Подборка лекций по гидравлике для начинающих

Преимущества и недостатки гидравлической системы

Преимущества

1. Гибкость — ограниченное количество жидкости является более гибким источником энергии и имеет хорошие свойства передачи энергии. Использование рукавов высокого давления и шлангов вместо механических частей позволяет устранить многие проблемы.

2. Увеличение силы — Малая сила может управлять большой силой.

3. Плавность – Работа гидравлической системы плавная и тихая. Вибрация сведена к минимуму.

4. Простота — Имеется несколько подвижных деталей и небольшое число соединений гидравлической системы, а также самостоятельная смазка.

5. Компактность — Устройство составных частей очень простое по сравнению с механическими устройствами. Например, размер гидравлического мотора значительно меньше электрического мотора, который производит такую же энергию.

6. Экономия — Простота и компактность обеспечивает экономичность системы при небольших потерях мощности.

7. Безопасность — Предохранительный клапан защищает систему от перегрузок.

Недостатки

НЕОБХОДИМОСТЬ СВОЕВРЕМЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ — Компоненты гидравлической системы являются прецизионными деталями и работают под высоким давлением. Своевременное техническое обслуживание необходимо для защиты от ржавчины, загрязнения масла, повышенного износа, поэтому использование и замена соответствующего масла является необходимостью.

Где инновационные гидравлические технологии находят наибольшее применение?

Передовые разработки в сфере гидравлики широко реализуются в морском и наземном бурении, строительстве, современном сельском хозяйстве — там, где нужны компактные, высокопроизводительные системы с большим рабочим ресурсом. Инновации пользуются спросом, прежде всего, в Европе и США, поэтому там научный прогресс наиболее заметен. Его подкрепляет интерес производителей к разработкам: рынок Старого и Нового Света — крупнейшая площадка сбыта прогрессивной гидравлики.

За последние 5-7 лет устойчивый рост внимания к научным разработкам демонстрирует Канада и Мексика: там передовое гидрооборудование востребовано в первую очередь в сельском хозяйстве и строительстве. Производители из Азиатско-Тихоокеанского региона стимулируют исследования в области гидравлики для энергетики (как Бразилия) и обрабатывающей промышленности.

«Домашний» четвероногий робот Boston Dynamics SpotMini

Первые в мире беспилотные наземные капсулы для перевозки пассажиров

Интерес научного сообщества и производителей к инновациям в области гидравлики способствует бурному прогрессу в этой области. Ученые смело говорят и даже строят прогнозы относительно ближайшего будущего. В планах у них:

• синтез искусственного интеллекта и роботов, оснащенных совершенными гидромеханизмами — эти устройства практически на 100% будут имитировать плавность движений человеческого тела, но точность их будет многократно выше;
• создание нанороботов для медицинских целей: гидрочипы будут уменьшены в десятки раз, что даст возможность уменьшить инвазивность хирургических операций и фактически «вычищать» повреждения;
• конструирование био-протезов — гидравлических конечностей, пальцев, суставов, неотличимых от настоящих;
• использование гидропневмоустройств в наземных беспилотниках: применение авиаконструкторских технологий в разы повысит скорость перемещения пассажиров и грузов по земле.

Робот-«дворецкий» в аэропорту

Российские компании, к сожалению, не имеют должного «запаса мощности», но научная мысль и производство гидросистем в РФ не отстают от мировых трендов. Усилия ученых прикладываются в аэрокосмической области, нефтяной, металлургической, оборонной и других сферах промышленности. Поэтому можно смело утверждать: российские специалисты вносят немалый вклад в превращение футуристичных прогнозов о развитии гидравлики в реальность.

Инновационный гидравлический протез

Машины на гидравлических системах

Наиболее распространены такие механизмы в машинах с навесным оборудованием – в тех же экскаваторах, тракторах и уборочных автомобилях. Широко применяют гидравлику в своих моделях конструкторы Минского тракторного завода (МТЗ).

Стандартная комплектация, которая используется в этих тракторах, включает насосы, гидрораспределитель, цилиндры и трубопровод. Рабочий цикл, который обеспечивает гидравлика МТЗ, можно представить так: жидкость поступает от емкости к насосам, переправляется к распределителям, входит в поршневую группу и возвращается в бак. На этапе перехода от гидрораспределителей к цилиндрам к регуляции процесса подключается оператор оборудования, который посредством рычагов контролирует поступление жидкости в поршневые группы в зависимости от текущих задач.

Гидравлика в инженерии

Все же известность гидравлики как раздела науки не так широка по сравнению с ее производными в практической сфере. На тех же прикладных знаниях базируются проекты инженерных систем – например, одним из старейших продуктов гидравлики является акведук. В наши дни законы энергии жидкостей ложатся в основу разработок канализационных систем, поршневого оборудования, водоснабжения и т. д.

В большинстве случаев работа гидравлики такого типа организуется как двигательная сила для приведения в действие обслуживаемых агрегатов. Классическим примером являются гидромашины. В целом можно вывести такое определение инженерной гидравлики – совокупность элементов механической конструкции, устройство которой предполагает использование жидкости в качестве активной природной среды. Но это не означает, что вода является источником усилия. Она лишь транслятор энергии, которая ей придается другими механизмами, которые, в свою очередь, активизируются посредством электродвигателей и силовых агрегатов на жидкостном или твердотельном горючем.

Компоненты гидравлической системы

Основные компоненты

Гидравлическая система состоит из многих частей. Основными деталями являются насос и привод. Насос подаёт масло, преобразуя механическую энергию в энергию давления и кинетическую энергию. Привод является частью системы, которая преобразует гидравлическую энергию обратно в механическую энергию для выполнения работы. Другие детали, кроме насоса и привода, необходимы для полной работы гидравлической системы.

Бак: хранение масла

Клапаны: контроль за направлением и величиной потока или ограничение давления

Линии трубопровода: соединение деталей системы

Давайте посмотрим на две простые гидравлические системы. 

Пример 1, гидравлический домкрат

Что вы видите на рисунке, называется гидравлический домкрат. Когда вы прилагаете усилие к рычагу, ручной насос подаёт масло в цилиндр. Давление этого масла давит на поршень и поднимает груз. Гидравлический домкрат во многом напоминает гидравлический рычаг Паскаля. Здесь добавлен гидравлический бак. Обратный клапан установлен, чтобы держать масло в баке и цилиндре между ходом поршня.

На верхнем рисунке, давление удерживается, обратный клапан закрыт. Когда ручка насоса тянется вверх, впускной обратный клапан открывается и масло попадает из бака в камеру насоса.

Дальше ручка насоса двигается вниз. Давление масла закрывает впускной обратный клапан, но открывает выпускной обратный клапан. При этом, масло поступает в цилиндр и давит на поршень снизу вверх.

Нижний рисунок показывает открытый запорный клапан для соединения бака и цилиндра, позволяя маслу перетекать в бак, при этом поршень движется вниз.

Пример 2, работа гидравлического цилиндра

1. Во первых, имеется гидравлический бак, заполненный маслом и подсоединённый к насосу.

2. Далее, насос необходим для создания потока, но насос не всасывает масло из бака. Масло попадает в насос под действием силы тяжести.

3. Насос работает и качает масло

Важно понять, что насос перемещает только объём. Объём устанавливает скорость гидравлического действия

Давление создаётся нагрузкой и не создаётся насосом.

4. Шланг от насоса соединён с распределительным клапаном. Масло поступает из насоса к клапану. Работа данного клапана заключается в направлении потока или к цилиндру, или в бак.

5. Следующим шагом является цилиндр, который выполняет фактическую работу. Два шланга от распределительного клапана соединены с цилиндром.

6. Масло из насоса направляется в нижнюю полость поршня через распределительный клапан. Нагрузка вызывает сопротивление потоку, которое в свою очередь создаёт давление.

7. Система выглядит законченной, но это не так. Ещё необходима очень важная деталь. Мы должны знать, как защитить все компоненты от повреждения в случае внезапной перегрузки или другого происшествия. Насос продолжает работать и подавать масло в систему, даже если с системой произошло происшествие. Если насос подаёт масло и нет возможности для выхода масла, давление возрастает до тех пор, пока какая либо деталь не сломается. Мы устанавливаем предохранительный клапан, чтобы предотвратить это. Обычно он закрыт, но когда давление достигает установленной величины, предохранительный клапан открывается и масло течёт в бак.

8. Бак, насос, распределительный клапан, цилиндр, шланги соединения и предохранительный клапан являются основой гидравлической системы. Все эти детали необходимы.

Классификация минеральных масел

Ключевая группа РГЖ (их доля в общем производстве превышает 80%) — гидравлические масла, соответствующие DIN51524/51824. Это минеральные составы HL, HLP, HVLP и HLPD. Первые (HL) — универсальные масла, диапазон использования которых широк. Они применяются в узлах под повышенной нагрузкой: на прокатных станах металлообрабатывающей промышленности, в сталеплавильном производстве. Там нужны их свойства — оптимизированная водоотделяющая способность, быстрое выделение воздуха, совместимость с белым металлом.

Рис. 7 РГЖ HL-46

В масла HLP, широко применяемые по всему миру, дополнительно добавляют агенты, которые снижают износ, коррозию, оптимизируют деэмульгирующие, противозадирные свойства, стабильность к окислению. Составы используют в высоконагруженном оборудовании — гидравлических прессах, технике для литья под давлением, на сталелитейных линиях.

Рис. 8 Минеральная индустриальная РГЖ HLP

Разновидности HVLP отличаются повышенным индексом вязкости, что ускоряет достижение нужной (рабочей) температуры. Поэтому они используются в мобильной гидрофицированной технике, на функционирование которой внешние условия оказывают значительное влияние. Составы HLPD содержат присадки, «превращающие» загрязнители в тонкую дисперсию, препятствуя оседанию, минимизируя их отложение на гидроузлах и снижая износ.

Рис. 9 Минеральное масло для ГУР

Регулирование производительности в зависимости от нагрузки

Одним из наиболее значительных усовершенствований в конструкции гидросистем стало использование электроники для согласования работы систем и агрегатов машины. В состав гидросистем стали вводить датчики, позволяющие измерять величины рабочего давления в системе, и на основе этих данных автоматически регулировать производительность гидросистемы в зависимости от нагрузки на машину. Система с помощью датчиков отслеживает давление в гидроконтурах и подает команды насосу и гидрораспределителю, обеспечивая необходимый расход жидкости в нужном гидроконтуре.

Производительность регулируется за счет использования гидронасосов с переменным объемом. Этот насос путем изменения величины рабочего хода развивает только такую производительность, какая необходима в данный момент, и только когда необходимо подавать жидкость, что существенно повышает к.п.д. системы. Сократилось время реагирования гидросистемы на изменение нагрузки.

Традиционно в большинстве строительных машин использовались гидронасосы с постоянным рабочим объемом или шестереночные. Такие насосы подавали жидкость постоянно, даже когда гидравлическое оборудование не работало. Если нужно было выполнить нетяжелую работу, то большая часть потока гидравлической жидкости, создававшегося насосом, сбрасывалась редукционным клапаном обратно в гидробак и мощность двигателя затрачивалась на бесполезную работу, в результате расходовалось лишнее топливо, и система перегревалась.

Использование в системе не одного, а нескольких гидронасосов также позволяет регулировать производительность и энергозатраты. Применяя несколько гидронасосов, обеспечивающих независимую работу гидроконтуров рулевого управления и рабочего оборудования, можно подобрать производительность насосов к необходимой мощности в данном контуре и за счет этого уменьшить потери на дросселирование. Насосы могут располагаться последовательно или параллельно.

Как определить простейшие неисправности гидросистемы?

Определить неисправности можно двумя способами:

• с помощью органов чувств;
• с помощью приборов и инструментов.

Простейшие неисправности гидравлической системы можно определить с помощью органов чувств — увидев, ощутив, услышав, — причем очень быстро. На практике многие проблемы решаются именно таким способом, без применения каких-либо инструментов.

Подтекание рабочей жидкости	В местах соединений элементов	— Слабая затяжка резьбовых соединений — Разрушение уплотнительных элементов (манжет, колец)
Вспенивание рабочей жидкости	В масляном баке	— Подсос воздуха во всасывающей гидролинии — Низкий уровень рабочей жидкости в баке
Недостаточная скорость выполнения операций	Рабочие органы машины	— Большие утечки рабочей жидкости — Недостаточная подача насоса
Недостаточное усилие при выполнении операций	Рабочие органы машины	— Большие утечки рабочей жидкости в системе — Неправильная настройка предохранительного клапана

Шум при работе насоса	Насос	— Кавитация во всасывающем трубопроводе — Несоосность валов насоса и приводной установки — Износ приводных редукторов и муфт
Шум и стук при работе клапанных аппаратов	Клапан	— Засорен клапан — Сломана пружина — Разрегулирован клапанный узел

Нагрев рабочей жидкости до температуры более 60 °С	На трубопроводах	— Низкий уровень рабочей жидкости в баке — Засорены фильтры — Засорен сапун
Нагрев насоса	На корпусе насоса и прилегающих к нему узлах	— Низкая подача и, как следствие, недостаточная скорость выполнения рабочих операций
Нагрев гидроцилиндров и гидромоторов	На корпусе гидроцилиндра, гидромотора и прилегающих к ним трубопроводах на расстоянии 10-20 см	— Неисправен гидроцилиндр (износ уплотнений, повреждение поршня) — Неисправен гидромотор (износ поршней и распределителя, выход из строя подшипников)
Нагрев гидрораспределителей	На корпусе гидрораспределителя и прилегающих к нему трубопроводах слива рабочей жидкости	— Неисправен гидрораспределитель (износ золотников, неисправность клапанов)

Если с помощью органов чувств не удалось выявить неисправность, то необходимо использовать приборы: манометры, расходомеры и т.п.

Автоматизация функций управления

Электрогидравлические системы позволяют поддерживать функции автоматического или полуавтоматического управления функциями машины, за счет чего не только появилась возможность выбора режима работы, уменьшается время выполнения цикла и повышается точность работы, но и вообще упрощается и облегчается эксплуатация машины. Электронные системы автоматического управления повышают производительность машин и упрощают работу оператора. Даже неопытный оператор сможет выполнять работы с высоким качеством за счет автоматизации управления, а опытные операторы смогут быстрее освоить управление новой машиной и увеличить производительность, то есть выполнять работы больше, чем раньше.

Например, повышают производительность труда оператора такие автоматические функции, как ограничение высоты подъЖЖЖема ковша и уменьшение раскачивания ковша при движении машины. Когда машина внедряет ковш в штабель материала, она работает жестко и резко, но как только погрузчик, набрав материал в ковш, отъезжает от штабеля, автоматически включается функция ограничения раскачивания ковша, обеспечивающая плавное движение машины. Все эти ограничения можно задать не выходя из кабины. Для замены навесного оборудования раньше требовались 1–2 человека и несколько минут времени. Теперь благодаря автоматизации оператор выполняет эту операцию за считаные секунды не выходя из кабины.

Нивелирование ранее производилось по столбикам, мерной ленте и натянутым шнурам. Сегодня оно выполняется средствами лазерной, ультразвуковой и спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС намного проще, быстрее и точнее

Например, у автогрейдеров автоматическая функция управления отвалом дает возможность оператору сосредоточить внимание на одном конце отвала, в то время как бортовой компьютер контролирует положение другого конца. Это позволяет увеличить скорость движения машины при нивелировании и обеспечивает более точное выполнение работы

У некоторых бульдозеров в системе управления гидросистемой имеется несколько режимов управления отвалом. Например, при выполнении финишной планировки можно уменьшить скорость выполнения команд и сделать движения очень плавными. Если же бульдозер перемещает большие массы земли, управление можно сделать более быстрым и резким.

Это только несколько примеров, когда гидросистема облегчает и упрощает работу оператора и повышает его производительность. 

Область применения

Область применения гидрораспределителей не ограничивается отдельными сферами деятельности. Практически в каждой гидравлической системе используется такой механизм. Наиболее распространенными являются золотниковые модели. Это связано с тем, что они простые в использовании, относительно дешевые и имеют небольшие размеры. С помощью таких распределителей обычно происходит управление движением компонентов двигателей.

Обычно встретить такие гидравлические распределители можно на:

• станках:
• крановых установках, подъемниках и манипуляторах;
• грузовых автомобилях;
• сельскохозяйственной технике;
• специальной технике, применяемой в строительстве и горнодобывающей промышленности.

Сфера применения таких моделей ограничивается лишь уровнем давления рабочей жидкости. При превышении дозволенных показателей система может не выдержать и выйти из строя из-за потери жидкости. При больших нагрузках стоит отдавать предпочтение клапанным устройствам.

Крановые модели редко применяются из-за небольшой пропускной способности. Они часто встречаются в комплексе с золотниковыми и клапанными устройствами в качестве дополнительного механизма.

При покупке распределителя следует изучить технические характеристики каждой модели. Иногда лучше всего посоветоваться со специалистом. От распределителя напрямую зависит надежность работы гидросистемы. Стоит отметить, что даже если правильно подобрать устройство, могут возникнуть проблемы, если неправильно его установить

Поэтому к такому важному этапу также стоит отнестись с особым вниманием

Базовое определение гидравлики

С точки зрения науки, гидравлика – это раздел знаний, освещающий законы движения и равновесия жидкостей. Водная среда в тех или иных формах является главным аспектом изучения в этом направлении. Кроме теоретических исследований ученые занимаются и экспериментальными испытаниями, результаты которых формируют основу для решения задач прикладной инженерии. Научные работы посвящаются закономерности движения воды по трубопроводным каналам, в речных руслах и гидромашинах. Но для полного понимания, что такое гидравлика в научном контексте, нельзя обойтись и без смежных дисциплин, инструментарий которых затрагивается в ходе исследования. К таким можно отнести физику, математику и механику. Также выделяется два направления изучений гидравлики – в динамическом и статичном контекстах. Гидродинамика затрагивает вопросы кинематики воды как таковой, а гидростатика больше ориентируется на законы взаимодействия жидкостей с другими средами и телами.

Применение и принцип действия

Пневматическое и гидравлическое оснащение широко применяется в промышленности, особенно в подъемно-транспортных механизмах. В быту используется преимущественно пневматика. 

Для обеспечения перемещение рабочей жидкости в пневматике и гидравлике применяются насосы. Насосом называется машина, преобразующая энергию двигателя в энергию потока среды. Эта энергия служит для выкачивания или накачивания газов и жидкостей насосом. 

Существует огромное количество типов насосов, которые отличаются принципом действия, конструкцией, видом перекачиваемой среды, всасывающей способностью, назначением.

Создаваемые гидро- и пневмоприводами потоки энергии необходимо правильно распределить и направить. В этом процессе многое зависит от качества применяемых компонентов. Для регулирования интенсивности потока рабочей среды с помощью изменения площади проходного сечения используют запорную арматуру. По конструкции эти устройства состоят из подвижной запорной части и корпуса. Для герметизации между запорной частью и корпусом применяются уплотнители. Выпускается разборная и неразборная запорная арматура, с резьбовым, муфтовым приварным, фланцевым и штуцерным присоединением. 

К пневматическому оборудованию также относятся пневмораспределители, пневмоавтоматика, катушки, пневмоглушители, маслораспылители, пневмоцилиндры, фитинги, шланги пневматические и др., к гидравлическому – гидрораспределители, манометры, гидроцилиндры, гидростанции, дроссели, гидрозамки и др. 

Гидрораспределители и клапаны

Секционные распределители PVG

	Расход, л/мин	Давление рабочее (макс.), бар
PVG16, PVG32	до 140	350 (400)
PVG100	до 180	350 (400)
PVG120	до 250	350 (400)
PVG128/256	до 600	350 (400)

Гидравлический секционный LS-распределитель PVG является своего рода визитной карточкой компании Danfoss. Можно сказать, что это лучшее решение для управления рабочими органами в гидроприводах мобильных машин, где расход не превышает 1200 л/мин, а рабочее давление — 350 бар.

Материалы:

PVG16_Краткая_инф._2016 (EN) (pdf, 355 КБ)

PVG16_Тех._инф._2018 (EN) (pdf, 5.9 МБ)

PVG32 _Тех .инф._2002 (RU) (pdf, 3.6 МБ)

PVG32_Тех. инф._2016 (RU) (pdf, 8.0 МБ)

PVG32 _Тех. инф._2019 (EN) (pdf, 10.0 МБ)

PVG100_Краткая_инф._2016 (EN) (pdf, 596 КБ)

PVG100 _Тех. инф._2018 (EN) (pdf, 9.4 МБ)

PVG120 _Тех. инф._2017 (EN) (pdf, 4.9 МБ)

PVG128/256_Краткая_инф._2017 (EN) (pdf, 330 КБ)

PVG128/256_Тех._инф._2018 (EN) (pdf, 8.0 МБ)

PVG_Брошюра_2014 (EN) (pdf, 1.3 МБ)

PVE_Series_7_Блоки_управления_Тех._инф._2020_EN_ (pdf, 4.7 МБ)

PVE_Series_4_Блоки_управления_Тех._инф._2018_EN_ (pdf, 5.5 МБ)

Секционные распределители ECO

	Расход, л/мин	Давление рабочее (макс.), бар
ECO80	до 80	280 (320)

Распределители серии ECO 80 подходят для систем с небольшими расходами(до 80 л/мин). Они имеют секционную конструкцию, что позволяет подобрать решение, максимально удобное для Вашего применения.

Материалы:

ECO_80_Краткая_информация_2016_EN_ (pdf, 424 КБ)

ECO_80_Техническая_информация_2019_EN_ (pdf, 6.3 МБ)

ECO_80_Каталог_запчастей_2019_EN_ (pdf, 8.4 МБ)

Картриджные клапаны

Гидравлические клапаны Comatrol патронного (картриджного) типа представлены широким диапазоном гидроклапанов, от дросселей и обратных клапанов до релуляторов расхода и редукционных клапанов. Существуют так же интегрированные гидравлические контуры (HIC) — компактные клапанные блоки, совмещающие в себе несколько гидроклапанов для выполнения ряда функций в тракторах, комбайнах, бульдозерах.

Материалы:

1 — Введение — 2010 (EN) (pdf, 237 КБ)

2, 3, 8, 9, 13 — Гидрозамки, обратные, тормозные и логические гидроклапаны — 2010 (EN) (pdf, 3.3 МБ)

4, 5 — Переливные и редукционные гидроклапаны — 2010 (EN) (pdf, 1.5 МБ)

6, 7 — Гидроклапаны управления потоком — 2010 (EN) (pdf, 2.7 МБ)

10, 12, 16, 17 — Гидроклапаны с ручным и электроуправлением (pdf, 4.0 МБ)

11 — Пропорциональные гидроклапаны (pdf, 2.6 МБ)

14 — Блоки управления вентилятором (pdf, 1.1 МБ)

15 — Клапанные блоки к гидромоторам (pdf, 4.7 МБ)

18 — Дополнительные элементы (pdf, 958 КБ)

19, 20, 21 — Корпуса и электромагнитные катушки (pdf, 4.8 МБ)

22, 23 — Кодовые номера (pdf, 1.2 МБ)

Техобслуживание современных гидросистем

Многие операции техобслуживания (ТО) приходится выполнять самому оператору. Поэтому от того, насколько меньше он будет затрачивать времени на выполнение всех необходимых операций ТО и утомляться при этом, зависит общая производительность его труда.

С точки зрения техобслуживания современные гидросистемы во многом похожи на предшествующие: также требуется вовремя заменять жидкость, фильтры и по мере выработки ресурса гидравлические компоненты. Однако в результате усовершенствования эксплуатационных характеристик гидравлических жидкостей и использования в их составе новых присадок сроки службы жидкостей и интервалы техобслуживания увеличились до нескольких тысяч моточасов. 

Основные особенности гидравлики и пневматики

1. Пневматические системы дешевле гидравлических (в пневматике отсутствуют затраты на рабочее тело – воздух; гидроприводы ввиду более высокого рабочего давления требуют применения высокопрочных дорогих компонентов).
2. Пневматическое оборудование экологически безопасно.
3. При хранении пневматики нет необходимости использовать электроэнергию.
4. Из-за различной вязкости гидравлического масла и воздуха скорость перемещения штока пневмоцилиндра может в разы превышать скорость движения штока гидроцилиндра.
5. Пневматические механизмы обладают невысокой точностью работы из-за сложности обеспечения равномерного движения штока пневмоцилиндра.
6. В пневматике максимальное давление ограничено до 16 бар.
7. Гидравлическое оборудование легко подключается к источникам жидкости с помощью гибких шлангов.
8. Жидкость в гидравлике также выполняет функции охлаждения и смазки всего устройства.

Современные разработчики активно работают над увеличением рабочего давления при сохранении габаритных размеров и расширением диапазона рабочих температур газов и жидкостей.