ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Управление рабочими гидроузлами спецтехники


Структурная гидросхема машины, показанная на рис. 1, содержит несколько функциональных контуров. Выделим на схеме контур управления гидродвигателями рабочих органов. Его основная функция – регулирование потока рабочей жидкости и давления. От этих параметров зависят скорости движения элементов рабочего оборудования и развиваемые ими усилия.



В зависимости от мощности машины насосы в контурах гидропривода рабочих органов могут быть шестеренными или аксиально-поршневыми. Выбор их типа диктует требуемое давление, которое необходимо развивать при выполнении технологических операций.

Гидрораспределители направляют поток рабочей жидкости от насоса в гидродвигатели (гидроцилиндры, гидромоторы). Они также могут регулировать величину расхода и давление в гидродвигателях.

В мобильной технике очень часто используются гидрораспределители с открытым центром, т.е. при нейтральном положении золотников рабочая жидкость свободно проходит по центральному каналу на слив. Такое техническое решение позволяет экономить значительное количество энергии на холостых режимах работы машин и оборудования.

В корпусах гидрораспределителей для мобильной техники часто устанавливают дополнительные клапаны различного назначения. Поэтому современные гидрораспределители являются управляющими комплексами машины. Гидрораспределители выпускаются двух основных типов: секционные и моноблочные.



Рис. 2. Типовой универсальный моноблочный гидрораспределитель

Моноблочные гидрораспределители содержат в своем корпусе от двух до шести золотников и предохранительный клапан. Часть их, обладающих универсальной гидросхемой, широко используют во многих простых машинах и оборудовании. На рис. 2 показан типовой моноблочный гидрораспределитель.

В ряде моделей моноблочных гидрораспределителей, предназначенных для сложных гидросистем, в рабочих каналах портов дополнительно устанавливаются вторичные клапаны давления (антишоковые), обратные клапаны подпитки (антикавитационные), а также дроссели. Антишоковые клапаны обычно настраиваются на величину, превосходящую значение предохранительного клапана на 10-15%.



Рис. 3. Моноблочный гидрораспределитель с вторичными клапанами и комбинированным управлением золотниками

На рис. 3 показан подобный гидрораспределитель. Такие распределители часто разрабатываются в специализированном исполнении для однотипной техники, выпускаемой в больших количествах: неполноповоротные экскаваторы, погрузчики, краны-манипуляторы, лесозаготовительные машины и
т.п.

Секционные гидрораспределители более универсальны. Они состоят из золотниковых секций, которые соединяются между собой шпильками. Между секциями обязательно устанавливают уплотнения.

Первая (входная) секция содержит предохранительный клапан, защищающий от перегрузки все гидравлические контуры, управляемые данным гидрораспределителем. К этой секции подводится нагнетательный поток рабочей жидкости от насоса, а иногда и линия слива.

Рабочие секции управляют гидродвигателями (гидроцилиндрами, гидромоторами). В нагнетательный канал каждой рабочей секции встраиваются обратные клапаны, удерживающие нагрузку. Они предотвращают обратное течение потока жидкости от давления в гидродвигателях.

По техническим требованиям гидросистемы машины в каналы рабочих портов часто устанавливаются вторичные клапаны: антикавитационные, антишоковые, комбинированные. Последняя (сливная) секция направляет поток, совершивший работу, в гидробак.

В ряде конструкций гидрораспределителей сливная секция направляет сливной поток через каналы рабочих секций во входную, в которой предусмотрен порт слива. Такая схема удобна для подвода гидромагистралей.



Рис. 4. Типовой универсальный секционный гидрораспределитель

Используя рабочие секции с одинаковыми или различными функциональными характеристиками, можно легко собрать гидрораспределитель для любой машины или оборудования, в т.ч. с вторичными клапанами.

Количество рабочих секций в некоторых гидрораспределителях достигает 12 шт. На рис. 4 показан типовой универсальный секционный гидрораспределитель с вторичными клапанами.



Рис. 5. Схема входной и рабочей секций гидрораспределителя с открытым центром

А, В – рабочие каналы, соединяемые с гидродвигателем

Схема входной и рабочей секций гидрораспределителя с открытым центром показана на рис. 5. Рабочая жидкость от насоса подается во входной порт. По внутренним каналам она поступает к предохранительному клапану и в центральный байпасный канал рабочей секции.

По нему, свободно проходя через шейки золотника, рабочая жидкость направляется в следующую секцию, а затем на слив. При перемещении золотника в крайнюю позицию центральный байпасный канал перекрывается, и жидкость от насоса поступает в канал А или В, соединенный с рабочей полостью гидродвигателя.

На рис. 6 показана схема рабочей секции гидрораспределителя с вторичными клапанами, установленными в каналах портов, соединяющих гидродвигатели. Каждая секция может оснащаться золотниками различного исполнения с соответствующими характеристиками управления.



Рис. 6. Схема рабочей секции гидрораспределителя с вторичными клапанами

А, В – рабочие каналы, соединяемые с гидродвигателем; р — канал нагнетания; Т — канал слива

Следует отметить, что схемы золотниковых секций моноблочных гидрораспределителей идентичны. В отличие от гидрораспределителей притычного исполнения (для промышленного оборудования), стыковочные параметры которых установлены международным стандартом, разработанным СЕТОР, каждая модель моноблочных и секционных гидрораспределителей для мобильной техники имеет собственные размеры и
характеристики, определяемые предприятием-изготовителем.

Поэтому полная взаимозаменяемость гидрораспределителей различных производителей отсутствует. Современные гидрораспределители обеспечивают комбинации управления потоком рабочей жидкости и давлением совместно с LS системой, нечувствительной к нагрузке.

Они также позволяют вручную регулировать потребный расход при изменении внешней нагрузки. В этом случае перемещение золотника может управляться различными способами – механическим рычагом, гидравлическим пропорциональным блоком сервоуправления, электрогидравлическим джойстиком с потенциометром.

На рис. 7 приведен секционный гидрораспределитель, оснащенный вторичными клапанами и комбинированными системами управления золотников – механической (ручной), гидравлической, электрической. За счет замены секций с комбинацией различных золотников и внутренних систем управления
можно получить несколько моделей в одной группе.



Рис. 7. Типовой секционный гидрораспределитель с комбинированными системами управления

Гидрораспределители для промышленного оборудования имеют стандартную гидросхему и различные варианты золотников, коммутирующих направления потоков во внутренних каналах.

Некоторые исполнения золотников обеспечивают специальные характеристики регулирования потока рабочей жидкости. Гидрораспределители для мобильной техники выпускаются с разнообразными гидросхемами и также различными исполнениями золотников.

Применение видоизмененных гидрохем распределителей диктуется необходимостью максимально полезно использовать эффективность двигателя внутреннего сгорания на мобильной технике. Комбинация систем управления насосом и опций гидрораспределителя позволяет успешно выполнять такие требования.



Рис. 8. Параллельная гидросхема распределителя

Для примера на рис. 8 и рис. 9 приведены различные гидросхемы распределителей с открытым центром.



Рис. 9. Последовательная гидросхема распределителя

В параллельной гидросхеме нагнетательный канал на входе распределителя содержит ответвление. При положении золотников в нейтральной позиции поток рабочей жидкости свободно проходит через центральный канал и направляется на слив в гидробак.

При перемещении хотя бы одного золотника в рабочую позицию центральный канал перекрывается. Поток по ответвленному каналу поступает к золотнику, который направляет его в гидродвигатель.

При одновременном включении двух или нескольких золотников рабочая жидкость параллельно поступает в каждый гидродвигатель (например, гидроцилиндр). Если давление в рабочих полостях гидроцилиндров будет одинаково, то исполнительные механизмы начнут работать одновременно.

Но при разных давлениях нагрузки первым приступит к работе гидроцилиндр, в котором давление меньше. И только после его остановки заработает второй гидроцилиндр, давление в котором также меньше, чем у остальных.

В последовательной гидросхеме при нейтральном положении золотников рабочая жидкость также через центральный канал проходит на слив. Но при одновременном включении нескольких золотников поступать она будет только в один гидродвигатель.

Если, например, включен золотник 2, то поток рабочей жидкости направится в гидродвигатель 2. Рабочая позиция золотника 2 блокирует центральный канал, и при одновременном включении золотника 3 жидкость в гидродвигатель 3 поступать не будет.

Если одновременно включить золотник 1, он перекроет центральный канал перед золотником 2 и направит поток рабочей жидкости в гидродвигатель 1. Гидродвигатель 2 при включенном золотнике 2 остановится.

Таким образом, в последовательной гидросхеме при работе двух или более потребителей поток жидкости направится только в первую секцию гидрораспределителя, а не в последующие, до тех пор пока золотник первой секции не вернется в нейтральную позицию.

При перемещении золотников из нейтральной позиции в рабочие (для обеих гидросхем) поток от насоса поступает в одну или другую полость гидродвигателя. Шток гидроцилиндра выдвигается или втягивается; вал гидромотора вращается в левую или правую сторону, т.е. происходит реверс движения. Таким образом, гидрораспределитель управляет направлением потока.

Вместе с тем гидрораспределители могут регулировать и величину потока, т.е. менять расход рабочей жидкости, поступающий в гидродвигатель. Для этого на рабочих поверхностях золотников выполняют дросселирующие прорези.

Они позволяют плавно открывать площадь рабочих окон при перемещении золотника из нейтрали в рабочую позицию и тем самым управлять величиной потока.

От формы и размеров прорезей зависит качественная картина характеристики регулирования. Золотники с прорезями называют дросселирующими, а гидрораспределители с ними – пропорциональными.

В некоторых золотниках выполняют специальные каналы, позволяющие организовать LS управление, т.е. управление гидродвигателем, нечувствительное к действию внешней нагрузки.



Рис. 10. Конструктивные схемы золотников с дросселирующими прорезями и LS каналом

А, В – рабочие каналы, соединяемые с гидродвигателем; р — канал нагнетания; Т — канал слива, LS – каналы управления, нечувствительного к нагрузке

На рис. 10 показаны конструктивные схемы двух золотников с треугольными дросселирующими прорезями и LS каналом. Визуально ясно видна разница в размерах прорезей. Прорези с большим углом раскрытия пропускают увеличенный поток при одинаковом смещении золотника.

Действительные размеры прорезей соответствуют коду, обозначенному на торце золотников, и приведены в каталоге производителя. На рис. 11 показаны различные формы прорезей на реальных дросселирующих золотниках.



Рис. 11, а. Дросселирующий золотник с треугольными прорезями



Рис. 11, б. Дросселирующий золотник с комбинированными полукруглыми прорезями



Рис. 11, в. Дросселирующий золотник с прямоугольными прорезями

Рассмотрим изменение расхода, проходящего через золотник, в зависимости от площади рабочего окна и перепада давления на нем. Допустим, что максимальное перемещение золотника составляет 7 мм, 100%-ный расход при его крайнем положении – 25 дм3/мин, а величина перепада давления между нагнетательным каналом распределителя и гидродвигателем = 1,0 МПа. Обратимся к графику на рис. 12.



Рис. 12. Изменение расхода в зависимости от положения золотника и перепада давления

Перепад давления и расход начинают расти после преодоления зоны нечувствительности золотника, равной 1,5 мм. Такое перекрытие необходимо, чтобы предотвратить перетечки рабочей жидкости в гидродвигатель при положении золотника в нейтральной позиции.

Расход изменяется благодаря росту перепада давления на золотнике. Величину перепада давления при постоянной внешней нагрузке регулирует перемещение золотника, изменяя площадь проходного сечения для потока рабочей жидкости.

Значение расхода, поступающего в гидродвигатель, будет влиять на рабочее давление в нем. Таким образом, в зависимости от положения дросселирующего золотника пропорционально меняется величина расхода рабочей жидкости.

Когда золотник достигнет своего крайнего положения в рабочей позиции (7 мм), перепад давления на распределителе возрастет до установленногозначения (1,0 МПа), расход станет максимальным (25 дм3/мин). Рассмотрим теперь конструктивную схему типовой рабочей секции пропорционального гидрораспределителя, представленную на рис. 13.



Рис. 13. Конструктивная схема типовой рабочей секции пропорционального гидрораспределителя

А, В – рабочие каналы, соединяемые с гидродвигателем; р — канал нагнетания; Т — канал слива; LS – каналы управления нечувствительного к нагрузке

Из этого простого рисунка видно следующее. В нейтральной позиции золотника LS канал соединен со сливом. Давление в системе LS управления снижается до нуля.

Это позволяет насосу работать в разгруженном режиме и экономить значительное количество энергии. Во время начального движения золотника (примерно 1,5 мм) LS канал соединяется с рабочими портами А или В (в зависимости от направления перемещения).

В результате в канале нагнетания р устанавливается давление насоса. Его величина в конечном счете позволит гидродвигателю преодолеть внешнюю нагрузку, когда золотник откроется, и поток жидкости поступит в рабочий порт.

Для наглядности этого положения рассмотрим работу пропорционального гидрораспределителя совместно с насосом, оснащенным регулятором. Такая схема представлена на рис. 14.



Рис. 14. Схема работы гидропривода в холостом режиме

В нейтральной позиции дросселирующего золотника LS сигнал дренируется в гидробак, и запуск насоса осуществляется в условиях разгрузки при давлении 2,0 МПа. А теперь рассмотрим движение гидроцилиндра под нагрузкой в 16,0 МПа. Обратимся к схеме на рис. 15.



Рис. 15. Схема работы гидропривода под нагрузкой

Рабочая полость р1 гидроцилиндра соединяется с внутренним LS каналом гидрораспределителя, который связан с подпружиненной полостью регулятора насоса.

Система LS в насосах с переменным рабочим объемом при изменении внешней нагрузки поддерживает постоянный перепад давления и экономит значительное количество энергии, потребляемое от первичного двигателя. В данной схеме постоянным поддерживается перепад давления между насосом и гидроцилиндром = рн – р1.