Napędy hydrauliczne

Wiadomości ogólne o napędach hydraulicznych

Napędy hydrauliczne są dziś szeroko stosowane w transporcie, górnictwie, hutnictwie i obróbce metali, w maszynach i urządzeniach budowlanych, ziemnych, rolniczych i innych. Odznaczają się one następującymi głównymi zaletami:

• możliwością łatwego uzyskania dużych sił roboczych

• małą objętością i ciężarem, przypadającym na jednostkę mocy

• możliwością łatwej bezstopniowej regulacji prędkości ruchu, wolnego od drgań i wstrząsów

• odpornością na długotrwałe przeciążenia, dużą sprawnością i pewnością działania.

W skład napędu hydraulicznego wchodzą następujące elementy: przekładnia hydrauliczna tj. pompa i silnik hydrauliczny, elementy regulujące, sterujące i pomiarowe (zawory, rozdzielacze, manometry itp.), elementy pomocnicze (zbiorniki, przewody, złącza, filtry, chłodnice itp.), uszczelnienia oraz ciecze robocze.

Szczelność napędów hydraulicznych jest podstawowym warunkiem poprawnego ich działania, trudnym do spełnienia przy wysokim ciśnieniu roboczym cieczy. W połączeniach spoczynkowych stosuje się następujące sposoby uszczelniania:

• uszczelki na powierzchni styku

• hermetyzację powierzchni styku przez odkształcenie lub dotarcie.

W połączeniach ruchomych stosuje się zwykle za pomocą dławicy.

Jako ciecze robocze w napędach hydraulicznych stosuje się mineralne oleje hydrauliczne (tzw. hydrole), uszlachetnione dodatkami podwyższającymi ich smarność, odporność na pienienie i utlenienie oraz zmniejszającymi działanie korodujące.

Rozróżniamy dwa odmienne rodzaje konstrukcji napędów hydraulicznych: napędy hydrostatyczne (objętościowe) i hydrokinetyczne (przepływowe, wirowe).

Napędy hydrostatyczne

Charakterystyka. Do głównych elementów napędu hydrostatycznego należą: pompa wyporowa, którą stanowi źródło ciśnienia cieczy roboczej, oraz objętościowy silnik hydrauliczny, jako element wykonawczy. Zespół pompa - silnik, stanowiący tzw. przekładnię hydrostatyczną, może mieć obieg otwarty lub zamknięty - o ruchu roboczym prostoliniowym, obrotowym lub wahliwym.

Rysunek przedstawia schemat obiegu otwartego. Pompa 1 zasysa ciecz roboczą ze zbiornika i tłoczy ją do cylindra silnika 3 przez urządzenie sterujące (rozrządcze) 2. Ciecz wytłoczona z cylindra odpływa przez inne kanały urządzenia sterującego do zbiornika.

Przy obiegu zamkniętym ciecz odpływająca z cylindra 3 jest zasysana bezpośrednio przez pompę 1. W celu zapobiegnięcia zmniejszeniu się ilości cieczy wskutek nieuniknionych strat wbudowano mały, uzupełniający zbiornik cieczy. Łączy się on z obiegiem przez zawory zwrotne 2, które umożliwiają przepływ cieczy ze zbiornika do obiegu, a nie pozwalają na przepływ odwrotny. Przy obiegu zamkniętym zmianę kierunku ruchu tłoka silnika można uzyskać przez zmianę kierunku tłoczenia pompy. Przy obiegu otwartym konieczne jest do tego oddzielne urządzenie.

W obiegu zamkniętym ciecz mniej styka się z powietrzem, mniejsze są więc możliwości jej zapowietrzenia. Chłodzenie cieczy w obiegu zamkniętym jest jednak znacznie gorsze, dlatego obieg taki stosuje się w urządzeniach o małej mocy albo w przypadku istnienia dodatkowego chłodzenia cieczy.

Pompy. W napędach hydrostatycznych stosuje się zwykle rotacyjne pompy zębate, łopatkowe i wielotłokowe. Pompy zębate są nienastawialne, tzn. nieregulowane, o stałej wydajności. Pompy łopatkowe i wielotłokowe używane są jako pompy nienastawialne lub nastawne (regulowane) zarówno pod względem wydajności jak i kierunku tłoczenia. Pompy wielotłokowe stosuje się w urządzeniach pracujących przy wyższym ciśnieniu (10 - 32MPa). Wydajność pompy reguluje się ręcznie lub automatycznie. Zmiana wydajności pompy lub kierunku tłoczenia cieczy potrzebna jest do zmiany prędkości, do zatrzymania lub zmiany kierunku ruchu roboczego elementu wykonawczego, czyli silnika hydraulicznego.

Silniki hydrauliczne. Rotacyjne silniki hydrauliczne stosowane w napędach hydrostatycznych są kinematycznym odwróceniem pomp rotacyjnych. Doprowadza się do nich ciecz roboczą pod odpowiednim ciśnieniem, a uzyskuje się moment obrotowy. Najczęściej stosuje się nie nastawne wielotłokowe silniki osiowe lub promieniowe, używane są także silniki łopatkowe, a niekiedy zębate. W porównaniu z silnikami elektrycznymi silniki hydrauliczne odznaczają się znacznie większym stosunkiem momentu obrotowego do momentu bezwładności. Czas rozruchu jest więc bardzo krótki - rzędu kilku setnych, a nawet tysięcznych części sekundy, co jest szczególnie cenne w tzw. serwomechanizmach. Również masa i rozmiary silników hydraulicznych są znacznie mniejsze niż elektrycznych. Silniki hydrauliczne mogą pracować przy bardzo małej prędkości obrotowej (aż do dziesiętnych części obr/min), co pozwala na uniknięcie stosowania przekładni redukcujnych.

Prędkość obrotową silnika hydraulicznego obliczamy wg wzoru:

[obr/min]

- strumień objętości cieczy rzeczywiście przepływającej przez silnik w m
/s.

- chłonność silnika, czyli objętość cieczy przepływającej w ciągu 1 obrotu

- sprawność objętościowa silnika.

Moc oddawaną na wale silnika obliczamy wg wzoru:

[W]

- ciśnienie cieczy przy dolocie do silnika, w Pa,

- ciśnienie przy wylocie, w Pa

- sprawność ogólna silnika.

Przekładnie hydrostatyczne. Łącząc pompę i silnik hydrauliczny otrzymuje się tzw. przekładnię hydrostatyczną. Moc doprowadza się do wału pompy z wału silnika. Jeżeli silnik lub pompa są nastawne, to przekładnia umożliwia bezstopniową (ciągłą) regulację prędkości obrotowej silnika i prędkości elementu roboczego. Ważną cechą przekładni hydrostatycznej jest także możliwość nastawiania prędkości podczas pracy (pod obciążeniem). W celu zabezpieczenia przekładni przed przeciążeniem, tj. nadmiernym wzrostem ciśnienia, włącza się w obieg przekładni zawór bezpieczeństwa. Zawór przelewowy odprowadza do zbiornika nadmiar tłoczonej cieczy w przypadku gdy - np. przy regulacji prędkości elementu roboczego za pomocą dławienia cieczy - tylko część cieczy tłocznej ma wpływać do silnika hydraulicznego. Zawór redukcyjny służy do utrzymania stałego ciśnienia za zaworem, niezależnie od zmiennego ciśnienia przed zaworem. Na prędkość obrotową silnika można wpływać zmniejszając objętość doprowadzonego oleju (nastawianie pompy) lub objętość pochłanianego oleju na jeden obrót silnika (nastawianie silnika), albo też łącząc oba te sposoby razem. Jednak charakter zmian w każdym z tych trzech przypadków jest zupełnie odmienny. Zmiana wydajności pompy powoduje zmianę największej mocy przenoszonej, nie ma jednak wpływu na największy moment obrotowy, jakim można obciążyć silnik. Jest to więc zakres regulacji o stałym momencie obrotowym silnika, a wzrastającej jego mocy (przy wzroście wydajności pompy). Prędkość obrotowa pompy jest wówczas stała, a prędkość obrotowa silnika wzrasta.

Siłowniki hydrostatyczne. Siłowniki, tj. hydrauliczne cylindry robocze, stosowane są bardzo często w napędach hydrostatycznych, są kinematycznym odwróceniem pomp tłokowych. Doprowadza się do nich ciecz pod ciśnieniem, a uzyskuje się siłę roboczą na tłoczysku siłownika. Tłok albo nurnik siłownika wykonuje w cylindrze ruch postępowo-zwrotny. Wyróżniamy cylindry z tłoczyskiem dwustronnym i jednostronnym.

Siłę roboczą na tłoczysku obliczamy ze wzoru:

Prędkość tłoka c (cm/s) przy przepływie Q cieczy na dolocie lub wylocie wynosi (dla D i d wyrażonych w cm):

Napędy hydrokinematyczne

Klasyfikacja. Napędy hydrokinematyczne są to maszyny przepływowe (wirowe). Rozróżniamy dwa rodzaje tych napędów:

• przekładnie hydrokinematyczne (przetworniki momentu obrotowego).

Urządzenia przenoszące energię silnika do układu napędzanego za pomocą kierowanego strumienia cieczy roboczej w obiegu trzech kół łopatkowych: wirnika, turbiny reakcyjnej oraz najczęściej nieruchomej kierownicy łopatkowej.

• Sprzęgła hydrokinematyczne (przekaźniki momentu obrotowego).

Podobnie jak przekładnia hydrokinematyczna, jest jednomaszynowym zespołem wirnika pompy odśrodkowej i wirnika turbiny reakcyjnej oraz obejmującej go obracającej się osłony. Wewnątrz sprzęgła tworzy się zamknięty obieg cieczy roboczej. Wirnik pompy powoduje zawirowanie strugi cieczy i przekazuje jej moment obrotowy. Wirnik turbiny wyprostowuje strugę i przejmuje od niej moment obrotowy. Nie ma wiec bezpośredniego zetknięcia obu części sprzęgła, w związku z czym ulegają one zużyciu.

---