Разработка и исследование гидравлического редукторно-мультипликаторного привода машин и механизмов

С.С. Пилипенко, к.т.н., доцент, М.Р. Байгузин, аспирант, А.П. Потапенков, д.т.н., профессор, М.А. Перепелкин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВПО Норильский индустриальный институт

Гидравлический привод машин имеет широкое распространение благодаря преимуществам, к которым относятся надежность его функционирования, возможность непосредственного получения поступательного движения и другие [1]. Наиболее часто используются насосный и насосно-аккумуляторный приводы поступательного движения.

Важным достоинством насосного привода является его более высокий кпд (0,6…0,85). Другие преимущества – отсутствие постоянного высокого давления в системе, малые габариты, простое управление [1, 2]. Существенный недостаток этого привода – значительная установочная мощность насосов, которая не полностью используется на значительном интервале рабочего цикла. Для компенсации этого недостатка по возможности предусматривают кратковременную работу приводных электродвигателей насосов с перегрузкой, устанавливают насосы с несколькими ступенями давления и подачи, используют маховичный привод, снабжают привод мультипликатором и наполнительным баком.

Известно также, что эксплуатационные показатели простого насосного привода с насосами постоянной подачи можно повысить, сделав его редукторно-мультипликаторным [3, 4]. Такой привод имеет равномерную загрузку насосов, меньшее рабочее давление насосов и, как результат, этого, меньшую установочную мощность приводных двигателей насосов. Указанный эффект имеет место как в одноцилиндровом приводе [3], так и в двухцилиндровом приводе [4]. В первом случае при холостом ходе используется одинарный гидравлический редуктор, при рабочем ходе – одинарный мультипликатор. Во втором случае при холостом ходе используется простой сдвоенный редуктор, при рабочем ходе – простейший сдвоенный мультипликатор. Во втором случае дополнительно обеспечивается синхронизация работы двух силовых цилиндров силового блока.

Указанный эффект можно получить, используя в схемах управления приводом блочные редукторы-мультипликаторы (блочные дозаторы), которые при холостом ходе выполняют функции редуктора, при рабочем ходе – функции мультипликатора [5, 6]. Использование одного устройства вместо двух потребует меньших затрат на их изготовление и эксплуатацию привода.

Рис. 1 Схема трёхскоростного редукторно-мультипликаторного привода с блочными редуктор-мультипликаторами (дозаторами)

В одноцилиндровом приводе (рис. 1) используется одинарный блочный дозатор 4, основу каждого составляют два соосно установленных цилиндра 9 и 10 с диаметрами плун- жеров d и D (d<D) соответственно. При подаче жидкости в цилиндр 10 и вытеснении её из цилиндра 9 дозатор работает как мультипликатор с коэффициентом мультипликации (усиления) kм:kм = D²/d²

При подаче жидкости в цилиндр 9 с вытеснением её из цилиндра 10, дозатор работает как редуктор с коэффициентом редукции k_p:k_p = D²/d²

При этом kм и kр связаны зависимостью kм*k_p=1

Рис. 2 Схема двухскоростного редукторно-мультипликаторного привода с блочными редуктор-мультипликаторами (дозаторами)

В двухцилиндровом приводе (рис. 2) используется сдвоенный блочный дозатор 5, основу которого составляют четыре соосно установленных плунжерных цилиндра, два из которых, 13 и 14 с диаметром плунжеров d и два – 15 и 16 с диаметром D (D > d). Плунжеры всех цилиндров жёстко связаны между собой, образуя блок подвижных элементов, все корпуса цилиндров образуют неподвижный блок. Если при работе цилиндры 13 и 14 служат входными, то дозатор работает как редуктор, если входными служат цилиндры 15 и 16, то дозатор работает как мультипликатор. При этом коэффициенты мультипликации и редукции и их взаимосвязь определяются вышеприведенными зависимостями.

В приводе с одноцилиндровым силовым блоком (см. рис. 1) используется силовой цилиндр 1, насосная станция 2, реверсивный золотник 3, блочный дозатор 4, два двухпозиционные трёхходовые золотники 5 и 6 и два отсечных золотника 7 и 8. Переключает привод с прямого хода на обратный реверсивный золотник. Схема обеспечивает трёхскоростной режим работы привода при прямом ходе.

Первая ступень скорости V_НР (редукторная) обеспечивается подачей жидкости от золотника 3 через золотник 5 в полость цилиндра 9 дозатора 4, с последующим вытеснением её из полости цилиндра 10 через золотник 6 в поршневую полость силового цилиндра. При этом скорость V_НР и давление Р_НР, развиваемое насосом, будут определяться как:

(1)

где – скорость поршня при подаче жидкости в силовой цилиндр непосредственно от насоса; Q_Н – подача насоса; F – площадь поршня силового цилиндра;

– давление в силовом цилиндре при холостом ходе; R_X – усилие холостого хода.

Вторая ступень скорости V (насосная) после переключения золотника 6 обеспечивается подачей жидкости через золотники 5 и 6 в поршневую полость силового цилиндра. При этом скорость жидкости V и давление Р_Н, развиваемое насосом, определяются как:

(2)

где R_Р – усилие рабочего хода на данном перемещении. Зависимости (2) справедливы для простого насосного привода на всей величине прямого хода.

Третья ступень скорости V_НМ (мультипликаторная) обеспечивается подачей жидкости через золотник 5, после его переключения, в полость цилиндра 10 дозатора с последующим вытеснением её из полости цилиндра 9 через золотник 6 в поршневую полость силового цилиндра. При этом скорость V_НМ и максимальное давление РНМ, развиваемое насосом:

(3)

где – максимальное давление в силовом цилиндре при рабочем ходе; R_max – максимальное усилие рабочего хода.

Возврат подвижного блока дозатора в исходное положение происходит при обратном ходе поршня силового цилиндра. При этом жидкость от реверсивного золотника после его переключения подаётся в штоковую полость силового цилиндра 1 и вытесняется из поршневой полости в полость цилиндра 9 или 10 дозатора (зависит от конечной позиции блока плунжеров дозатора по отношению к исходной). Жидкость из противоположного дозатора сливается при этом через отсечный золотник 7 или 8, соответственно.

В приводе с двухцилиндровым блоком (см. рис. 2) используются два силовых цилиндра 1, два возвратных – 2; насосная станция 3, реверсивный золотник 4, сдвоенный блочный дозатор 5, четыре трёхходовые трёхпозиционные золотники 6, 7, 8 и 9, три отсечных золотника 10, 11 и 12. Привод с прямого хода на обратный переключает ревер- сивный золотник 4. Схема обеспечивает двухскоростной режим работы при прямом ходе.

Первая ступень скорости V_НР обеспечивается подачей жидкости от золотника 4 через золотники 6 и 7 в полости цилиндров дозатора 13 и 14, соответственно, с последующим вытеснением её из полостей цилиндров 15 и 16 в силовые цилиндры 1 раздельно через золотники 8 и 9. При этом V_НР и давление Р_НР, развиваемое насосом, определяется зависимостями (1), в которых

– скорость прямого хода при подаче жидкости от насосов непосредственно в силовые цилиндры;

– среднее давление в силовых цилиндрах при холостом ходе.

Вторая ступень скорости V_НМ обеспечивается подачей жидкости через золотники 6 и 7, после их переключения, в полости цилиндров 15 и 16 дозатора с последующим вытеснением её из полостей цилиндров 13 и 14, раздельно через золотники 8 и 9, также после их переключения, в силовые цилиндры. При этом скорость V_НМ и давление Р_НМ, развиваемые насосом, будут определяться зависимостями (3), в которых

– среднее максимальное давление в силовых цилиндрах при рабочем ходе.

Возврат подвижных элементов дозатора в исходное положение осуществляется с использованием жидкости, сливаемой из силовых цилиндров при обратном ходе, когда жидкость от насоса через реверсивный золотник подаётся в возвратные цилиндры 2. Взаимодействие элементов схемы в этом случае подобно трёхскоростному приводу.

Выводы

Перевод простого насосного привода в разряд редукторно- мультипликаторного с использованием блочных дозаторов обеспечивает значительное снижение рабочего давления и установочной мощности насосов.

Снижение рабочего давления насосов позволяет разрабатывать насосные приводы на основе недорогих насосов среднего давления – шестерённых и пластинчатых. Особенно эффективно использование редукторно-мультипликаторного привода при относительно большом значении холостого хода и относительно низком его давлении, а также при плавном возрастании давления рабочего хода. Использование блочных дозаторов значительно снижает состав элементов привода.