2. Napędy hydrauliczne
Ogólna wiadomości o napędach hydraulicznych.
Napędami hydraulicznymi urządzeń nazywa się takie napędy, w których przekazywanie energii mechanicznej odbywa się za pośrednictwem cieczy.
Wykorzystanie energii mechanicznej do napędu urządzeń znane jest od bardzo dawna. Pierwszymi urządzeniami z napędem hydraulicznym były koła wodne, stosowane między innymi do napędu żarn w młynach. Źródłem energii były wówczas źródła naturalne w postaci strumieni czy też stawów, z przegradzającymi je groblami, gdzie ciśnienie niezbędne do ruchu wody uzyskiwano na skutek różnicy jej poziomów. Następną formą urządzeń napędzanych hydraulicznie były turbiny wodne pracujące z wykorzystaniem również naturalnych źródeł energii. Ze względu na konieczność dostosowania się do istniejących naturalnych źródeł energii napędy te przez bardzo długi okres nie były rozpowszechnione
w szerszym zakresie. Spowodowane to było brakiem możliwości wytworzenia w sposób sztuczny odpowiedniego ciśnienia (różnicy ciśnienia). Dopiero pod koniec XIX wieku zaistniały możliwości techniczne do zrealizowania rozwiązań zapewniających uzyskanie odpowiednich źródeł ciśnienia w postaci różnego rodzaju pomp.
Pierwsze zastosowania napędów hydraulicznych w obrabiarkach, takich jak prasy, walce, itp., wykazały wiele cennych zalet, co przyczyniło się do dużego rozwoju tej gałęzi techniki. Dzisiaj. przy obecnym stanie techniki i wymaganiach stawianych napędom w maszynach
i urządzeniach, jednym z czynników świadczącym o nowoczesności tych napędów jest ilość zastosowanej hydrauliki. O niektórych grupach maszyn mówi się wyraźnie, że mogą one być nowoczesne tylko wówczas, jeżeli będą zawierać napędy hydrauliczne.
Zalety napędów hydraulicznych:
- możliwości uzyskania płynnej regulacji w całym zakresie prędkości ruchów roboczych (od prędkości bardzo małych aż do dużych), przy zachowaniu stałego momentu lub stałej siły;
- możliwość bardzo szybkiej zmiany kierunku ruchu na przeciwny ( np. w silniku zmiany kierunku obrotów z prawnych na lewe i odwrotnie);
- możliwość uzyskania ruchu obrotowego i prostoliniowego bez stosowania dodatkowych mechanizmów;
- możliwość prostego zabezpieczenia przed przeciążeniem maszyny lub mechanizmów;
- małe gabaryty (wymiary) i bardzo mała masa (waga) w porównaniu z napędami elektrycznymi o takiej samej mocy:
- możliwość przenoszenia bardzo dużych sił przy niewielkich rozmiarach elementów;
- łatwość zdalnego sterowania na skutek możliwości powiązania tego napędu ze sterowaniem elektrycznym lub pneumatycznym;
- łatwa i prosta obsługa nie wymagająca wysokich kwalifikacji operatora.
Wady napędów hydraulicznych:
Napędy hydrauliczne nie są idealne, gdyż oprócz dużej liczby zalet mają także pewne wady. Do zasadniczych wad tych napędów zaliczamy:
- wysoki koszt produkcji spowodowany stosowaniem drogich materiałów i precyzyjnych metod obróbki;
- znaczną głośność układów.
Przeważająca liczba przedstawionych zalet jest przyczyną stosowania w szerokim zakresie napędów w wielu maszynach i urządzeniach. Do grupy maszyn i urządzeń, w których najczęściej występują napędy hydrauliczne, należą: samoloty, obrabiarki, maszyny budowlane, maszyny rolnicze, prasy i maszyny górnicze.
Rodzaje napędów hydraulicznych:
W zależności od sposobu wykorzystania energii cieczy rozróżniania się dwa rodzaje napędów hydraulicznych:
- napędy hydrokinetyczne;
- napędy hydrostatyczne.
Napędami hydrokinetycznymi nazywa się napędy, w których energia jest przenoszona przez rozpędzone cząsteczki cieczy. W napędach tych w celu wykonania pracy należy rozpędzić cząsteczki cieczy do określonej prędkości, przesłać je przewodami i skierować do odbiornika, którym jest turbina. Rozpędzone cząsteczki napotykając na swej drodze łopatki turbiny przekazują im swoją energię, wskutek czego wał turbiny będzie mógł wykonywać ruch. Napędy tego rodzaju umożliwiają uzyskanie tylko ruchu obrotowego o stałej prędkości obrotowej. Nagłe zmiany obciążenia wału mogą zmieniać prędkość obrotową.
Te wady napędów hydrodynamicznych, znaczne rozmiary oraz stałe przełożenie powodują rzadkie ich stosowanie do napędu maszyn.
Napędami hydrostatycznymi nazywamy takie napędy, w których jest wykorzystana energia ciśnienia statycznego cieczy. Przykład takiego napędu przedstawiono na rys.1.
5
1
P2
P1
F1. H1 = F2. H2
2
H2
H1
F2
F1
3
4
Rys.1. Schemat działania instalacji hydrostatycznej.
1, 5 – tłok, 2 – źródło energii, 3 – przewód łączący, 4 – odbiornik energii.
Podstawowe zależności w napędach hydraulicznych:
Dla zrozumienia pewnych zjawisk zachodzących w elementach napędów hydraulicznych konieczne jest zapoznanie się z podstawowymi zależnościami w tych napędach.
Ciśnienie.
Ciśnieniem nazywa się stosunek siły działającej na ciecz do wielkości jednostki powierzchni, na którą ta siła działa. Jest to wielkość decydująca o sile lub momencie wytworzonym przez napęd hydrauliczny.
p =
p – ciśnienie
P – siła
F – powierzchnia
Od chwili wprowadzenia w Polsce (01.01.1967) systemu międzynarodowego SI obowiązuje główna jednostka ciśnienia.
1 = 1 Pa (pascal)
Oprócz tego stosuje się często jednostkę wielokrotną (przez dodanie przedrostka mega co oznacza milion).
1 = 1 MPa = 105 Pa
Relacja pomiędzy jednostką ciśnienia układu technicznego, a układu SI jest następująca:
1 at = = 0,1 MPa = 105 Pa
Ciśnienie w cieczy, podobnie jak i w gazach, rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach i w każdym punkcie naczynia będzie ono w przybliżeniu jednakowe (przy pominięciu sił grawitacji).
Natężeniem przepływu cieczy nazywa się ilość jednostek objętości przepływających
w jednostce czasu. Natężenie przepływu występuje przy przepływie cieczy przez zawory, przewody lub inne elementy układów hydraulicznych, z wyjątkiem pomp, silników
i siłowników.
W pompach jako elementach „wytwarzających’ przepływ zamiast pojęcia natężenie przepływu używa się określenia wydajność pompy.
Wydajnością pompy nazywa się ilość jednostek cieczy przetłoczonych w jednostce czasu.
Silniki i siłowniki, będące odbiorcami cieczy, charakteryzuje się tak zwaną chłonnością, tj. zdolnością do pobrania jednostek objętości cieczy w jednostce czasu.
Natężenie przepływu, wydajność lub chłonność oznacza się symbolem Q.
W tradycyjnym układzie jednostek miar do określenia natężenia przepływu, wydajności
i chłonności stosowano bądź
, bądź też .W obowiązującym systemie SI główną jednostką natężenia przepływu jest lub jednostką podwielokrotną
.
Prędkością przepływu nazywa się średnią prędkość, z jaką poruszają się strugi cieczy w przewodach czy kanałach. Prędkość oznacza się symbolem „V” i jednostką prędkości jest m/s. Przy przepływie cieczy w szczelinach, kanałach czy przewodach występuje opór. Ponieważ opór ten wzrasta w miarę wzrostu prędkości, dlatego więc dla uniknięcia nadmiernych strat ogranicza się prędkość przepływu.
Prędkość cieczy w kanale czy przewodzie jest zależna od natężenia przepływu i wielkości pola powierzchni przekroju poprzecznego, przez którą ciecz przepływa. Prędkość tę można obliczyć z następującej zależności.
v =
gdzie: v - prędkość przepływu w m/s
Q- natężenie przepływu w m3/s
F- pole powierzchni przepływu w m2
W przewodach łączących elementy układu hydraulicznego ze względu na wielkość oporów ogranicza się prędkości przepływu do V = 6-10m/s. W przewodach ssawnych pomp stosuje się prędkości znacznie mniejsze, bo rzędu Vs = 1-2m/s.
Straty ciśnienia (opory przepływu).
Przy ruchu cieczy w przewodach i kanałach powstaje tarcie. Wielkość tego tarcia jest zależna m.in. od kształtu kanałów, gładkości przewodów, wielkości powierzchni przepływowej itp. Cząsteczki cieczy stykające się ze ściankami są zatrzymywane przez nierówności. Ciśnienie potrzebne do pokonania tych oporów nazywa się stratami ciśnienia lub oporami przepływu.
Opory przepływu mogą być:
- oporami liniowymi;
- oporami miejscowymi.
Opory liniowe zależą od długości linii przewodów, przez które przepływa ciecz, opory miejscowe powstają wskutek zmiany kierunku strug cieczy i gwałtownego wzrostu ich prędkości w miejscu przewężenia.
Moc i sprawność.
W układach hydraulicznych oprócz strat mechanicznych występujących w pompach i siłownikach występują także straty hydrauliczne, do których m.in. należą opory przepływu omówione wyżej. Dodatkowymi stratami wpływającymi na sprawność są straty w postaci przecieków cieczy spowodowanych różnymi nieszczelnościami między elementami. Straty
te są nazywane stratami objętościowymi.
Sprawność objętościowa pomp i silników hydraulicznych w zależności od wykonywania
i rozwiązania konstrukcyjnego wynosi:
hob = 0,89÷0,99
Sprawność całkowita pomp i silników (mechaniczna i objętościowa) zawiera się w granicach
hc = 0,92÷0,96
W najczęściej spotykanych układach, złożonych z dobrze dobranych elementów, sprawność całkowita (po uwzględnieniu strat ciśnienia) wynosi
hc = 0,8÷0,9
Moc układu hydraulicznego określa się iloczynem ciśnienia i natężenia przepływu
N = KM
gdzie:
Q -
p -
lub
N = Qp kW
p - Pa
Ciecze stosowane w napędach hydraulicznych
Nośnikiem energii w napędzie hydraulicznym jest ciecz, nazywana także czynnikiem roboczym lub obiegowym. Jej rola jest podobna pod względem funkcjonalnym do tej, jaką spełnia cięgno w napędach cięgnowych. Dlatego też ciecz roboczą należy uważać za element konstrukcyjny, któr...
szormy