Проектирование гидравлической системы следует начинать с учета требований к машине, а не с выбора насоса, клапана или гидравлического агрегата из каталога. Прежде чем выбрать какой-либо гидравлический компонент, важно понять, какое усилие требуется для машины, с какой скоростью должен двигаться привод, как часто будет работать система и какой уровень управления и безопасности необходим.
Эти требования определяют размеры привода, рабочее давление, требуемый расход, производительность насоса, конфигурацию клапанов и структуру гидравлической схемы. Процесс проектирования гидравлической системы на практике можно описать следующим образом:
Требования к нагрузке → Привод → Давление → Расход → Насос и двигатель → Клапаны → Схема контура → Верификация системы
Определите требования к гидравлической системе
Первым шагом является точное определение задач, которые должна выполнять гидравлическая система. Для системы на основе цилиндров основная информация обычно включает требуемое усилие, ход, скорость перемещения, рабочий цикл, количество приводов, последовательность действий и доступный источник питания. Также следует учитывать условия эксплуатации и требуемый метод управления.
Две машины могут требовать одинакового усилия цилиндра, но при этом нуждаться в совершенно разных гидравлических системах. Например, одна машина может работать всего несколько раз в час, а другая — в непрерывном режиме. Их требования к усилию могут быть одинаковыми, но требования к насосу, двигателю, баку и системе охлаждения могут значительно различаться.
По этой причине при проектировании гидравлической системы следует исходить из полного рабочего цикла машины, а не только из максимальной нагрузки.
Определение усилия гидравлического цилиндра и размера привода
Для гидравлического цилиндра основное соотношение сил выглядит следующим образом:
F = P × A
где F — сила, действующая на цилиндр, P — это гидравлическое давление и A — это эффективная площадь поршня.
Фактительная расчетная сила, как правило, должна включать соответствующий запас на трение, механические потери, ускорение и изменяющиеся условия нагрузки. Если для машины требуется расчетная сила примерно 65 кН, а выбранное рабочее давление составляет 160 бар, необходимую площадь поршня можно рассчитать по формуле:
A = F ÷ P
В результате получается теоретичный диаметр цилиндра примерно 72 мм. На практике можно выбрать стандартный диаметр, например 80 мм, после проверки доступных размеров цилиндров, монтажного пространства и необходимого запаса прочности.
Диаметр цилиндра и давление в системе всегда следует рассматривать в совокупности. Цилиндр большего диаметра может создавать большее усилие при том же давлении, но для достижения той же скорости перемещения ему требуется больше масла.
Расчет давления и расхода в гидравлической системе
Давление и расход играют разные роли в гидравлической системе. Давление в основном связано с нагрузкой, которую может преодолеть привод, тогда как расход в основном определяет скорость привода.
После выбора размера цилиндра необходимый расход можно рассчитать по следующей формуле:
Q = A × v
где Q это поток, A эффективная площадь поршня и v — это скорость поршня.
Для цилиндра с внутренним диаметром 80 мм, движущегося со скоростью 0,1 м/с, теоретическая потребность в расходе составляет примерно 30 л/мин. В реальной системе также следует учитывать КПД насоса, внутренние утечки и потери в контуре.
Эта взаимосвязь важна и при устранении неисправностей. Если у цилиндра достаточно силы, но он движется слишком медленно, повышение давления, как правило, не является правильным решением. Вместо этого следует проверить доступный расход и наличие каких-либо ограничений в гидравлическом контуре.
Выберите гидравлический насос и двигатель
После определения требуемого давления и расхода можно приступить к подбору гидравлического насоса. Насос должен обеспечивать расход, достаточный для достижения заданной скорости привода, и при этом надежно работать при требуемом давлении в системе.
Зубчатые насосы обычно используются в относительно простых гидравлических системах, тогда как лопастные или поршневые насосы могут применяться в тех случаях, когда требуется более высокое давление, более высокий КПД, более низкий уровень шума или регулируемый расход. Выбор правильного типа насоса зависит от конкретных условий эксплуатации, а не только от давления.
Гидравлическую мощность можно рассчитать с помощью:
Гидравлическая мощность (кВт) = Давление (бар) × Поток (л/мин) ÷ 600
Если система работает при давлении 160 бар и расходе 30 л/мин, теоретическая гидравлическая мощность составляет примерно 8 кВт. Фактическая мощность двигателя должна быть выше, чтобы компенсировать потери на нагнетании и механические потери, а также учитывать пиковую нагрузку и рабочий цикл.
Поэтому выбор насоса следует производить после того, как будут определены требования к приводу, а не до этого.
Выбор подходящих гидравлических клапанов
После определения требований к мощности следующим шагом становится управление направлением движения масла и работой привода. В типичной гидравлической системе могут потребоваться клапаны регулирования давления, направления, расхода и нагрузки.
Предохранительный клапан ограничивает максимальное давление в системе, а направляющий клапан управляет выдвижением и втягиванием цилиндра. Клапаны регулирования расхода позволяют регулировать скорость привода, а обратные клапаны предотвращают нежелательный обратный поток. В системах с подвешенными или инерционными нагрузками могут также потребоваться обратные клапаны с пилотным управлением или уравновешивающие клапаны.
При выборе клапана не следует ориентироваться исключительно на размер порта. На рабочие характеристики гидравлической системы могут влиять номинальное давление, пропускная способность, перепад давления, характеристики утечки и метод управления. Клапан, размер которого не соответствует требованиям, может привести к ненужным потерям давления, снижению доступной мощности привода и образованию дополнительного тепла.
Выберите архитектуру гидравлического контура
После определения функций насоса, привода и клапана можно выбрать окончательную архитектуру гидравлического контура. Выбор правильной архитектуры зависит от сложности машины, количества функций, требуемой точности управления и целевых показателей энергоэффективности.
Гидравлический энергоагрегат гидравлическая система с открытым центром Обычно обеспечивает возврат потока из насоса в резервуар, когда направляющий клапан находится в нейтральном положении. Он широко применяется с насосами с фиксированным рабочим объемом и подходит для многих простых мобильных и промышленных систем.
A гидравлическая система с закрытым контуром по-разному регулируют или перекрывают основной поток, когда машина не движется. Эти системы часто сочетаются с насосами с компенсацией давления или насосами с переменным рабочим объемом и находят применение там, где требуется более сложное управление.
A гидравлическая система с датчиком нагрузки регулирует производительность насоса в зависимости от давления и требуемого расхода для активной функции. Это позволяет сократить ненужное потребление энергии, особенно в машинах, где нагрузка и требуемый расход часто меняются.
Самая современная схема не всегда является лучшим выбором. Архитектура должна соответствовать фактическим эксплуатационным требованиям, целевому уровню затрат и необходимому уровню управления.
Проверьте проект всей гидравлической системы
После проектирования основного контура необходимо также проверить вспомогательные компоненты. Резервуар должен обеспечивать достаточный рабочий объём масла, а также способствовать отводу тепла и удалению воздуха, при этом система фильтрации должна соответствовать требованиям к степени очистки, предъявляемым к насосу и элементам управления.
Размеры шлангов, труб, фитингов и коллекторов должны подбираться таким образом, чтобы избежать чрезмерных потерь давления. Если проходной канал слишком сужен, доступная мощность привода снижается, и большая часть гидравлической энергии преобразуется в тепло.
Тепловые характеристики также необходимо проверять с учетом фактического режима работы. Непрерывная работа, чрезмерное дросселирование, потери в предохранительных клапанах и внутренние утечки — все это может привести к повышению температуры масла. Кроме того, все компоненты, находящиеся под давлением, должны иметь номинальные характеристики, обеспечивающие безопасность при работе в условиях, превышающих ожидаемые эксплуатационные.
Пример проектирования гидравлической системы
Рассмотрим машину со следующими требованиями:
| Параметр | Пример |
|---|---|
| Требуемое расчетное усилие | 65 кН |
| Рабочим давлением | 160 бар |
| Диаметр цилиндра | 80 мм |
| Ход цилиндра | 500 мм |
| Целевая скорость | 0,1 м/с |
| Необходимый поток | Прибл. 30 л/мин |
| Теоретическая гидравлическая мощность | Прибл. 8 кВт |
Последовательность проектирования будет следующей:
Нагрузка на станок → Выбор цилиндра → Рабочее давление → Требуемый расход → Выбор насоса → Выбор двигателя → Функции клапанов → Гидравлическая схема → Проверка системы
Важно то, что эти параметры взаимосвязаны. Если изменяется диаметр цилиндра, могут измениться и требуемое давление, и расход. Если заданная скорость увеличивается, может потребоваться увеличение расхода насоса и мощности двигателя. Если режим работы меняется с прерывистого на непрерывный, требования к охлаждению могут стать более значимыми.
Таким образом, проектирование гидравлической системы представляет собой итеративный процесс, а не простой выбор компонентов.
Распространенные ошибки при проектировании гидравлических систем
Одной из распространенных ошибок является выбор сначала насоса, а затем попытка спроектировать остальные элементы гидравлической системы с учетом его характеристик. Еще одной ошибкой является уделение внимания исключительно максимальному давлению при игнорировании требуемого расхода, скорости и рабочего цикла.
Выбор насоса слишком большого размера также может вызвать проблемы. Насос, обеспечивающий гораздо больший расход, чем фактически требуется оборудованию, может привести к увеличению мощности двигателя, возникновению ненужного дросселирования и повышенному выделению тепла.
Лучше всего подходить к этому вопросу следующим образом: усилие, давление, расход, скорость, мощность и управление как взаимосвязанные переменные при проектировании гидравлических систем.
Заключение: Создание оптимально сбалансированной гидравлической системы
Гидравлическую систему следует проектировать, исходя из требований к машине. Сначала необходимо определить требуемую нагрузку и движение, затем выбрать привод и рабочее давление, рассчитать требуемый расход, подобрать насос и двигатель, определить функции клапанов и выбрать подходящую схему системы.
В заключение необходимо проверить резервуар, систему фильтрации, потери давления, температурные и технические требования к безопасности. При правильном подборе этих элементов гидравлическая система способна обеспечивать требуемую усилие, скорость и управляемость без излишнего увеличения размеров и потерь энергии.
Нужна гидравлическая система, изготовленная по индивидуальному заказу?
Компания AISOAR поставляет гидравлические силовые агрегаты и решения для гидравлических систем, разработанные с учетом индивидуальных требований заказчика, для промышленного и мобильного оборудования. Конфигурации систем могут разрабатываться с учетом требуемого давления, расхода, технических характеристик цилиндров, рабочего цикла, способа управления, источника электропитания и условий эксплуатации оборудования.
В рамках нового OEM-проекта предоставление информации о нагрузке на машину, технических характеристиках цилиндров, требуемой скорости перемещения и рабочем цикле поможет нашей инженерной команде подобрать подходящую конфигурацию гидравлической системы.
