Гидропривод - решение для энергоёмких машин с ограниченными размерами
Сфера использования гидроприводов очень обширна и постоянно растёт. Привод применяется для передачи энергии рабочим органам, используется в качестве исполнительных органов систем управления машинами, а также находит употребление в роли самостоятельной следящей системы. Под понятием "гидропривод" обычно имеют в виду систему гидроустройств, которые приводят в движение механизмы и машины, используя энергию рабочей жидкости, т. е. энергоносителя, подаваемого под давлением.
Одним из главных элементов гидропривода является энергопреобразователь, который, собственно, и преобразует механическую энергию в энергию потока рабочей жидкости. Энерго-преобразователями являются насосы, гидродвигатели, а также гидроаккумуляторы.
Гидробаки, фильтры и теплообменники относятся к вспомогательным устройствам гидропривода. В гидробаке машины находится необходимый объём рабочей жидкости, защищённой уплотнениями от попадания пыли. Фильтры и теплообменники обеспечивают чистоту рабочей жидкости и поддержание её температуры при эксплуатации в оптимальном диапазоне.
Все перечисленные элементы занимаются одним "делом" - осуществляют с помощью гидролинии или гидросети передачу энергии потока рабочей жидкости от его источника к потребителям, т. е. рабочим органам. Гидросеть объединяет в себе рабочую жидкость, трубопроводы и шланги, а также соединительную арматуру, которая связывает отдельные участки гидросети в замкнутую систему.
Параметры, с которыми поток рабочей жидкости движется по гидросети, задаются распределителями, клапанами, дросселями. Это гидроаппараты, которые управляют не только движением гидрожидкости, но и движениями выходного звена гидропривода - навесным оборудованием или приводными колёсами.
В гидроприводах, обеспечивающих возвратно-поступательное движение выходному звену, гидродвигателями служат гидроцилиндры. Если же выходное звено совершает вращательные движения, то гидродвигателем является гидромотор, а такие гидроприводы называются гидроприводами вращательного движения. Разновидность вращательных гидроприводов - гидроприводы поворотного движения - отличаются тем, что работающие в них гидромоторы могут осуществить поворот выходного звена до 360о, и не более.
В большинстве конструкций современной спецтехники используется т. н. объёмный гидропривод, т. е. в его функционировании используется работа объёмных гидромашин, представляющих собой соединение насоса и гидродвигателя.
В объёмных гидромашинах рабочий процесс основан на попеременном заполнении рабочих камер жидкостью и вытеснением её из них.
Своё распространение гидропривод получил благодаря многим преимуществам, первое из которых - небольшая масса и объём, приходящиеся на единицу передаваемой мощности, что даёт возможность работать в гидросистеме высокого давления: 100, 160, 210 кг/см2 и более. Кроме того, гидроприводы работают с высоким КПД, надёжны в работе, легко оборудуются системами автоматизации управления. Во вращательных гидроприводах гидромоторы создают значительно более мощный крутящий момент на выходном валу, чем электродвигатели, возникает большое отношение крутящего момента к моменту инерции ротора, что определяет динамические свойства двигателя. За счёт этого гидропривод может работать с высокой частотой реверсирования, например, для гидромотора вращательного типа это может быть 500 и более реверсирований в минуту, а гидроприводы возвратно-поступательного движения часто работают в условиях, когда число реверсирований достигает 1000 в минуту.
Высоким быстродействием отличается работа гидронасосов. В некоторых системах предусмотрено увеличение подачи энергоносителя от нуля до максимального давления за время, не превышающее 0,04 секунды, а снижение от максимума до нуля происходит за 0,02 секунды. Благодаря малому моменту инерции вращающихся частей, время разгона гидромоторов не превышает долей секунды, электродвигателю же для разгона может потребоваться несколько секунд.
Безусловным плюсом гидроприводов является возможность бесступенчатого регулирования выходной скорости, причём, в широком диапазоне. Не редкость, когда отношение минимальной частоты вращения вала гидромотора к его максимальной частоте вращения составляет 1000! Причём, нижний предел частоты вращения в большинстве существующих гидромоторов доведён до 5-10 об/мин. Это очень важно для точности выполнения рабочих процессов.
Вместе с тем, гидроприводы просты в изготовлении и эксплуатации.
Срок службы гидромоторов и насосов сегодня составляет 5-10 тыс. часов работы под нагрузкой, а гидроаппаратура отрабатывает без поломок по 10-15 лет.
Простые в производстве устройства - предохранительные клапаны - автоматически надёжно защищают гидросистему и машину в целом от воздействия перегрузок.
Кто не "ломается" - тот не работает
И всё же, как бы надёжны не были конструкции гидроприводов, они имеют слабые места и требуют периодического контроля и обслуживания.
Так, гидропривод очень зависим от состояния рабочей жидкости. Вязкость рабочей жидкости прямо связана с её температурой, от колебаний температуры могут меняться рабочие параметры гидропривода. В летнее время температура энергоносителя не должна превышать 80оС, но особенные трудности возникают в условиях низких температур.
Выбор рабочей жидкости - важнейший вопрос для правильной эксплуатации.
Применение высокого давления в современных гидросистемах привело к тому, что в целях повышения герметичности гидроагрегатов зазоры между их подвижными деталями минимизированы, составляют 4-10 мкм. Такие зазоры делают гидроагрегаты особенно чувствительными к загрязнению жидкости механическими частицами, размеры которых соизмеримы с зазорами в гидроагрегатах. Абразивные частицы могут создать задиры на поверхностях движущихся относительно друг друга деталях, в результате детали может заклинить.
Опыт эксплуатации гидросистем высокого давления показывает, что загрязнённость рабочей жидкости резко снижает сроки службы гидроагрегатов и является одной из основных причин возникновения отказов в работе. При работе привода в жидкость непрерывно поступают продукты износа сопрягаемых деталей. Даже при хранении техники загрязняющие вещества накапливаются в жидкости как продукт окислительных процессов между базовой жидкостью и присадками, добавляемыми для улучшения свойств рабочей жидкости.
Кроме того, во время монтажа и ремонта, а также в процессе работы, например, при износе уплотнений, в гидросистему может попасть воздух. Присутствие в жидкости нерастворённого воздуха, кроме ухудшения динамических характеристик привода, таких как устойчивость и точность работы, вызывает незаполнение рабочих объёмов насоса жидкостью-энергоносителем. А это резко снижает КПД. Более того, воздух в жидкости может вызвать высокочастотные колебания в каналах привода, а это повышает уровень шума и вибрации.
В процессе эксплуатации рабочая жидкость периодически должна меняться. Срок службы рабочих жидкостей зависит от очень многих факторов, поэтому конкретного срока замены нет. Рекомендуется периодически проверять вязкость рабочей жидкости, и при изменении вязкости при одной и той же температуре примерно на 50%, а в ответственных гидросистемах даже на 25% от "паспортной", следует заменить рабочую жидкость на свежую.
Ещё одним важнейшим элементом гидросистем являются уплотнения. От их надёжности зависит непосредственно работоспособность гидропривода в целом. По принципу работы уплотнения разделяются на 2 основные группы. Первая группа - уплотнения, в которых контактное давление, обеспечивающее герметизацию, достигается за счёт предварительного сжатия уплотнения при монтаже. К таким уплотнениям относятся большинство прокладок, набивки, сальники и т. д. Во второй группе уплотнений при монтаже за счёт сжатия создаётся герметизация, сохраняемая только при отсутствии давления рабочей жидкости. В таких уплотнениях герметизация увеличивается под действием рабочего давления жидкости. Вторая группа - это различные манжеты, кольца из упругого материала.
При эксплуатации происходит релаксация резиновых уплотнений, т. е. постепенное уменьшение напряжений при постоянной деформации, а затем резкое ухудшение упругих свойств, потеря формовосстановления и ухудшение физико-химических свойств, особенно под действием высоких температур. На работоспособность уплотнений влияет состав рабочей жидкости. Уплотнение может набухать из-за пропитки его жидкостью или в результате химического взаимодействия. Но также может происходить и усадка уплотнения из-за вымывания гидрожидкостью из его состава пластификатора.
При появлении существенных следов вытекающей рабочей жидкости необходимо найти и приобрести нужные уплотнения или готовый ремкомплект и, не откладывая, произвести замену. Дефектное уплотнение, прежде всего, является источником загрязнения рабочей жидкости, а небольшое подтекание в любой момент может превратиться в мощную струю.
В целом же, статистические данные говорят, что
отказы вследствие возникновения дефектов в трубопроводах и шлангах высокого давления составляют большую часть - 35% всех отказов. С отказами по причине выхода из строя дросселей и фильтров связывают ещё 25% случаев. 20% отказов происходит из-за поломок золотниковых и распределительных устройств. И по 10% инцидентов, приводящих к отказам техники, приходится на поломки элементов автоматики, а также выход из строя силовых элементов.
Что касается трубопроводов и РВД, то в гидросистемах спецтехники эти элементы очень нагружены. Они испытывают большие внутренние давления пульсирующей жидкости с пиковыми одиночными забросами давления. Эти "пики" возникают за счёт инерции движущихся масс агрегатов машин, например, при движении по бездорожью.
Оператор, работающий с приводом, должен знать рабочие и максимальные давления, во время работы постоянно наблюдать за показаниями манометров и стараться не создавать "всплесков" давления. Клапаны и реле должны быть отрегулированы на давление, на 30-50% превышающее максимальное давление в гидросистеме.
На гидросеть оказывает вредное воздействие и вибрационная нагрузка, возникающая при эксплуатации машины. Порой проблемы в соединительных элементах возникают из-за больших монтажных напряжений, ошибочно созданных при сборочных работах.
Для деталей гидросети, что следует из вышесказанного, характерны большие, чем для других деталей гидросистемы, усталостные разрушения. Поэтому систематически следует осматривать "маршрут" движения гидрожидкости, и в случае обнаружения трещин, расслоений либо значительных вмятин и других механических повреждений на поверхности трубопровода, а тем более, подтеканий, немедленно следует менять дефектную деталь на новую. Даже если потребуется заменить шланг или трубопровод с "хитрой" резьбой на штуцере и длиной, не соответствующей отечественному ГОСТу, сегодня совсем несложно найти мастерскую, которая изготовит требуемое изделие по образцу.
Нельзя допускать, чтобы резиновые шланги были скручены или защемлены. Трубопроводы должны быть ограждены, чтобы не могли зацепиться за какие-либо торчащие предметы.
Значительно реже, чем дефекты с РВД, возникают проблемы с гидронасосами, но устранить их несколько сложнее, чем просто заменить шланг. Основным узлом, определяющим работоспособность насоса, является качающий узел. Этот узел наиболее интенсивно изнашивается в парах трения с малыми зазорами, например, в новых насосах,в которых этот зазор поначалу минимален. При первом запуске насоса необходимо сначала ослабить пружину напорного клапана, несколько раз вручную провернуть вал насоса, затем запустить двигатель и убедиться, что вал насоса вращается в правильном направлении. Начинать работу нужно при низком давлении, и если гидросистема работает нормально, то отрегулировать напорный клапан на рабочее давление.
Интенсивность износа прямо зависит от наличия в рабочей жидкости различных твёрдых примесей. Когда зазоры в цилиндро-поршневой группе насоса или в шарнирных соединениях начинают превышать "паспортный", разрешённый износ, то заметно увеличиваются внутренние утечки, падает КПД. К частым причинам возникновения проблем с работой насосов относятся также утрата уплотнениями герметичности, изнашивание шлицевого зацепления, разрушение подшипников, перегрев корпуса и выход из строя конструктивных элементов из-за вибрации.
Дефекты, возникающие в гидроцилиндрах, также негативно отражаются на работе гидроприводов в целом. Во время эксплуатации, в конце работы, надо очищать штоки от грязи, пыли, снега, льда, проверять и подтягивать крепления. При сильном запылении желательно одевать на штоки защитные кожухи.
К основным неисправностям относятся разрушения уплотнений поршня, различные течи через уплотнения, износ рабочих поверхностей гильзы, поршня или штока, срыв резьбы и т. д.
Износ гильзы носит, как правило, бочкообразный характер, т. к. выработка максимальна в центральной части гильзы, а до крайних точек - верхней и нижней - поршню не всегда нужно доходить в процессе выполнения рабочего движения.
Небольшие задиры и царапины, обнаруженные на "зеркале" внутренней поверхности гильзы, а также на поверхности штока, контактирующей с манжетами, могут быть выведены зачисткой мелкой шкуркой с зернистостью 80-120. Если износ значительный, то гильзу шлифуют внутри, выходя на ремонтный размер. Чистота обработки рабочей поверхности гильзы не должна быть ниже 9 класса.
Штоки при износе протачивают, при значительных дефектах - наплавляют, а затем протачивают и шлифуют для последующего нанесения слоя хрома. Необходимо, чтобы хромированный слой на готовом штоке имел толщину не менее 0,021 мм. После хромирования шток шлифуют до чертёжного размера либо до ремонтного, если имеется "ремонтная" гильза.
Довольно часто встречаются такие дефекты, как изгиб штока. Обычно при обнаружении изгиба шток меняют на новый, т. к. требования относительно изгиба жёсткие. Например, на штоке длиной до 300 мм, допускается прогиб не более 0,15 мм в любой точке штока. Рихтуют шток без нагрева на специальных призмах.
При дефектах резьб на концах штока обычно ремонтируемый участок либо протачивают и нарезают резьбу меньшего диаметра, желательно с мелким шагом, либо заплавляют дефектную резьбу, а затем протачивают и нарезают новую резьбу.
Если предстоит долгий простой машины, то гидроцилиндры нужно заполнить жидкостью для предотвращения коррозии.
Надо отметить, что надёжность работы гидропривода закладывается на этапе проектирования, обеспечивается в процессе изготовления, а поддерживается на заданном уровне грамотными действиями тех, кто его эксплуатирует.
Фото: Volvo Construction Equipment
ТЕХНО-magazine
