Гидравлическая система использует жидкость под давлением для передачи мощности и управления механическим движением. Она может создавать линейное движение с помощью гидравлических цилиндров или вращательное движение с помощью гидравлических двигателей, благодаря чему гидравлика широко применяется в промышленном оборудовании, самоходной технике, сельскохозяйственных машинах, подъемных системах, прессах и автоматизированном производственном оборудовании.
Однако для понимания гидравлической системы недостаточно просто знать её отдельные компоненты. Давление, расход, размеры исполнительных механизмов, регулирующие клапаны и схема контура должны работать вместе как единая система. Давление в основном определяет, какую нагрузку система способна преодолеть, а расход сильно влияет на скорость исполнительных механизмов. Насосы создают расход, клапаны регулируют этот расход, приводы преобразуют гидравлическую энергию в механическую работу, а схема определяет, как все эти элементы взаимодействуют друг с другом.
В данной статье разъясняются эти взаимосвязи и даются практические основы для понимания принципов проектирования и работы гидравлических систем.
Что такое гидравлическая система?
Гидравлическая система представляет собой систему передачи и управления мощностью, в которой гидравлическая жидкость используется для передачи энергии от источника мощности к исполнительному механизму.
Типичная система начинается с приводного механизма, такого как электродвигатель или дизельный двигатель, который приводит в действие гидравлический насос. Насос перекачивает масло из резервуара в гидравлический контур. Затем клапаны регулируют давление, направление и расход масла до того, как оно поступает в цилиндр или гидравлический двигатель. После выполнения работы масло обычно возвращается по контуру в резервуар.
Полный энергетический путь можно упростить следующим образом:
Механическая или электрическая энергия → гидравлический поток и давление → управляемая гидравлическая мощность → механическое движение
Важно то, что гидравлическую систему следует рассматривать как единое целое, а не как совокупность независимых компонентов.
Давление и расход: две основные переменные в гидравлической системе
Давление и расход часто рассматриваются вместе, но они выполняют разные функции.
Гидравлическое давление в первую очередь связано с нагрузкой и силой. Давление возникает, когда гидравлический поток сталкивается с сопротивлением. Насос создаёт поток; сопротивление, создаваемое нагрузкой привода и гидравлическим контуром, приводит к повышению давления.
Гидравлический расход в первую очередь зависит от скорости привода. Увеличение объема масла, подаваемого в цилиндр, как правило, приводит к увеличению скорости его перемещения при условии, что размер цилиндра и другие параметры контура остаются неизменными.
| Гидравлический регулятор | Основные факторы влияния | Типовые единицы измерения |
|---|---|---|
| Давление | Номинальная сила / крутящий момент | бар, МПа, фунт/кв. дюйм |
| Поток | Скорость актуатора | л/мин, гал/мин |
| Диаметр цилиндра | Доступное усилие цилиндра | мм, дюйм |
| Рабочий объём насоса / частота вращения | Доступный расход | cc/rev, об/мин |
| Пропускная способность клапана | Регулирование расхода и потери давления | л/мин, гал/мин |
Это различие имеет важное значение как при проектировании системы, так и при устранении неисправностей. Если цилиндр не способен поднять требуемую нагрузку, это может быть связано с проблемами давления или неправильным подбором размера привода, тогда как если цилиндр развивает достаточное усилие, но движется слишком медленно, проблема может заключаться в расходе жидкости.
Как давление создает усилие гидравлического цилиндра
Одно из наиболее фундаментальных гидравлических соотношений выглядит следующим образом:
Сила = Давление × Эффективная площадь
или:
F = P × A
Это означает, что усилие цилиндра зависит как от рабочего давления, так и от эффективной площади поршня.
При одинаковом давлении цилиндр с большим внутренним диаметром может развивать большее усилие. Аналогичным образом, повышение давления в системе может увеличить доступное усилие, при условии, что цилиндр, насос, клапаны, шланги, фитинги и другие компоненты рассчитаны на такое давление.
Именно поэтому простое повышение давления в предохранительном клапане не всегда является подходящим решением в случае недостатка усилия у машины. В первую очередь необходимо оценить номинальное давление всей системы и требуемую нагрузку.
В традиционном цилиндре с одним штоком сила втягивания цилиндра также может быть меньше силы выдвижения, поскольку шток занимает часть полезного сечения со стороны штока.
Как расход определяет скорость гидравлического цилиндра
Скорость вращения цилиндра тесно связана с расходом, поступающим в привод:
Скорость = Расход ÷ Эффективная площадь
или, приблизительно:
v = Q / A
Если в два цилиндра поступает одинаковый расход масла, но их внутренний диаметр различается, то цилиндр с меньшим внутренним диаметром, как правило, будет двигаться быстрее, поскольку для того же хода поршня требуется меньший объем масла.
Это создаёт важную взаимосвязь в дизайне.
Больший внутренний диаметр может увеличить доступное усилие, но для достижения той же скорости потребуется больше масла. Поэтому выбор гидравлического цилиндра неотделим от выбора насоса и необходимого расхода.
Например, для оборудования OEM, требующего одновременно высокого усилия и быстрого перемещения, может потребоваться насос большей мощности, иное рабочее давление или гидравлическая схема, обеспечивающая различные расходы на разных этапах рабочего цикла оборудования.
Как взаимодействуют основные гидравлические узлы
Гидравлическая система состоит из нескольких функциональных групп. Их точная конфигурация зависит от требований конкретной машины, однако в большинстве систем присутствуют источник питания, элементы управления, исполнительные механизмы и компоненты системы циркуляции жидкости.
Гидравлический насос и источник питания
Электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания или другой приводной механизм приводит в действие гидравлический насос. Насос забирает масло из бака и создает гидравлический поток.Зубчатые насосы обычно используются в относительно простых системах, тогда как лопастные и поршневые насосы могут применяться в тех случаях, когда предъявляются различные требования к давлению, КПД, уровню шума или регулируемому расходу.Насос должен быть подобран с учетом как требуемого давления в системе, так и расхода.
Гидравлические клапаны
Клапаны регулируют дальнейший путь масла после того, как оно покидает насос.Клапаны управления направлением определяют направление движения жидкости. Клапаны регулирования давления ограничивают или регулируют давление, а клапаны регулирования расхода влияют на скорость привода. Более сложные системы могут также включать пропорциональные клапаны, клапаны удержания нагрузки, уравновешивающие клапаны или коллекторы с картриджными клапанами.Таким образом, выбор клапана влияет не только на характеристики регулирования, но и на потери давления, тепловыделение и общую эффективность системы.
Гидравлические приводы
Гидравлические цилиндры преобразуют гидравлическую энергию в линейную силу и движение, а гидравлические двигатели обеспечивают вращательное усилие. При расчете размеров привода необходимо учитывать требуемую нагрузку, давление, скорость перемещения, ход или скорость вращения, способ крепления и условия эксплуатации. Насос, подобранный по размеру, не сможет компенсировать неправильно подобранный привод, и наоборот.
Резервуары, фильтрация и подготовка жидкостей
Резервуар служит для хранения гидравлического масла, а также участвует в процессах охлаждения, разделения воздуха и подготовки жидкости.Фильтры помогают контролировать загрязнение, а для поддержания необходимой рабочей температуры могут потребоваться охладители или нагреватели. Шланги, трубы, фитинги и коллекторы также должны иметь правильный размер, чтобы предотвратить чрезмерные потери давления и обеспечить надежный расход.
Эти компоненты могут казаться второстепенными, однако ненадлежащее управление рабочими жидкостями может существенно повлиять на надежность системы.
Как работает полный гидравлический контур
Рассмотрим простую цилиндрическую цепь.
Масло хранится в резервуаре. При запуске привода насос засасывает масло и подает его в напорную магистраль. Предохранительный клапан устанавливает максимально допустимое давление в системе, а направляющий клапан определяет, в какую сторону цилиндра поступает масло.
Когда масло поступает в верхний конец цилиндра двойного действия, давление, действующее на поршень, создает силу выдвижения. Масло с противоположной стороны возвращается через клапан обратно в резервуар.
Для втягивания цилиндра направляющий клапан изменяет траекторию потока. Поток из насоса направляется на сторону штока, а масло со стороны крышки возвращается в бак.
Фактическая производительность машины зависит от того, как давление, расход, характеристики клапанов, размеры цилиндров и нагрузка взаимодействуют в рамках данной схемы.
Контуры с открытым и закрытым центром, а также контуры с датчиком нагрузки
Не во всех гидравлических системах регулирование расхода насоса осуществляется одинаково.
В система с открытым центром, при нахождении регулирующих клапанов в нейтральном положении поток жидкости в насосе обычно имеет открытый обратный канал, ведущий в резервуар. Такая конструкция широко распространена в относительно простых системах с насосами фиксированного рабочего объёма.
В система с закрытым центром, путь прохождения потока перекрывается или регулируется иным образом, когда движение привода не требуется. Эти системы часто сочетаются с насосами с компенсацией давления или насосами с переменным рабочим объемом.
A гидравлическая система с датчиком нагрузки регулирует производительность насоса в зависимости от давления и расхода, требуемых для работы активной функции. Это позволяет повысить энергоэффективность оборудования с изменяющимися эксплуатационными нагрузками.
Выбор правильной архитектуры зависит от таких факторов, как количество одновременно выполняемых функций, рабочий цикл, требуемая точность управления, энергоэффективность и условия эксплуатации оборудования.
Почему гидравлические компоненты необходимо подбирать как единую систему
Проектирование гидравлической системы, как правило, следует начинать с требований, предъявляемых к машине, а не с отдельного насоса или клапана.
Инженерам сначала необходимо определить требуемую нагрузку, усилие привода, скорость перемещения, ход, рабочий цикл и требования к управлению. Затем на основе этих требований рассчитываются размеры цилиндра или двигателя, давление в системе и необходимый расход.
Исходя из этого, можно подобрать насос, двигатель, клапаны, резервуар, систему фильтрации, систему охлаждения, трубопроводы и средства управления.
Основная последовательность этапов проектирования выглядит следующим образом:
- Определите требуемое перемещение станка и нагрузку.
- Рассчитать требуемое усилие или крутящий момент привода.
- Выберите подходящее рабочее давление и размер привода.
- Рассчитайте расход, необходимый для достижения заданной скорости.
- Выберите насос и приводной механизм.
- Разработайте конструкцию клапана и схему системы.
- Проверьте потери давления, тепловыделение, фильтрацию и рабочий цикл.
- Уточните номинальные значения давления и расхода для компонентов.
Такой системный подход позволяет снизить риск выбора оборудования с избыточными характеристиками, недостаточной производительности и ненужного выделения тепла.
Где применяются гидравлические системы?
Гидравлические системы особенно полезны в тех случаях, когда оборудованию требуется прикладывать большую силу, обеспечивать контролируемое перемещение или надежную работу в условиях высоких нагрузок.
К типичным областям применения относятся сельскохозяйственная техника, строительная техника, гидравлические прессы, подъемные платформы, оборудование для перемещения материалов, системы уплотнения отходов, производственное оборудование, судовое оборудование и специализированные испытательные установки.
Архитектура систем может значительно различаться в зависимости от области применения. В компактной мобильной машине может использоваться небольшой встроенный гидравлический агрегат, тогда как для промышленной производственной линии может потребоваться большой резервуар, несколько насосов, коллекторные узлы, системы фильтрации и охлаждения, а также пропорциональные клапаны, управляемые ПЛК.
Однако основные взаимосвязи между давлением, расходом, компонентами и приводами остаются прежними.
Практические рекомендации по обеспечению надёжной работы гидравлической системы
Гидравлическая система не будет работать надлежащим образом только потому, что каждый отдельный компонент имеет достаточные максимальные рабочие характеристики.
Пропускная способность должна соответствовать требуемой скорости. Давление должно соответствовать нагрузке, не создавая при этом излишней нагрузки на систему. Проходные каналы клапанов, шланги и фитинги должны обеспечивать минимальные потери давления. Вязкость, чистота и температура масла должны оставаться в пределах допустимых рабочих диапазонов.
При поиске и устранении неисправностей инженерам следует также анализировать эти взаимосвязи, а не сразу прибегать к замене отдельных компонентов. Например, медленная работа цилиндра может быть вызвана недостаточным расходом насоса, внутренними утечками, ограничением пропускной способности клапанов, неправильной вязкостью масла или чрезмерными потерями в магистралях.
Понимание общей схемы облегчает выявление истинной причины.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Вопрос: Гидравлический насос создает давление или расход?
A：Гидравлический насос в первую очередь создает поток. Давление возникает, когда этот поток сталкивается с сопротивлением со стороны нагрузки или гидравлического контура. Максимальное давление обычно ограничивается такими компонентами, как клапан сброса давления, либо системой управления насосом. Это различие важно учитывать при диагностике систем с недостаточной силой или необычными показаниями давления.
Вопрос: От чего зависит усилие гидравлического цилиндра?
A：Усилие цилиндра в основном зависит от гидравлического давления и эффективной площади поршня. Увеличение диаметра цилиндра приводит к увеличению площади поршня и, следовательно, к увеличению доступного усилия при том же давлении. Фактическая мощность может быть ниже теоретического значения из-за трения, потерь давления и КПД системы.
Вопрос: Что определяет скорость гидравлического цилиндра?
A：Скорость цилиндра в основном определяется расходом, подаваемым в цилиндр, и его эффективным сечением. Увеличение расхода, как правило, приводит к увеличению скорости. Для цилиндра большего размера требуется больший расход, чтобы поддерживать ту же скорость движения, поэтому расход насоса и диаметр цилиндра необходимо подбирать комплексно.
Вопрос: Почему гидравлическая система может иметь достаточное давление, но при этом работать медленно?
A：Достаточное давление не всегда означает достаточный расход. Медленное движение может быть вызвано недостаточной производительностью насоса, перекрытием клапанов или трубопроводов, внутренними утечками, неправильной частотой вращения насоса или чрезмерной вязкостью жидкости. Поэтому при диагностике медленного движения гидравлических механизмов давление и расход следует измерять отдельно.
Вопрос: Какая информация необходима для проектирования гидравлической системы?
A：К типичной исходной информации относятся: требуемая нагрузка или усилие, ход привода, ход, заданная скорость, рабочий цикл, доступный источник питания, условия эксплуатации и требования к системе управления. На основании этих данных инженеры могут определить размер привода, рабочее давление, требуемый расход, производительность насоса, мощность двигателя, конфигурацию клапанов и другие компоненты системы.
Нужно индивидуальное гидравлическое решение?
Гидравлическая система работает надежно, если давление, расход, исполнительные механизмы, клапаны и структура контура спроектированы как единая целостная система.
Компания AISOAR поставляет гидравлические силовые агрегаты и индивидуальные решения в области гидравлических систем для промышленного и мобильного оборудования. Конфигурации систем могут разрабатываться с учетом требуемого давления, расхода, технических характеристик приводов, режима работы, метода управления и условий эксплуатации оборудования.
В рамках нового проекта по производству оригинального оборудования (OEM) предоставление информации о нагрузке на оборудование, требуемых перемещениях, технических характеристиках цилиндров или приводов, рабочем давлении, требуемой скорости и рабочем цикле поможет нашей инженерной команде подобрать подходящее гидравлическое решение.
