машины независимо от его пространственного расположения на машине;

возможность широкой стандартизации и унификации сборочных единиц гидропривода;

небольшая масса и малые габариты гидропривода по сравнению с другими системами приводов при одинаковой мощности.

Надежность работы гидросистемы зависит от чистоты рабочей жидкости (масла) и плотности соединений трубопроводов, вращающихся соединений гидрораспределителей, уплотнений и т. д.

При комбинированном электро- или дизель-гидравлическом приводе первичным источником энергии является электродвигатель или двигатель внутреннего

сгорания (дизель), которым приводятся во вращение один или несколько гидравлических насосов. Отдельные механизмы машины получают движение от гидродвигателей (гидромоторов) и гидроцилиндров (гидротолкателей), к которым по трубопроводам подается под большим давлением (10 — 20 МПа) рабочая жидкость от гидронасосов. Гидравлический привод в строительных машинах применяется для приведения в действие механизмов машины и их рабочих органов с сообщением им возвратно-поступательного и вращательного движений, для включения и выключения отдельных механизмов фрикционных муфт и тормозных устройств.

В состав гидравлического объемного привода входят насосы, гидромоторы, гидроцилиндры, гидрораспределители, гидроклапаны, дроссели, гидроаккумуляторы, фильтры, маслопроводы и др.

Простейшая схема объемного гидропривода показана на рис. 5. Рабочая жидкость 15 гидронасосом забирается из бака 16 и через обратный клапан 4 и золотниковый распределитель 5 попадает в полость В гидроцилиндра 6, под влиянием которой поршень 7 со штоком 8 будет смещаться, совершая необходимую работу.

Рис. 5. Гидропривод

При переключении золотника гидрораспределителя рукояткой 9 рабочая жидкость попадает в полость А гидроцилиндра, который начнет смещаться вправо, вытесняя из полости В жидкость по сливной линии 11 через дроссель 12 и фильтр 14 в бак. При возникновении в напорной линии 2 избыточного давления сработает предохранительный клапан 3 и жидкость попадет в бак. При установке переключателя 10 в положение, показанное на схеме, при работающем насосе гидроцилиндр работать не будет, так как рабочая жидкость будет слипаться в бак. Заливка рабочей жидкости в бак 16 осуществляется через воронку и фильтр 13.

Гидронасосы. В гидроприводе современных строительных машин применяются следующие типы

гидронасосов: шестеренные, пластинчатые, аксиально-поршневые, радиально-поршневые и поршневые эксцентриковые.

Шестеренный гидронасос ( рис. 6, а) состоит из корпуса /, имеющего всасывающий 2 и нагнетательный 4 патрубки. В корпусе в разных направлениях вращаются ведущая 3 и ведомая 5 шестерни, имеющие одинаковые модули зацепления и равные числа зубьев. При вращении шестерен в направлении, указанном стрелками, жидкость, поступающая через патрубок 2, захватывается зубьями шестерен 3 и 5 и проталкивается по внутренней шлифованной поверхности корпуса к нагнетательному патрубку 4.

Рис. 6. Гидравлические насосы а — шестеренный; б — пластинчатый

Шестеренные гидронасосы изготавливают для рабочих давлений 10 — 20 МПа с расходом рабочей жидкости 400 — 500 л/мин.

Пластинчатый гидронасос ( рис. 6, б) состоит из корпуса 9 со всасывающим 6 и нагнетательным 11 патрубками. В корпус запрессован статор 10 овального сечения, в котором вращается ротор 8, имеющий пазы.

В эти пазы свободно вставлены лопатки 12. При вращении ротора под действием центробежной силы лопатки перемещаются по пазам к периферии и скользят по внутренней образующей статора. В торцовых стенках корпуса насоса расположены всасывающие 7 и нагнетательные 13 полости. Всасывающие полости соединены между собой всасывающим патрубком 6, а нагнетательные — патрубком 11. При вращении ротора объем

полостей, заключенных между двумя соседними лопатками внешней образующей ротора и внутренней образующей статора, оказывается различным, так как лопатки выдвигаются на величину от минимальной до максимальной. При увеличении объема полостей происходит всасывание жидкости, при сокращении длины выступающей части лопаток жидкость нагнетается через патрубок 11. За каждый оборот ротора каждая лопатка дважды проталкивает жидкость через нагнетательный патрубок.

Рис. 7. Поршневые гидравлические насосы

а — аксиально-поршневой; б — радиально-поршневой; в — эксцентриковый поршневой

Изготовляют пластинчатые гидронасосы до давления 14 МПа с расходом рабочей жидкости 5 — 70 л/мин.

Аксиально-поршневой гидронасос показан на рис. 7, а. На приводном валу / укреплен диск 2, к которому при помощи сферических шарниров присоединены головки шатунов 3 поршней 4. При вращении приводного вала с диском с ними с одинаковой угловой скоростью вращается блок цилиндров 5, расположенный в корпусе 6 насоса под некоторым углом к приводному валу. При одном повороте приводного вала поршни совершают одно возвратно-поступательное движение, всасывая масло через канал А и выталкивая его через канал В.

Изготавливаются аксиально-поршневые гидронасосы с давлением в системе 16 — 25 МПа, с расходом рабочей жидкости 32 — 252 л/мин.

Радиально-поршневой гидронасос ( рис. 7,6) состоит из корпуса 7, внутри которого эксцентрично вращается барабан 8 с радиально расположенными гнездами, в которых находятся поршни 9, поддерживаемые пружинами 10. За один оборот барабана 8 по часовой стрелке каждый из поршней 9 совершит возвратно-поступательное движение в радиальном направлении к центру барабана. При прохождении полости At поршни засасывают рабочую жидкость в подпоршневое пространство через канал при движении через полость Л2 — нагнетают рабочую жидкость в канал Ог. Эти насосы обеспечивают давление до 22 МПа с расходом рабочей жидкости 15 — 400 л/мин.

Эксцентриковый поршневой гидронасос изображен на рис. 7, в. Внутри корпуса 11 вращается вал с несколькими эксцентриками 12, за один оборот которого каждый поршень 13 совершает возвратно-поступательное движение, засасывая рабочую жидкость из канала К, и нагнетает в канал К.2- Насосы этого типа обеспечивают давление в системе до 50 МПа.

Гидромоторы. Вращательное движение механизмов, передаточных устройств в машинах осуществляется гидромоторами, которые, как и гидронасосы, бывают шестеренные, пластинчатые и поршневые — аксиально-поршневые и радиально-поршневые. Большинство их обратимы, т. е. с небольшими изменениями, могут работать также в качестве гидронасосов, следовательно, конструктивно они схожи с насосами.

Различают низкомоментные (быстроходные) и высокомоментные (тихоходные) гидромоторы. Первые из них имеют частоту вращения от 1100 до 2200 мин-1 и крутящий момент от 20 до 150 Н-м, а вторые — частоту вращения от 4 до 0,16 мин-1 и крутящий момент от 24 до 35000 Н-м. Из высокомоментных гидромоторов наибольшее распространение получили радиальные роторно-поршневые гидромоторы одинарного действия с кривошипным механизмом и многократного действия с профильным копиром.

Конструктивная схема высокомоментного гидромотора однократного действия показана на рис. 8. Рабочая жидкость от цапфенного распределителя на эксцентриковом валу 11 попадает в гидроцилиндры /, 5, 7 и создает давление на поршни 2, 4, 8, которое через шатуны 3, 6, 9 передается на эксцентриковый вал 11, создавая относительно точки 0 крутящий момент, поворачивающий вал. Гидрораспределитель жестко связан с эксцентриковым валом и вращается вместе с ним. В процессе вращения эксцентрикового вала 11 рабочая жидкость поршнями 10, 12 вытесняется в сливной канал.

Рис. 8. Схема высокомоментного гидромотора

Гидромоторы этого типа выпускаются как с вращающимся валом и закрепленным корпусом, так и, наоборот, с вращающимся корпусом и закрепленным валом.

Поршневой гидроцилиндр двойного действия с односторонним штоком ( рис. 9,в, д) состоит из корпуса И, в котором перемещается поршень 10, закрепленный на штоке 7. Уплотнение между цилиндром и поршнем обеспечивается двумя манжетами 9, прижимаемыми к поршню фасонными дисками. Для уплотнения между шейкой штока 7 и поршнем применяют резиновое кольцо, одеваемое в выточку на шейке штока.

Корпус с одной стороны закрыт приваренной к нему крышкой 12, имеющей проушину для шарнирного присоединения к раме машины. С противоположной стороны корпус закрывается крышкой 6 и втулкой 4, сквозь которые проходит шток. Выход штока уплотнен манжетой 5 и резиновым кольцом 3. Для очистки штока от налипающих частиц пыли и грязи служит грязесъемник 2. На хвостовом конце штока навинчивается проушина /, которой он соединяется с подвижной частью механизма.

Рис. 9. Гидроцилиндры

а — одностороннего действия поршневой; б — одностороннего действия плунжерный; в — двустороннего действия с одним штоком; г — то же, с двумя штоками; д — конструктивное исполнение поршневого гидроцилиндра двойного действия с одним штоком

Рабочая жидкость в полости цилиндра поступает через нарезные отверстия в крышках 6 и 12, к которым присоединяются нагнетательная и спускная магистрали. Для компенсации возможных перекосов в проушинах предусмотрены сферические вкладыши 14. В конце хода поршня хвостовик 13 штока 7 входит в отверстие крышки 12, оставляя небольшой зазор для вытеснения масла, в результате чего сопротивление масла замедляет ход поршня, и смягчается удар при его упоре в крышку корпуса. При обратном ходе демпфирующую роль выполняет втулка 8 при входе в выточку крышки 6.

Гидроцилиндр, у которого поршень и шток составляют одно целое, называется плунжерным.