Гидромотор преобразует энергию потока рабочей жидкости в механическую энергию, приводящую в действие тот или иной рабочий механизм крана.

Гидравлические силовые передачи обеспечивают жесткую (в пределах несжимаемости жидкости) связь между гидронасосом и гидродвигателем через рабочую жидкость, перемещающуюся по системе трубопроводов.

На подъемно-транспортных и строительных машинах применяют три типа гидравлических машин: гидронасосы, гидромоторы и гидроцилиндры.

Гидронасосы характеризуются объемной подачей, давлением, полезной мощностью и полным кпд. Объемная подача — это объем жидкости, подаваемой насосом в единицу времени. Давлением насоса называется приращение механической энергии, полученное каждой единицей массы жидкости, проходящей через насос, т.е. разность удельных энергий жидкости при выходе из насоса и при входе в него. Полезная мощность насоса – мощность, сообщаемая насосом подаваемой рабочей жидкости и определяемая произведением давления насоса и его подачи. Отношение полезной мощности к мощности, потребляемой насосом, называют коэффициентом полезного действия (кпд) насоса. Эта величина характеризует все потери в насосе, складывающиеся из объемных и гидромеханических потерь. Каждая из этих потерь характеризуется соответствующими кпд. Объемный кпд учитывает внутренние перетечки жидкости из полости нагнетания в полость всасывания и наружные утечки из корпуса через зазоры. Механический кпд учитывает потери, возникающие при вращении и взаимном перемещении деталей насоса, гидравлический кпд – потери давления, возникающие при движении по внутренним каналам насоса. Полный кпд насоса равен произведению объемного, гидравлического и механического кпд.

Применяют гидропередачи с нерегулируемыми насосами (постоянной подачи). Скорость в таких передачах регулируют комбинированным способом: с одной стороны, изменением частоты вращения приводящего двигателя (двигатель базового автомобиля) и, следовательно, гидронасоса, а с другой стороны, путем прямого регулирования подачи с помощью регулирующих гидроаппаратов. Существует два типа нерегулируемых гидравлических насосов: преимущественно шестеренные и аксиально-поршневые; первые наиболее перспективные и часто используемые.

Шестеренный насос (рис. 15) имеет две шестерни 6 и 9, входящие в зацепление друг с другом, заключенные в корпусе 7. Ведущая шестерня 9 закреплена на ведущем валу на шпонке, а ведомая 6 получает от нее вращение. Так как зацепление шестерен 6 и 9 внешнее, то и сам насос называется шестеренным насосом с внешним зацеплением. Всасывающая гидролиния подведена к шестерням с той стороны, где зубья выходят из зацепления, а напорная — со стороны, где зубья входят в зацепление. Головки зубьев, входя в зацепление, выжимают масло из впадин между зубьями, создавая давление в напорной гидролинии гидросистемы. Жидкость от всасывающей гидролинии перемещается к напорной гидролинии в полостях, образованных впадинами зубьев и стенкой корпуса насоса.

Рис. 15. Шестеренные насосы НШ-10Е-3-Л (а), НШ-50-3-Л (б) и схема зацепления их шестерен (в):
1, 17 – крышки; 2 — манжета крышки; 3 – кольцо уплотнительное; 4 – пластина; 5, 11, 18 – манжеты; 6, 14 – шестерни ведомые; 7 – корпус; 8 – подшипники;
9, 13 – шестерни ведущие; 10 — втулка левая; 12 — компенсатор; 15 — втулка правая; 16 – корпус; 19 – кольцо опорное; 20 – кольцо ограничительное; А — линия всасывания; Б – линия нагнетания.

Движение жидкости в шестеренном насосе показано на рис.15,в стрелками. Конструктивно шестерни 6 и 9 выполнены заодно с валами, образуя вал-шестерни. Вал-шестерни размещаются в алюминиевом корпусе 7, закрытом крышкой 1. На хвостовике ведущей вал-шестерни сделаны шлицы для соединения насоса с двигателем или валом трансмиссии. Для уменьшения торцевых утечек вал-шестерни устанавливают в корпусе на специальных плавающих втулках 10, 15, положение которых друг относительно друга фиксируется лысками и проволокой. Плавающие втулки прижимаются к шестерням вал-шестерн за счет давления рабочей жидкости, подаваемой к их торцам в полостях. По мере износа торцов шестерен и втулок зазор между ними, а следовательно, и торцевые утечки остаются минимальными (так называемая гидравлическая компенсация торцевых зазоров). Чтобы уменьшить радиальные утечки, -стремятся сделать минимальный зазор между шестернями и корпусом насоса. Резиновые кольца и манжетные уплотнения 5,11,18 предотвращают утечку жидкости из корпуса насоса. Жидкость, просачивающаяся по валам шестерен, поступает через каналы в полости, соединенные с камерой всасывания (на рисунке не показано). Все это позволяет увеличить объемный кпд насоса и значительно удлинить срок его службы. По простоте конструкции и стоимости изготовления шестеренные насосы обладают несомненными преимуществами по сравнению с насосами других типов, поэтому их применяют в тех гидропередачах, где кпд не имеет существенного значения.

Аксиально-поршневые насосы (рис.16) компактны, имеют высокий кпд, при высоких давлениях, малоинерционны, обладают большой энергоемкостью на единицу массы (в некоторых высокооборотных конструкциях до 12 кВт/кг). Рассмотрим принципиальную схему аксиально-поршневого насоса. Пусть на диске 6 (рис.16,а), установленном на валу 7, шарниром 5 закреплен шток 4 цилиндра, поршень которого связан шарниром 3 со штоком. Провернем вал 7 и цилиндр на 180° так, чтобы гильза цилиндра 1 из положения 1 переместилась в положение 2. Если продольные оси вала 7 и цилиндра пересекаются под углом, то поршень, переместившись вправо, через канал Д засосет в полость Б рабочую жидкость. Повернем вал 7 еще раз на 180° так, чтобы гильза из положения 2 переместилась в положение 1. Тогда поршень переместится влево и через канал Д вытеснит из полости Б рабочую жидкость. Если на диске 6 (рис. 16,6) закрепить штоки не одного, а нескольких цилиндров, а гильзы цилиндров выполнить в одном блоке 9, то будет получена конструктивная схема насоса. При вращении диска каждый из цилиндров будет последовательно всасывать через полость В, а затем нагнетать рабочую жидкость в полость Г. Полости В и Г выполнены в виде дуговых окон в крышке 8.

Рис. 16. Схема аксиально-поршневого насоса:
а — схема действия поршня; б — конструктивная схема; 1 — цилиндр; 2 – поршень; 3, 5 — шарниры; 4 — шток; 6 — диск; 7 — вал; 8 — крышка с пазом; 9 — блок цилиндров.

Рис. 17. Аксиально-поршневой насос с наклонным блоком (а) и обозначение на схемах насоса с постоянным направлением потока (б) и нерегулируемого гидромотора с реверсивным потоком (в):
1 — вал; 2 — манжета; 3, 9, 16 – кольца; 4, 5 – подшипники; 6 – блок цилиндров; 7 — шатун; 8 – болт; 10 — крышка; 11 – распределитель; 12 – поршень; 13 — щток; 14, 15 — корпус; 17 – стопорное кольцо.

В гидроприводах применяют такие аксиально-поршневые нерегулируемые насосы с наклонным блоком (рис.17). Вал, установленный на подшипник в корпусе, шарнирно соединен с шатунами, которые в свою очередь, шарнирно соединены с поршнями. Поршни размещающийся в блоке цилиндров, ось которого наклонна оси вала. Распределитель со сферической стороны имеет два полукольцевых паза, соединенных с круглыми отверстиями, выходящими на плоскую сторону распределителя и совпадающими с отверстиями в крышке. При вращении вала шатуны с поршнями вращают блок цилиндров, при этом поршни одновременно совершают возвратно-поступательное движение относительно блока цилиндров, а блок цилиндров вращается относительно распределителя. За один оборот вала каждый поршень совершает один двойной ход (всасывание и нагнетание рабочей жидкости). От угла наклона оси блоков цилиндра к оси приводного вала зависит длина хода поршня, а следовательно, и объемная подача насоса. Центральная ось обеспечивает соосность блока цилиндров с распределителем. Отверстия для подсоединения всасывающего и нагнетательного трубопроводов размещены в крышке, а дренажное отверстие для отвода внутренних утечек – в корпусе.

Гидромотор — гидродвигатель вращательного действия — предназначен для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию вращения выходного вала.

Гидромоторы имеют сходное с насосом конструктивное устройство. Отличие состоит в некоторых особенностях распределительного узла, обеспечивающего работу механизма в качестве реверсивного гидромотора. Описанные выше насосы могут работать и как гидродвигатели, т.е. обратимы без изменений. Нерегулируемый гидромотор работает по схеме (рис. 18), при которой подвод к одному из отверстий в крышке гидромотора рабочая жидкость через полукольцевой паз распределителя поступает под поршни, полости которых в данный момент соединены с этим пазом. Под действием давления рабочей жидкости поршни выдвигаются из блока цилиндров и через шатун 6 поворачивают вал. Вместе с валом поворачивается и блок цилиндров с поршнями, в результате чего в работу постоянно вступают новые поршни, в то время как поршни, совершающие относительно блока цилиндров обратный ход через другой полукольцевой паз распределителя и второе отверстие в крышке, выталкивают рабочую жидкость из гидромотора, обеспечивая непрерывное вращение вала. Частота вращения вала зависит от расхода рабочей жидкости через гидромотор: чем расход больше, тем выше частота вращения вала. При подводе рабочей жидкости к другому отверстию крышки изменяется направление вращения вала гидромотора. Внутренние утечки, как и у насоса, отводятся через дренажное отверстие в корпусе. В целях увеличения производительности применяют регулируемые гидромоторы. Особенностью регулируемого гидромотора является то, что он оборудован специальным устройством – регулятором, позволяющим в процессе работы изменять угол наклона блока цилиндров относительно оси вала, вследствие чего изменяется ход поршней, а следовательно, — и рабочий объем гидромотора. Благодаря этому частоту вращения вала гидромотора можно регулировать не только изменением расхода рабочей жидкости через гидромотор, но и изменением его рабочего объема.

Рассмотрим устройство регулируемого гидромотора (рис. 18,а). Узел регулятора включает в себя установленный в корпусе поршень с поводковым пальцем, втулку с золотником, пружины и со стержнем и крышку.

Рис. 18. Регулируемый гидромотор (а) и его обозначение на гидравлической схеме (б):
1 — вал; 2 – манжета; 3, 14, 22, 24 — угоготнительные кольца; 4, 11 — крышки; 5, 18 — корпус; 6 – шатун; 7, 16 – поршни; 8 — блок; 9, 20 — винт; . 10, 21 — пробки; 12, 23 – пружины; 13 – плунжер; 15 — рычаг; 17 – палец; 19 — золотник; 25 — распределитель; 26 – шип; 27,” 28 – подшипники; 29 — обратный клапан.

Угол наклона оси блока цилиндров относительно оси вала определяется положением поршня в корпусе. Втулка с золотником образуют гидрораспределитель, управляющий поршнем. Золотник имеет гидравлическое управление через канал в крышке. Клапан с логической функцией «ИЛИ» обеспечивает подвод поступающей в гидромотор рабочей жидкости к средней канавке втулки, независимо от того, к какому из основных отверстий гидромотора рабочая жидкость подводится, т.е. независимо от направления вращения вала гидромотора. На рис. 18 гидромотор изображен в положении, соответствующем его номинальному рабочему объему. В этом случае давление в линии управления отсутствует и золотник под действием пружины находится в верхнем положении, соединяя канал со средней канавкой втулки, а полость с дренажом. Давление поступающей в гидромотор рабочей жидкости передается в полость, фиксируя положение поршня 16, изображенное на рисунке.

При подаче давления управления к каналу золотник переместится в нижнее положение, соединяя полость с дренажом, а другую полость со средней канавкой втулки. В этом случае подводимая к гидромотору рабочая жидкость поступит в полость и переместит поршень в верхнее положение, уменьшая угол наклона блока цилиндров 8 и, тем самым, рабочий объем гидромотора. Частота вращения вала гидромотора при том же расходе рабочей жидкости увеличится пропорционально уменьшению рабочего объема. Винтом ограничивается минимальный угол наклона блока цилиндров, а стержнем регулируется установочная длина пружины, определяющая минимальное давление управления. Наиболее предпочтительным считается, когда в схемах гидропривода применяются насосы и гидромоторы одного типоразмера.

Гидроцилиндры применяют: возвратно-поступательные одно- и двустороннего действия. Гидроцилиндры одностороннего действия (рис 19,а) делятся на поршневые, плунжерные, плунжерные телескопические. Шток или плунжер в них движется под действием рабочей жидкости только в одном направлении. Обратное движение выполняется под действием внешних сил или пружины. В гидроцилиндре двустороннего действия (рис. 19,6) шток и поршень движутся в обоих направлениях под действием рабочей жидкости. Эти гидроцилиндры могут быть с одно- и двусторонним штоком или телескопические. Необходимым условием работы гидроцилиндра является герметизация штока в месте его выхода из корпуса, герметизация штоковой и поршневой полостей. Для герметизации используются кольца и манжеты из резины , пластмассы и композиционных материалов. Главные параметры гидроцилиндров – внутренний диаметр гильзы цилиндра (иногда говорят просто диаметр цилиндра) и рабочее давление, определяющее эксплуатационную характеристику гидроцилиндра.

Устройства для подвода рабочей жидкости. Рабочая жидкость поступает в систему гидропривода из специального гидробака, в котором хранится запас жидкости, необходимый для обеспечения нормальной работы системы. К насосу рабочая жидкость поступает по всасывающей гидролинии, а. от насоса по напорной гидролинии через вращающееся соединение – к двигателям исполнительных механизмов.

Рис. 19. Гидроцилиндры одно- (а) и двустороннего (б) действия: 1 – поршневой; 2 — плунжерный; 3 — плунжерный телескопический; 4 — с односторонним штоком; 5 — с двусторонним штоком; 6 — телескопический

Отработавшая жидкость возвращается в бак через вращающееся соединение по сливным гидролиниям. В бак отводятся также по дренажным гидролиниям утечки жидкости, происходящие в отдельных узлах системы привода. Бак служит для помещения запас циркулирующей в гидросистеме крана рабочей жидкости, улучшения теплоотвода, очистки рабочей жидкости от мелких взвесей и предотвращения эмульгирования. В основном применяют баки открытого типа (рис. 20), в которых внутренняя полость связана с атмосферой через специальное отверстие в крышке заливной горловины (в крышке имеется фильтрующая набивка — воздушный фильтр, обеспечивающая очистку попадающего в бак воздуха). Корпус бака сварен из листового проката. Рабочая жидкость в баке должна быть на уровне 0,8 его высоты (не выше), следят за этим по маслоуказателю уровня. Отверстие всасывающей гидролинии снабжено запорным клапаном для перекрытия жидкости при ремонтах путем затяжки клапана до отказа и расположено почти у дна бака, но так, чтобы в гидросистему не засасывались осадки.

Рис. 20. Гидробак: 1 – перегородка; 2 — корпус; 3 – крышка; 4 – фильтр воздушный; 5 – фильтр заливной; 6 — прокладка; 7 — клапан запорный; 8 – вентиль; 9 – клапан; 10 — кольцо уплотнительное; 11 – уловители магнитные; 12 – смотровое стекло; 13, 14 — сливной и дренажный патрубки.

Отверстие сливной гидролинии расположено так, что оно всегда находится ниже минимального уровня рабочей жидкости. Это позволяет избежать вспенивания жидкости при работе. Между полостями слив и всасывания установлены две перегородки, которые, удлиняя путь рабочей жидкости, способствуют более полному удалению из нее взвесей и пузырьков воздуха. Кроме того, перегородки обеспечивают поступление в полость всасывания верхних более чистых слоев масла. Рабочей жидкостью бак заправляют через заливной фильтр грубой очистки. Сливают жидкость через патрубок. Для очистки рабочей жидкости от различных примесей в гидролинии устанавливают магистральные, а в баках — встроенные фильтры. Во встроенных фильтрах жидкость фильтруется так же, как в магистральных фильтрах. Обозначают и обслуживают эти фильтры одинаково. Фильтры характеризуются тонкостью фильтрации рабочей жидкости, которая оценивается по наименьшему размеру частиц, задерживаемых фильтром. Фильтры изготавливают с тонкостью фильтрации 10, 25, 40, 63, 80 и 125 мкм.

Трубопроводы применяют жесткие и эластичные. Жесткие используют для соединения узлов гидропривода, не перемещающихся друг относительно друга: для систем низкого давления (1,6-2,0 МПа) — стальные цельнотянутые трубы или трубы из полимерных материалов; высокого давления – стальные цельнотянутые трубы. Эластичные трубопроводы соединяют узлы гидропривода, перемещающиеся один относительно другого. Кроме того, их применяют вместо жестких, когда необходимо облегчить сборку (например, для компенсации неточностей при сборке в стесненных условиях) или получить быстроразъемные соединения. В качестве эластичных трубопроводов применяют резинотканевые рукава (при давлении не более 1,6 МПа) или рукава высокого давления с неразъемными или разъемными наконечниками. Рукав высокого давления состоит из трех резиновых слоев и хлопчатобумажных и металлических оплеток. Арматуру (например, тройники, штуцеры, угольники) присоединяют к жестким трубопроводам шароконусными соединениями: труба соединяется с арматурой через ниппель с помощью накидной гайки. Эластичный низконапорный трубопровод и арматуру соединяют друг с другом хомутами. К корпусу агрегата арматуру присоединяют на прямой резьбе. При прямой резьбе уплотнение между корпусом и арматурой выполняют или резиновым кольцом, или медной прокладкой.

Базовые автомобили, силовое оборудование и трансмиссии

Базой автомобильных кранов, автовышек и автогидроподъемников, автокомпрессоров являются шасси серийно выпускаемых грузовых автомобилей. Поэтому под базовым автомобилем имеется в виду грузовой автомобиль, шасси которого используют в качестве ходового устройства (базы) подъемно-транспортных и строительных машин. В зависимости от допустимых нагрузок автомобильных шасси определяется и грузоподъемность этих машин. Для автопогрузчиков и автогрейдеров используются не полностью в сборе автомобильные шасси, а основные их составные части и сборочные единицы (двигатели, мосты, трансмиссии, органы управления), образующие базовое ходовое устройство машин.

Различие исполнений подъемно-транспортных и строительных машин вызывает особенности установки их на базовые автомобильные шасси. Конструкции опорных рам, устройств блокировки подвески и стабилизаторов, выносных опор и других сборочных единиц неповоротной части формируются в зависимости от типа шасси.

Силовое оборудование является источником энергии и представляет собой систему устройств, преобразующих тот или иной вид энергии в механическую. В качестве силового оборудования привода подъемно-транспортных и строительных машин используют двигатели внутреннего сгорания базовых автомобилей, преобразующие работу расширения газообразных продуктов сгорания топлива в механическую энергию. Подробные знания о двигателях внутреннего сгорания получают при изучении предмета «Устройство и техническое обслуживание автомобилей».

Трансмиссиями называются элементы механических силовых передач от двигателя к исполнительным (рабочим) механизмам, образующие кинематические цепи и механизмы. В подъемно-транспортных и строительных машинах трансмиссии размечают на элементы механических силовых передач, расположенные в ходовой части и установленные на поворотной или верхней рамах опорной базы. Трансмиссия ходовой части служит для передачи полученной от двигателя внутреннего сгорания механической энергии силовым передачам передвижения машины (трансмиссии базовых автомобилей) и устройствам, которые приводят в действие рабочие механизмы на поворотной или опорной рамах (трансмиссия привода). Подробные знания о трансмиссиях базовых автомобилей получают при изучении предмета «Устройство и техническое обслуживание автомобилей». В механическом приводе машин трансмиссия представляет собой единую механическую силовую передачу, состоящую из отдельных механических передач, коробок, редукторов, механизмов, соединительных муфт и валов, обеспечивающих постоянное и надежное соединение сборочных единиц (узлов) и деталей силовой передачи между собой. В электрическом приводе машин трансмиссия является совокупностью трех последовательных силовых передач: механической, передающей механическую энергию от двигателя базового автомобиля к генератору; электрической, передающей энергию электрического тока от генератора электрическим двигателям; механической, передающей механическую энергию от электродвигателя к рабочему органу. Отличительными признаками гидравлического привода является наличие вместо электрического генератора и электродвигателей в силовых передачах соответственно гидронасоса и гидромоторов. Передача крутящего момента двигателя базового автомобиля механизмам машины (при механическом приводе), генераторам и гидронасосам (соответственно при электрическом и гидравлическом приводах) осуществляется через коробку отбора мощности. В зависимости от способа установки коробки отбора мощности бывают двух типов. Коробку первого типа встраивают в трансмиссии базового автомобиля (вместо промежуточной опоры карданного вала шасси) между выходным валом коробки передач и валом редуктора заднего моста, с которыми она соединяется специально укороченными карданами. Коробку второго типа пристраивают к трансмиссии базовых автомобилей путем ее установки на коробке передач или на раздаточной коробке (раздаточная коробка служит для распределения мощности между двумя задними ведущими мостами трехосных автомобилей).

Системы и аппаратура управления приводами

Системы управления состоят из различных приборов, аппаратов и механических устройств, с помощью которых осуществляют пуск, регулирование скорости, реверс и остановку всех рабочих механизмов, их защиту от возможных перегрузок и повреждений, а также различные блокировки и автоматические режимы работы устройств привода.

Системы управления приводами подразделяют на две группы: аппараты и механические устройства, включаемые непосредственно в трансмиссию силового потока энергии, т.е. собственно аппаратура управления приводами; аппараты и механические устройства, управляющие аппаратами и устройствами первой группы. Они входят в состав систем управления приводами, поэтому иногда их называют аппаратурой систем управления.

По способу преобразования и передачи усилия машиниста управление бывает механическое, электрическое, гидравлическое или комбинированное (например, электропневматическое или электрогидравлическое). Механическое управление наиболее просто в изготовлении, надежно в эксплуатации и обеспечивает благодаря непосредственной связи руки (или ноги) машиниста с управляемым механизмом высокую чувствительность управления. Для снижения усилий, прикладываемых к рычагам и педалям управления, используют усилители (например, гидроусилитель руля, пневмоусилитель тормозов), позволяющие с небольшим усилием на рычаге создавать большие усилия на исполнительном механизме. Однако механические системы управления имеют недостатки: большое количество тяг, рычагов, шарниров и т.п., значительные металлоемкость и затраты на обслуживание и регулирование этих систем. В последнее время механические системы вытесняют более прогрессивными электрогидравлическими, электропневматическими.

Наиболее распространены системы управления первой группы — гидравлические. В этом случае машинист прикладывает меньше усилий на перемещение рукояток, чем при механическом управлении, в результате чего снижается утомляемость машиниста. Конструктивно более просто решается разводка систем управления с помощью гидравлических трубопроводов и шлангов. Примером может служить управление выносными опорами. Комбинированная система позволяет использовать рычажно-шар-нирные передачи прежде, чем включится в работу гидрораспределитель. При этом гидрораспределители размещают в отдельном блоке с выводом рукояток в удобное для работы место.

Электрогидравлическая система имеет следующие преимущества: небольшие усилия на приборах управления, возможность дистанционного управления, большой кпд, небольшая масса и малая металлоемкость благодаря небольшому количеству проводов. Недостаток этой системы в том, что при резком включении и остановке механизмов возникают значительные динамические нагрузки. Электрогидравлическое управление с пропорциональными распределителями исключает этот недостаток. Для машин с электроприводом применяют электрическую систему управления.