Особенности гидроприводов и области их применения

В современной технике наиболее широко применяются четыре типа приводов: электрические, механические, гидравлические и пневматические. Все они предназначаются для одной и той же цели: приводить в действие те или иные рабочие органы сложных машин и управлять движением этих органов.

Для правильной ориентировки в выборе типа привода для того или иного рабочего органа машины надо знать особенности и основные технико-эксплуатационные параметры всех существующих разновидностей приводов. Лишь в результате сравнительного анализа можно выбрать оптимальный вариант для конкретного случая.

Говоря об особенностях гидравлических приводов в первую очередь необходимо заметить, что они обладают удачным сочетанием ряда весьма ценных для машиностроения качеств, а именно:

1. Позволяют бесступенчато, в широком диапазоне, регулировать скорость движения управляемого рабочего органа в обе стороны.

Для современного гидропривода диапазон регулирования.

.

Электроприводы постоянного тока типа «генератор-двигатель» позволяют бес ступенчато регулировать скорость движения лишь в диапазоне от 10 до 30. Электроприводы с электромашинным усилителем имеют Dэму=200, однако мощность серийно выпускаемых электроприводов с ЭМУ ограничена 50 кВт.

Механические вариаторы скорости обычно имеют Dмв=5?10, и, в редких случаях сугубо специального исполнения, до 100. Тиристорные электроприводы переменного тока имеют Dти =200?2000, но пока выпускаются в ограниченных масштабах на мощности до 10 кВт. Пневматические приводы из-за слишком «мягкой» механической характеристики, обусловленной сжимаемостью газа для регулирования скорости в большинстве случаев мало пригодны. Таким образом, по диапазону регулирования гидравлические приводы не имеют себе равных.

• 2. Просты и надежны в управлении. По простоте, надежности и габаритам гидравлические управляющие устройства обладают наилучшими показателями. По существу эти два качества (широкий Dгп — простота и надежность в управлении) явились определяющими при выборе гидропривода в качестве исполнительного звена для синхронно следящих систем зенитных артустановок (1942 — США) и зенитных пусковых установок (70-е годы), предназначенных для запуска ракет с головкой самонаведения по низколетящим целям.
• 3. Обладают малой инерционностью. Инерционность гидравлического двигателя, выполняющего функцию исполнительного элемента привода, в 5?10 и более раз меньше инерционности лучших современных электродвигателей такой же мощности. Это обстоятельство явилось главной причиной того, что гидравлические системы используются для нужд управления практически на всех современных скоростных самолетах и ряде типов ракет. При этом мощность гидравлических систем управления на современных военных самолетах достигает 1000 и более киловатт.
• 4. Имеют малый вес и габариты на единицу передаваемой мощности. Для современных гидроприводов различного назначения отношение массы к мощности находится в пределах Gгг=1?25 кг/кВт (общего назначения Gгг=10?25 кг/кВт). Благодаря этому качеству удалось создать индивидуальные гидравлические агрегаты, передающие мощность до 4000 кВт и развивающие усилия до 75 000 тонн. Другие типы приводов по весовым и габаритным параметрам существенно уступают гидроприводу. Так, например, для регулируемых электроприводов различных типов Gэл=50?80 кг/квт.
• 5. Герметичны. Поэтому не требуют повседневного ухода и могут работать не только в атмосфере, но и глубоко под водой. Это качество сделало гидропривод практически незаменимым в системах управления различными механизмами современных подводных лодок.
• 6. Допускают весьма простыми и надежными средствами преобразовать вращательное движение в прямолинейное возвратно-поступательное и поворотное. Этим качеством обладают все типы передач — гидравлические им не уступают.
• 7. Обладают достаточно жесткими механическими характеристиками. Конечно, менее жесткими, чем некоторые механические передачи, например, цепные, но обычно в несколько раз более жесткими, чем электроприводы постоянного тока и пневмоприводы.
• 8. Обладают хорошей агрегатностью. Сравнительно легко компонуются в отдельные блоки и агрегаты. По этому параметру они уступают лишь электрическим системам.
• 9. Могут передавать механическую энергию одновременно или последовательно от любого источника (электродвигатель, дизель, человек). При этом каких-либо операций по переключению не требуется, что достигается включением в систему простейших устройств, называемых обратными клапанами. По способности одновременно или последовательно передавать механическую энергию от различных источников без операций переключения гидропривод, по существу, не имеет себе равных в машиностроении. Это качество имеет очень большое значение для агрегатов военной техники, где всегда требуется дублирование и резервирование, в том числе и источников энергии.
• 10. Относительно безразличны к вибрации и радиации. В этом отношении они практически равнозначны механическим и пневматическим агрегатам.
• 11. Позволяют легко решать задачу защиты механизма от перегрузок путем включения в систему предохранительных клапанов, представляющих из себя малогабаритные, малоинерционные защитные устройства многократного действия.
• 12. Искро-пыле безопасны По этому качеству они равнозначны механическим передачам.
• 13. Способны к аккумулированию энергии в период пауз, холостых ходов и торможения. Правда, гидравлические аккумуляторы уступают по габаритным и весовым параметрам механическим и электрическим аккумулирующим устройствам.
• 14. При использовании гидропривода значительно легче и проще решаются задачи необратимости механизма в аварийных ситуациях и в момент планируемой остановки.
• 15. Обладают способностью непрерывного удаления тепла от наиболее нагруженных узлов и деталей в окружающую среду. При использовании гидропривода, как правило, не требуется специальных систем охлаждения.

Из вышесказанного нетрудно заметить, что гидравлические приводы по сравнению с электрическими, механическими; пневматическими агрегатами аналогичного назначения обладают значительно большим количеством положительных для машиностроения качеств.

Однако, не следует считать, что гидравлические приводы являются лучшими приводами вообще для всех машин и их рабочих органов, им присущи и крупные недостатки. К числу таковых следует отнести:

1. Высокую стоимость, особенно гидроприводов с объемным регулированием. Следует заметить, что высокая стоимость это отчасти временное явление, связанное с мелкой серийностью производства гидроприводов.

В США, например, гидравлического оборудования выпускается в 3 раза больше, чем в России. Естественно оно стоит меньше, примерно, в 4 раза.

• 2. Неоднозначность значений КПД у гидроприводов с различными способами регулирования. Причем у относительно дешевых приводов с дроссельным регулированием КПД весьма низок (0,2?0,3), у приводов с объемным регулированием в среднем 0.7?0.75. Электроприводы постоянного тока имеют КПД 0,55?0,6, высококачественные механические вариаторы до 0,8?0,85.
• 3. Зависимость механической характеристики и КПД от степени износа, от характера нагрузки на привод и от физических свойств жидкости

Эти обстоятельства в ряде случаев принуждают брать привод заведомо завышенной мощности, что естественно увеличивает его вес и габариты.

• 4. Относительная сложность агрегатов и высокая точность изготовления отдельных элементов и деталей гидропривода. Для его изготовления нужна высокая культура производства, высококвалифицированные рабочие. Гидроприводы не могут ремонтироваться в полевых условиях.
• 5. Использование в качестве рабочего элемента (как правило) горючих жидкостей (минеральных масел), что для военной техники является неблагоприятным обстоятельством.
• 6. Невозможность обеспечения длительной стоянки рабочего органа в заданном положении.

Таким образом, при выборе типа привода для тех или иных механизмов обязательно следует провести технико-экономическое обоснование. При этом, сравнивая гидравлический привод с другими типами агрегатов аналогичного назначения необходимо учесть не только его положительные и отрицательные качества, но также и все последствия, которые будут сопутствовать работе машины, снабженной гидроприводом (стоимость эксплуатации, эффективность, удобство обслуживания, надежность в работе и т. п.).

Необходимо заметить, что наиболее полно и рационально удовлетворить многообразные требования, предъявляемые к механизмам некоторых современных машин, можно только при использовании комбинированных электрогидравлических, электрогидромеханических и даже электропневмогидромеханических систем управления, сочетающих в себе маломощные электронные (электромагнитные или пневматические) устройства с гидравлическими и гидромеханическими устройствами, рассчитанными на передачу относительно больших мощностей.

По данным зарубежных технических журналов производство гидрооборудования на Западе является одной из наиболее успешно развивающихся отраслей промышленности. Этот факт является следствием в первую, очередь гибкости гидропривода с точки зрения стыковки его с электронными устройствами относительно высокого КПД, широчайшего диапазона регулирования, приемлемых габаритов и способности к аккумулированию энергии в период пауз и торможения.

Рассмотрим подробно некоторые примеры применения гидроприводов.

1. Для бортовых систем управления большинства современных высокоскоростных летательных аппаратов гидравлический привод, как исполнительное устройство, был выбран главным образом вследствие его малой инерционности, простоты и надежности управления, а также относительно меньших весовых и габаритных параметров.

Малая инерционность исполнительных гидравлических устройств позволяет управлять быстро перемещающимся объектом с требуемой точностью и надежностью, а малые веса и габариты дают прямой экономический эффект.

• 2. Современные самоходные стартовые агрегаты для запуска баллистических ракет оснащаются гидравлическими приводами подъема, вывешивания и горизонтирования потому, что, обладая относительно малыми габаритами, эти привода обеспечивают преодоление очень больших нагрузок при относительно малых затратах мощности. Тем самым, в конечном итоге, стартовый агрегат удается сделать компактным и достаточно маневренным. Для его изготовления требуется меньше металла, а для перемещений — меньше топлива и времени.
• 3. В следящих приводах наведения зенитных артиллерийских установок гидропривод оказался незаменимым, благодаря тому, что обладает способностью в широком диапазоне бес ступенчато регулировать скорость движения объекта, обеспечивает точную отработку командного сигнала и способен выдерживать многократные перегрузки по моменту с ограничением потребляемой мощности.
• 4. Рулевые машины морских судов строятся на базе гидропривода. Конечно, стоимость корабля повысилась. Вместе с тем на 5−10 тонн уменьшился собственный вес корабля и на 10−20% повысился КПД рулевой машины. Тем самым увеличилась полезная грузоподъемность и уменьшились затраты энергии для собственных нужд корабля. Установлено, что удорожание корабля окупается за 3?5 лет. Поскольку его «активная» жизнь достигает 30 лет и более, то государство в целом получает существенный экономический эффект.
• 5. Во всех развитых странах мира все большие масштабы приобретает производство гидрофицированных тракторов. Естественно, стоимость гидрофицированного трактора выше, чем обычного. Однако, гидрофикация улучшает условия труда тракториста, резко увеличивает производственные возможности трактора и исключает необходимость иметь в штате так называемого прицепщика при выполнении ряда полевых работ. В конечном итоге общество получает громадный экономический эффект, хотя первоначальные затраты на производство тракторов с навесными орудиями труда существенно увеличиваются.
• 6. Можно привести также примеры использования гидроприводов в самосвалах, мусоровозах, домостроении, в механизмах разводки мостов, в агрегатах для перегрузки судов через плотины электростанций и др.