2. NAPĘDY HYDRAULICZNE
2.1. Ogólna informacja o napędach hydraulicznych
Napęd hydrauliczny - napęd, w którym przekazywanie energii mechanicznej odbywa się za pośrednictwem cieczy.
Pierwszymi urządzeniami z napędem hydraulicznym były koła wodne, stosowane do napędu żarn w młynach. Źródłem energii były źródła naturalne w postaci strumieni czy też stawów, z przegradzającymi je groblami, gdzie ciśnienie niezbędne do ruchu wody uzyskiwano na skutek różnicy jej poziomów. Następną formą urządzeń napędzanych hydraulicznie były turbiny wodne pracujące z wykorzystaniem naturalnych źródeł energii. Ze względu na konieczność dostosowania się do istniejących naturalnych źródeł energii napędy te przez bardzo długi okres nie były rozpowszechnione w szerszym zakresie. Spowodowane to było brakiem możliwości wytworzenia w sposób sztuczny odpowiedniego ciśnienia (różnicy ciśnienia). Dopiero pod koniec XIX wieku zaistniały możliwości techniczne do zrealizowania rozwiązań zapewniających uzyskanie odpowiednich źródeł ciśnienia w postaci pomp.
Pierwsze zastosowania napędów hydraulicznych w obrabiarkach, takich jak prasy, walce, itp., wykazały wiele cennych zalet, co przyczyniło się do dużego rozwoju tej gałęzi techniki. Dzisiaj, przy obecnym stanie techniki i wymaganiach stawianych napędom w maszynach i urządzeniach, jednym z czynników świadczącym o nowoczesności tych napędów jest ilość zastosowanej hydrauliki. O niektórych grupach maszyn mówi się wyraźnie, że mogą one być nowoczesne tylko wówczas, jeżeli będą zawierać napędy hydrauliczne.
Zalety i wady napędów hydraulicznych zestawiono w tabeli 2.1.
Tabela 2.1.
Zalety i wady napędów hydraulicznych
Zalety
Wady
możliwości uzyskania płynnej regulacji w całym zakresie prędkości ruchów roboczych (od prędkości bardzo małych aż do dużych), przy zachowaniu stałego momentu lub stałej siły
wysoki koszt produkcji spowodowany stosowaniem drogich materiałów i precyzyjnych metod obróbki
możliwość bardzo szybkiej zmiany kierunku ruchu na przeciwny (np. w silniku zmiany kierunku obrotów z prawnych na lewe i odwrotnie)
znaczną głośność układów
możliwość uzyskania ruchu obrotowego i prostoliniowego bez stosowania dodatkowych mechanizmów
-
możliwość prostego zabezpieczenia przed przeciążeniem maszyny lub mechanizmów
małe gabaryty (wymiary) i bardzo mała masa (waga) w porównaniu z napędami elektrycznymi o takiej samej mocy
możliwość przenoszenia bardzo dużych sił przy niewielkich rozmiarach elementów
łatwość zdalnego sterowania na skutek możliwości powiązania tego napędu ze sterowaniem elektrycznym lub pneumatycznym
łatwa i prosta obsługa nie wymagająca wysokich kwalifikacji operatora
2.2. Rodzaje napędów hydraulicznych:
W zależności od sposobu wykorzystania energii cieczy rozróżniania się dwa rodzaje napędów hydraulicznych:
Ø napędy hydrokinetyczne (hydrodynamiczne);
Ø napędy hydrostatyczne.
Napędami hydrokinetycznymi nazywa się napędy, w których energia jest przenoszona przez rozpędzone cząsteczki cieczy. W celu wykonania pracy należy nadać cząsteczkom cieczy energię kinetyczną na łopatach wirnika pompy i skierować do odbiornika, którym jest wirnik turbiny. Rozpędzone cząsteczki napotykając na swej drodze łopatki wirnika turbiny przekazują im swoją energię, wskutek czego wał wirnika turbiny będzie mógł wykonywać ruch. Napędy tego rodzaju umożliwiają uzyskanie tylko ruchu obrotowego o stałej prędkości obrotowej. Nagłe zmiany obciążenia wału mogą zmieniać prędkość obrotową.
Napędami hydrostatycznymi nazywamy takie napędy, w których jest wykorzystana energia ciśnienia statycznego cieczy. Przykład takiego napędu przedstawiono na rys. 2.1.
5
1
P2
P1
F1. H1 = F2. H2
2
H2
H1
F2
F1
3
4
Rys. 2.1. Schemat działania instalacji hydrostatycznej:
1, 5 – tłok, 2 – źródło energii, 3 – przewód łączący, 4 – odbiornik energii
2.2.1. Podstawowe zależności w napędach hydraulicznych
Ciśnienie - stosunek siły działającej na ciecz do wielkości jednostki powierzchni, na którą ta siła działa. Jest to wielkość decydująca o sile lub momencie wytworzonym przez napęd hydrauliczny.
p – ciśnienie
P – siła
F – powierzchnia
Główna jednostka ciśnienia:
Oprócz tego stosuje się często jednostkę wielokrotną (przez dodanie przedrostka mega co oznacza milion).
Relacja pomiędzy jednostką ciśnienia układu technicznego, a układu SI jest następująca:
Ciśnienie w cieczy, podobnie jak i w gazach, rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach i w każdym punkcie naczynia będzie ono w przybliżeniu jednakowe (przy pominięciu sił grawitacji).
W pompach jako elementach „wytwarzających” przepływ zamiast pojęcia natężenie przepływu używa się określenia wydajność pompy - ilość jednostek cieczy przetłoczonych w jednostce czasu.
Silniki i siłowniki, będące odbiornikami cieczy, charakteryzuje chłonność -zdolność do pobrania jednostek objętości cieczy w jednostce czasu.
Natężenie przepływu, wydajność oraz chłonność oznacza się symbolem Q.
W układzie SI główną jednostką natężenia przepływu jest lub .
Prędkość przepływu - średnia prędkość, z jaką poruszają się strugi cieczy w przewodach czy kanałach. Oznacza się symbolem „V” i wyraża w m/s. Przy przepływie cieczy w szczelinach, kanałach czy przewodach występuje opór. Ponieważ opór ten wzrasta w miarę wzrostu prędkości, dlatego dla uniknięcia nadmiernych strat ogranicza się prędkość przepływu.
Straty ciśnienia (opory przepływu)
Przy ruchu cieczy w przewodach i kanałach powstaje tarcie. Jego wielkość jest zależna od kształtu kanałów, gładkości przewodów, wielkości powierzchni przepływowej itp. Cząsteczki cieczy stykające się ze ściankami są zatrzymywane przez nierówności. Ciśnienie potrzebne do pokonania tych oporów nazywa się stratami ciśnienia lub oporami przepływu.
Opory przepływu mogą być:
Ø oporami liniowymi;
Ø oporami miejscowymi.
Opory liniowe zależą od długości linii przewodów, przez które przepływa ciecz.
Opory miejscowe powstają wskutek zmiany kierunku strug cieczy i gwałtownego wzrostu ich prędkości w miejscu przewężenia.
2.2.2. Ciecze stosowane w napędach hydraulicznych
...
szormy