www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Приводом называют устройство, обеспечивающее реализацию и регулирование, в том числе дистанционное, автоматическое и полуавтоматическое (т. е. с человеком-оператором), движений, положений или усилий на исполнительных органах машин. Если в качестве рабочего тела используется жидкость, то привод называется гидравлическим. В большинстве случаев используется внешний источник энергии (следящие или регулируемые системы). Основой гидропривода являются гидравлические механизмы, т. е. механизмы, в которых в качестве хотя бы одного из звеньев используется рабочая жидкость.

Здесь рассматриваются гидроприводы, работающие по объемному принципу, т. е. приводы, в исполнительном устройстве которых (гидромоторе, гидроцилиндре или поворотнике) рабочая жидкость обеспечивает геометрические связи за счет своего объема. Поэтому рабочая жидкость должна рассматриваться в качестве одного из основных элементов гидропривода объемного типа, динамическая и статическая податливости которого обусловливают его динамические свойства, зависящие также и от свойств уплотняющих устройств, особенно при работе на высоких давлениях. Гидродинамические передачи (турбопередачи), имеющие главным образом отраслевые формы исполнения, здесь не рассматриваются, поскольку основным объектом изложения взяты гидроприводы межотраслевого применения или могущие быть использованными в качестве межотраслевых.

Отраслевое построение отечественной промышленности при росте объективной потребности, расширяющей функциональные возможности и повышающей техническое совершенство машин, привело к развитию прежде всего технических средств отраслевого применения и только затем — к созданию в явно недостаточных объеме и номенклатуре гидрооборудования межотраслевого применения.

В процессе развития отечественного гидрооборудования сформировались такие крупные традиционные его потребители-изготовители, как сельскохозяйственное и строительно-дорожное машиностроение, а также станкостроение со своими сложившимися конструктивными формами гидрооборудования. В несколько меньших масштабах, но с большими потенциальными возможностями развивается гидрооборудование горного машиностроения, особенно угольной промышленности.

Потенциально самым крупным потребителем гидросистем является сельскохозяйственное машиностроение, где наибольший выпуск при небольшой номенклатуре изделий позволяет обслуживать гидрооборудованием смежные отрасли машиностроения, претендуя на межотраслевое применение. Гидросистемы малой мощности (до 16 кВт) здесь предназначены в основном для обслуживания навесного оборудования тракторов и гидросистемы средней мощности (50—60% мощности приводного двигателя) с гидромоторами — для обслуживания активных рабочих органов уборочных машин, почвенных фрез и т. п.

Гидропривод в наибольшей мере удовлетворяет реализации общих тенденций развития сельскохозяйственных машин: увеличению числа рабочих органов, взаимодействующих (независимо, последовательно или одновременно в регулируемых режимах) с разными потребителями мощности при значительном удалении их от двигателя и разнообразной пространственной ориентации; обеспечению перемещения рабочих органов относительно машины и перемещения самой машины относительно трактора, с которым она агрегатируется; автоматизации технологических процессов с целью повышения производительности и улучшения условий труда.

Предусматривается гидрофикация режущих аппаратов косилок, жаток, комбайнов и других машин, использование гидропривода к дискам разбрасывателей минеральных удобрений, к рабочим органам погрузчиков, транспортерам и транспортирующим устройствам, грохотам картофелеуборочных комбайнов и машин для вибрационной уборки садовых культур.

Применение мотор-колес позволяет отказаться от традиционных компоновок и структур мобильных сельскохозяйственных машин, а также использовать безмоторные сельскохозяйственные шасси с активными осями, образуя фронтальные сцепы нескольких гидрофицированных шасси. Полная конструктивная независимость машины и гидравлической трансмиссии создает неограниченные возможности компоновок, допуская получение принципиально новых свойств машин, существенно снижая их массу и стоимость при увеличении производительности и эффективности.

В станкостроении гидропривод упрощает механизмы станков за счет использования безредукторных приводов подач и шпинделей, особенно при высоких требованиях к скоростям, ускорениям и точности при больших нагрузках. Получают распространение различного типа гидростатические опоры; широко гидрофицируются станки с числовым программным управлением для контурной и контурно-позиционной обработки. Имеются тенденции к форсированию давления с 2—6 до 7—16 МПа для получения больших моментов при высоком быстродействии; создания смешанных систем дискретного управления, содержащих в средней части электрические и пневматические элементы; повышения надежности и точности за счет использования релейного и широтно-импульсного управления.

Тенденция перехода на повышенное давление не относится к гидросистемам шлифовальных станков, которые не допускают вибраций и перебегов, работают на давлениях 2—3 МПа при достаточно высоком КПД, обеспечивая при этом стабильность температуры и, следовательно, характеристики, Гидравлический привод — наиболее распространенный тип привода промышленного робота. Следящий гидропривод широко применяется и в системе подач многооперационных станков повышенных точности и мощности; в новых моделях этих же станков средства гидроавтоматики используются для обеспечения смены инструмента, фиксации направляющих, разгрузки несбалансированных масс (т. е. в качестве противовеса), автоматизированной смены заготовок, изделий, шпиндельных узлов, для переключения скоростей и осуществления вспомогательных операций. Вместе с тем приходится констатировать сокращение применения гидравлических приводов подачи в станках с числовым программным управлением в пользу электрогидропривода.

Широкая номенклатура строительно-дорожных машин делает особенно значимыми не только глубокую унификацию и агрегатирование средств гидроавтоматики, но и разработку типовых гидравлических схем, имеющих важное значение, например, для экскаваторов, погрузчиков, скреперов, бульдозеров, автогрейдеров, самоходных стреловых кранов, снегоочистителей, мусоровозов, автолестниц, поливо-моечных и других машин. Особенность гидравлических схем строительно-дорожных машин заключается в существенной зависимости объема гидросистемы от положения рабочих органов. Поэтому гидравлические схемы таких машин чаще всего открытого типа с насосами, работающими на самовсасывании с относительно меньшей быстроходностью и большей возможностью загрязнения рабочей жидкости. Именно этим обстоятельством следует объяснить многочисленные разработки по форсированию быстроходности гидравлических машин в этой отрасли и трудности, возникающие при внедрении типовых гидравлических схем при разработке новых образцов.

На относительно мощных мобильных строительно-дорожных машинах и на автомобилях используются гидравлические рулевые механизмы (насос постоянной подачи и гидроусилитель дроссельного управления либо система с дозирующим насосом); эти механизмы оказываются в ряде случаев конструктивно сложными из-за необходимости дистанционного размещения исполнительного устройства, чем затрудняется реализация обратной связи. Ее замена дозирующими гидромашинами привела к созданию принципиально новых гидравлических рулевых механизмов.

При разработке новых унифицированных гидроусилителей рулевых систем стремятся увеличить чувствительность и четкость передачи реакции на управляемые колеса (реализация ощущения водителем усилия на рулевом колесе — так называемый «эффект присутствия»), модернизируют насос с целью существенного повышения давления и увеличения подачи на единицу веса, а также разрабатывают новые типы стабилизаторов давления питания, обеспечивающих стабилизацию подачи также и в динамических режимах при существенно нестабильных давлениях.

Использование гидропривода и гидроавтоматики в отечественных угледобывающих машинах позволило увеличить мощность этих машин в несколько раз без существенного изменения их размеров и значительно повысить их надежность. Благодаря применению эмульсии вместо минерального масла гидропривод угледобывающих машин взрывобезопасен, однако требует использования специально сконструированных основных элементов, которые перестают быть устройствами межотраслевого применения.

Благодаря широкому диапазону регулирования скорости в механизмах перемещения угледобывающих машин гидропривод повышает производительность, обладает большой приемистостью из-за меньших на полтора—два порядка по сравнению с электроприводом моментов инерции вращающихся частей гидродвигателей.

Применяемый в горных машинах отечественный гидропривод имеет меньшие диаметральные размеры по сравнению с зарубежным (что особенно важно при работе в шахтах и горных выработках), используется с приводными двигателями мощностью более 100 кВт (мощные скребковые конвейеры, струговые установки автоматизированных агрегатов, буровые станки, дизелевозы, проходческие комбайны и щиты для проходки туннелей) при непрерывной работе и подвержен действию значительных динамических нагрузок. Гидроцилиндры применяются для подъема и опускания рабочих органов горных машин, их подачи в забой, коррекции положения и т. п. Разработаны типовые схемы гидросистем различных горных машин и проведена унификация основных элементов. Создаются гидросистемы на более высокие давления для увеличения мощности машины при прежних размерах и ресурсе не менее 4000—6000 ч.

В угольной промышленности гидравлический привод используется в механизмах подачи угольных комбайнов, механизмах хода проходческих машин, для управления исполнительными органами добычных машин и приводе другого горношахтного оборудования, а также в гидравлических крепях. Такие крепи относятся к основному базовому оборудованию для комплексной механизации процессов угледобычи. Механизированная крепь, работающая на эмульсии, включает 400—1000 гидроцилиндров, 150—200 распределителей с плоскими золотниками, 150—500 предохранительных и столько же разгрузочных клапанов, 3000—5000 м рукавов высокого давления, две-три насосные станции с подачей 1,33 дм3/с на давление 20 МПа.

Прецизионное производство гидрооборудования горной промышленности должно удовлетворять высоким требованиям по надежности и нуждается в специализированном производстве, обеспечивающем высокую точность изготовления с пооперационным контролем деталей, с повышенными требованиями к термообработке и антикоррозионным покрытиям.

В гидроприводах и гидроавтоматике межотраслевого применения наибольшее распространение получили восемь групп технических средств гидроавтоматики, отдельные элементы которых входят одновременно в несколько групп.
1. Источники питания, часто автономные, содержащие в себе емкость, насос, приводной двигатель, контрольно-регулирующую и распределительную аппаратуру, теплообменники, а также ряд элементов последующих групп (фильтры, уплотнения и т. п.).
2. Усилительная или регулирующая часть гидропривода или электрогидропривода в виде регулируемого насоса (чаще аксиально-поршневого) или электрогидравлического усилителя, который используется также и в качестве механизма управления регулируемого насоса. Электрогидравлический усилитель обычно имеет механизм управления, обеспечивающий положение или заданный закон движения управляющего золотника, который устанавливает выбранную зависимость между смещением золотника, регулируемым расходом и перепадом давления. Такой усилитель в гидроприводе дроссельного управления служит распределителем мощности.
3. Исполнительная часть — гидромоторы, чаще всего постоянного расхода, в том числе и низкооборотные, позволяющие непосредственно соединять исполнительную часть с объектом управления; гидроцилиндры очень обширной и еще недостаточно упорядоченной номенклатуры; поворотники различных конструкций.
4. Контрольно-регулирующая, распределительная аппаратура и различные элементы гидроавтоматики, в том числе используе-мые при реализации обратной связи и составлении автоматических систем с желаемыми динамическими свойствами.
5. Рабочие жидкости и фильтрующие устройства.
6. Трубопроводы и рукава.
7. Уплотнения.
8. Гидродинамические передачи (турбопередачи).

Общим для гидроприводов большинства отраслей машиностроения, хотя и в меньшей степени для станкостроения, должен рассматриваться переход на более высокие давления, что позволяет уменьшить массу и габариты гидропривода, повысить его быстродействие и другие динамические свойства, а также снизить влияние газовоздушной составляющей рабочей жидкости. Однако перевод гидросистем на более высокие давления вызывает увеличение температур рабочей жидкости, требует создания новых рабочих жидкостей и уплотнений, внесения различных изменений в конструктивные формы гидрооборудования. В гидроприводе высокого давления возрастает роль динамических (в том числе и акустических) эффектов, способы расчета которых нельзя больше основывать на предположении об отсутствии влияния давления на физические свойства рабочих жидкостей.

Естественная тенденция к повышению давления привела к появлению нового поколения элементов гидросистем с более широким использованием новой технологии и различных комплектующих изделий повышенного качества. Создание элементов гидрооборудования, отвечающего современным требованиям, связано с разработкой новых методов расчета, учитывающих динамические процессы и вызываемые ими деформации рабочей жидкости, изменение ее вязкости и многие иные особенности других элементов гидроавтоматики.

В процессе создания нового поколения элементов гидрооборудования продолжается их деление на образцы отраслевого и межотраслевого применения. Так, насосные станции, реализуемые в форме отдельных гидравлических агрегатов, не стали изделиями межотраслевого применения. Зато во многих отраслях выбор подходящих аксиально-поршневых гидромашин высокого давления завершился признанием бесшатунных конструкций с наклонным диском, плоским торцовым распределением и гидростатическими опорами на головках плунжеров. На насосных станциях вместо насосов постоянной подачи используются регулируемые насосы того же типа, снабженные автоматами мощности (регулирование подачи по давлению), что уменьшает потери энергии и, главное, понижает эксплуатационную температуру рабочей жидкости, стабилизируя характеристики систем. Гидромоторы, в целях унификации гидрооборудования, применяются тех же типов, что и насосы.

Необходимость использования регулируемых насосов в насосных станциях привела к появлению новых конструкций шиберных, теперь уже регулируемых насосов на номинальное давление 14 МПа, допускающих перегрузку до 17,5 МПа.

В последние годы уменьшилось число типов выпускаемых электрогидравлических усилителей, и сейчас межотраслевое применение имеют в основном четыре типа усилителей. Электромеханическим преобразователем в них служит электромагнит, управляющий системой сопло—заслонка или струйной трубкой. В качестве второго каскада гидравлической системы усиления используется управляющий золотник. Поэтому выходные характеристики электрогидравлических усилителей определяются характеристическими свойствами управляющего золотника и давлением источника питания.

В гидроусилителях первого типа функции первого каскада усиления выполняет система сопло—заслонка, а управляющий золотник снабжен центрирующими пружинами. В конструкциях второго типа вместо пружин используется упругая обратная связь с управляющего золотника на якорь электромеханического преобразователя. В усилителях третьего типа в качестве первого каскада усиления используется струйная трубка (поворотная или с дефлектором). Гидроусилитель четвертого типа отличается от первого типа отсутствием центрирующих пружин на управляющем золотнике и используется в системах с широтно-импульсной модуляцией с целью уменьшения влияния нелинейностей.

В рассматриваемых усилителях электрогидравлический преобразователь вместе с первым каскадом гидравлического усиления образуют механизм управления управляющим золотником, давление питания которого может отличаться от давления питания механизма управления при установке ограничителя расхода (дросселя) на соответствующей линии питания (при использовании общего источника питания).

Механизмы управления реализуются в линейной части их характеристики и аппроксимируются колебательным звеном, параметры которого могут быть сделаны стабильными в широком диапазоне изменения эксплуатационных условий.

Постоянные времени механизмов управления первого типа при невысоких давлениях питания весьма малы, а коэффициенты демпфирования существенно велики (могут достигать 10—12). В этом случае динамические характеристики механизмов управления аппроксимируются апериодическими звеньями.

Механизмы управления второго типа могут быть выполнены с меньшими значениями коэффициентов демпфирования при точной реализации (имеется в виду соответствие расчета исполнению) упругой обратной связи с управляющего золотника на якорь электромеханического преобразователя. Однако дефекты изготовления такого механизма могут привести к тому, что его характеристика окажется такой же, как и у конструкций первого типа, а дополнительные зазоры в месте размещения стыкующихся устройств упругой обратной связи с управляющим золотником могут привести к тому, что в диапазоне малых управляющих сигналов (в пределах размера зазора на сторону) характеристика механизма управления окажется такой же, как и у конструкций четвертого типа.

Создаются унифицированные электрогидравлические усилители на рабочее давление до 20 МПа с условным проходом 25 мм. Имеются уникальные образцы электрогидравлических усилителей отраслевого применения (в кузнечно-прессовом оборудовании) на расходы 46,7 дм3/с и давление 32 МПа.

При работе нескольких электрогидравлических усилителей от общего источника питания (например, в роботах и манипуляторах) динамические расчеты ведутся с учетом взаимовлияния гидроприводов через источник питания, и в настоящее время совершенствуются алгоритмы таких расчетов. С целью устранения указанного взаимовлияния гидроприводов на насосных станциях устанавливают регуляторы-стабилизаторы давления, однако они еще недостаточно эффективны. Дополнительная установка аккумуляторов также не может компенсировать влияния работающего гидропривода на давление источника питания, поскольку аккумуляторы выполняют свои функции на сравнительно низких частотах, не превышающих 9—11 Гц.

Ошибки гидропривода вследствие изменения давления источника питания могут быть значительными, и при симметричном гармоническом сигнале на управляющем золотнике давление питания меняется с удвоенной частотой. Генерация таких колебаний и отклики на нее на сопряженных (работающих от общего источника питания) гидроприводах, особенно без главной обратной связи, оказываются весьма существенными.

Задача снижения влияния изменения давления источника питания на работу гидропривода особенно актуальна в связи с применением нескольких гидроприводов на роботах и манипуляторах. Такое взаимовлияние в момент включения одного из гидроприводов может привести к потере управления на остальных приводах, например, удерживающих груз. Поэтому задачи анализа и синтеза систем с несколькими гидроприводами, выбор параметров которых обеспечивает наименьшее взаимовлияние через источник питания, привлекают большое внимание.

Исполнительные гидравлические двигатели различных типов, особенно гидроцилиндры, составляют основную часть выпуска гидрооборудования (от 30 до 40% в разных странах). Гидроцилиндры чаще всего соединены с объектом управления при помощи рычагов, что делает приведенную к гидроцилиндру инерционную нагрузку переменной, зависящей от положения поршня и меняющейся иногда более чем на порядок, чем существенно затрудняются точные расчеты переходных процессов. Алгоритмы таких расчетов разработаны еще недостаточно. Например, задача о перемещении рычажной системы при помощи второго аналогичного гидропривода пока еще не решалась, и применительно к конкретизированной системе приходится обращаться к ЦВМ. В частности задачи, связанные с расчетами переходных процессов гидроприводов экскаваторов, требуют составления алгоритмов подобного рода расчетов.

Конструкции поворотников существуют только в вариантах отраслевого применения, а по многим параметрам лишь в виде опытных образцов.

Образцы контрольно-регулирующей аппаратуры еще не носят характера изделий межотраслевого применения, так же как и конструкции распределителей на высокое давление (до 40 МПа) блочного типа. Однако в станке строении имеются многочисленные конструкции распределителей и контрольно-регулирующей аппаратуры на давление до 20 МПа. В ряде отраслей применяются распределители секционного типа и осуществляется перевод всей распределительной и контрольно-регулирующей аппаратуры на международные присоединительные размеры.

Одновременно с расширением номенклатуры распределительной и контрольно-регулирующей аппаратуры с условными проходами до 80 мм создаются малогабаритные элементы с условными проходами 6 мм.

Применяемые в качестве рабочих жидкостей минеральные масла при работе гидропривода быстро стареют, а омываемые ими детали корродируют. При использовании масел в гидроприводах высокого давления ресурс последних понижен из-за недостаточных противозадирных свойств. В настоящее время создается новый ассортимент рабочих жидкостей, и притом взаимозаменяемых между отраслями. Их физические свойства подробно изучаются, поскольку от них зависит характер математических моделей гидроприводов, особенно работающих на высоких давлениях.

Практически еще не начаты исследования динамических процессов гидроприводов, работающих в северных условиях. Не найдено удовлетворительных форм гидроприводов для южных районов страны, работающих в условиях, когда температура рабочей жидкости намного выше допустимой. Конструктивные формы гидроприводов межотраслевого применения, могущих работать и в этих экстремальных условиях, также еще не созданы.

Наличие безупречно работающих фильтрующих устройств — необходимое условие надежной работы нового поколения элементов гидроприводов и гидроавтоматики. Ведутся большие работы по созданию фильтров с тонкостью фильтрации 5—25 мкм и пропускной способностью до 200 дм3/мин, приемных и сливных с сигнализацией о засорении, на давления 0,63 МПа с тонкостью фильтрации 10—160 мкм, пропускной способностью до 250 дм3/мин, сетчатых с автоматической очисткой от загрязнения на давления до 6,3 МПа с тонкостью фильтрации 40—80 мкм. Создаются мощные фильтрующие агрегаты для очистки рабочей жидкости пропускной способностью 100—1000 дм3/мин.

Рабочие жидкости, уплотнения, температурные условия работы и динамические нагрузки в гидроприводах взаимосвязаны, и неправильный учет свойств материалов уплотнений и рабочих жидкостей может привести или к разбуханию уплотняющих устройств, или к их растворению. Говоря о деформации рабочей жидкости, необходимо учитывать деформации уплотняющих устройств и рукавов.

Непрерывно увеличивающиеся масштабы производства технических средств гидроприводов делают особенно актуальной разработку новых проблем технологических процессов. Технический уровень, а порою и возможность создания элементов с желаемыми характеристиками (например, гидромашин на высокие давления) в значительной мере определяются способами изготовления, применяемыми материалами и качеством комплектующих изделий. В числе актуальных технологических задач можно назвать освоение высококачественных отливок из серого и высококачественного чугуна с точно выполняемыми каналами малых сечений, производство биметаллизированных деталей (особенно блоков цилиндров аксиально-плунжерных гидромашин), прецизионных труб для гидроцилиндров, металло-керамических деталей, высококачественных электромагнитов, фильтрующих материалов и т, п. По мере роста выпуска технических средств гидроприводов и гидроавтоматики будет совершенствоваться учение о технологической чувствительности (влиянии технологических отклонений на характеристические свойства изделия).

Уже при существующих масштабах производства технических средств становятся актуальными проблемы унификации, агрегатирования, функциональной взаимозаменяемости и стандартизации элементов. Решение этих проблем послужит прочной базой создания нового поколения гидрооборудования межотраслевого применения. Разработка проблем квалиметрии технических средств гидроавтоматики, должный уровень развития квалиметрии позволит повышать качество изделий и управлять их качеством.

Дальнейшее сокращение времени цикла исследования и разработки нового поколения технических средств вызывает необходимость создания методов проведения ускоренных испытаний, позволяющих оценивать надежность и ресурс гидрооборудования, и притом не только с позиций прочности. Без создания таких методов при малом времени цикла существования новых элементов оценка надежности и ресурса может оказаться нереальной.

Основой роботов и манипуляторов, элементы гидроприводов которых также следует относить к изделиям межотраслевого применения, являются электрогидравлические приводы дроссельного управления, реализуемые на миниатюризованных элементах с широким использованием обратной связи по давлению и применением импульсных датчиков. Создание серийных электрогидравлических приводов такого типа на системных принципах, особенно имея в виду взаимосвязь нескольких каналов управления от общего источника питания, должно основываться на использовании небольшого числа унифицированных блоков. Такие работы пока еще находятся в состоянии первоначальных поисков.

Непосредственно к проблемам совершенствования роботов и манипуляторов примыкает большая группа новых проблем, относящихся к изучению полуавтоматических гидроприводов, т. е. приводов, работающих совместно с человеком-оператором и изучаемых в виде единой биотехнической системы. Массовое применение полуавтоматических приводов, например в сельском хозяйстве, строительно-дорожных машинах, безрельсовом транспорте, на промышленных предприятиях и т. п., делает обязательным совместное изучение в их взаимосвязи не только машины-двигателя, машины-орудия и трансмиссии, но также и человека-оператора, управляющего таким машинным устройством и составляющего вместе с ним единую биотехническую систему. Оказывается, что динамические свойства, например числовые значения доминирующих постоянных времени автоматических и полуавтоматических приводов, должны быть разными. Также должны отличаться доминирующие постоянные времени технической части полуавтоматической системы при автономном размещении оператора и при его размещении непосредственно на управляемом объекте. А от выбора доминирующих постоянных времени технической части зачастую зависят производительность машины, утомляемость оператора, качество выполняемых операций, а в отдельных случаях даже условия комфорта

В свете содержания этих многочисленных новых проблем необходима дальнейшая дифференциация складывающейся их совокупности и, по мере их изучения и развития, нахождение наиболее подходящих форм изложения учения о гидроприводе в виде самостоятельных инженерных дисциплин, непрерывно развивающихся вместе с современным машиностроением.

Назад, на страницу описания