Хидравлика на пътностроителни машини

Анализът на развитието на съвременните чуждестранни пътностроителни машини показва тенденция към все по-широко разпространение на хидравличното задвижване на работни органи и изпълнителни механизми, извършващи възвратно-постъпателно и ротационно движение. Продължава по-нататъшно подобряване на насочващите хидравлични и интегрирани електро-хидравлични устройства за управление. Разширява се асортиментът от клапани, свързани с хидравличните двигатели, предпазващи хидравличната система от претоварване, осигуряващи спиране на изпълнителни механизми по време на движение и завъртане.
В статията ще разкажем за основните хидравлични компоненти и системи, за помпите и хидравличните двигатели, за хидравличните цилиндри, за филтруващите устройства.

Независимо от прогреса, принципното устройство на хидравличните системи на пътностроителните машини не се е променило, поне за изминалите 25 години. Хидравличните системи с всякаква сложност се състоят от едни и същи основни компоненти като източник на енергия - обикновено двигател с вътрешно горене, изпълнителни механизми - силови цилиндри и хидравлични двигатели с въртящ момент, както и апаратура за контрол на течностния поток и защита на системата от претоварване - хидравличен разпределител. И все пак през този период производителите са преминали от хидравлично-механични системи към електро-хидравлични.

Все по широко приложение намира електронната система за пропорционално управление - ЕПУ, особено за товаро-подемни машини и механизми с повишени мерки за безопасност на обслужващия персонал, както и във връзка с редица предимства. Плавно изменение на скоростта на изпълнителните механизми, висока точност на позициониране на работните органи, подобрена динамична характеристика, защита от хидравличен удар, удобство при дистанционно управление от безопасна зона.

Трябва да се има предвид, че чуждестранни пътностроителни машини без хидравлично задвижване не се произвеждат, защото хидравличното задвижване осигурява нови експлоатационни качества и високо техническо ниво. Разработени са съвременни високопроизводителни хидравлични системи, които, чрез увеличаване на работното налягане и разхода на флуидния поток, създават възможност пътностроителната машина да извършва едновременно няколко работни операции. Например работа със стрела, повдигане на кофата и завъртане надстройката на багер, без загуба на работна скорост и мощност. За изпълнение на тази задача е приложена система за управление, която регулира производителността на хидравличната система в зависимост от натоварването чрез сензори. С тях се измерва работното налягане в системата. Въз основа на тези данни автоматично се регулира производителността на хидравличната система в зависимост от натоварването на машината. По този начин, чрез съвременните хидравлични системи с високо налягане и производителност, се увеличава универсалността на пътностроителната машината.

Основни хидравлични компоненти и системи
Основните елементи на хидравличното задвижване на пътностроителните машини са захранващи хидравлични помпи, хидравлични двигатели, контролно-управляващо оборудване - хидравлични разпределители, управляващи устройства, и хидравлични цилиндри.

Всички тези елементи чрез работната течност - хидравлично масло, участват в превръщането на механичната енергия в хидравлична и обратно, в разпределението и насочването є директно към изпълнителните органи на машината. Използват се хидравлични тръбопроводи с външен диаметър от 4-42 mm с дебелина на стената от 1-4 mm с вградени пръстени за комбинация с маркучи за високо налягане. Последните са предназначени за използване като гъвкави свързващи тръби в хидравличните системи на пътностроителните машини. Тъй като се работи с течност и високо налягане в тези системи, голямо значение имат и уплътнителните елементи. От тяхното качество и надеждност зависи ефективността и дълготрайността на хидравличния задвижващ механизъм като цяло.

Хидростатичната трансмисия е затворена хидравлична система, състояща се от една или повече хидравлични помпи и един или повече хидравлични двигатели. Тя е проектирана да предава механичната енергия на въртене от двигателя на машината през помпата към изпълнителния орган-шнек, колело, резервоар, като насочва работния флуид към хидравличен двигател - редуктор, който е безстепенно регулируем по размер и посока. Просто казано, има предаване на енергия от двигателя към колелото, плавно и без рязко дърпане през хидравличната системата „помпа-двигател“.

Тази схема позволява максимално използване на мощността на двигателя за извършване на различни операции и същевременно поддържане на зададена скорост и плавен ход на движение.

Помпи и хидравлични двигатели
При хидростатичните трансмисии се използва налягането на работната течност от помпата, което се превръща в постъпателно-възвратно движение чрез хидравлични цилиндри или в ротационно движение чрез хидравлични двигатели. С многото безспорни предимства на хидравличното задвижване то има един съществен недостатък-зависимостта на работоспособността му от температурата на околната среда. Ниската температура на атмосферния въздух има най-значим ефект върху работоспособността и надеждността на машините с хидравлично задвижване. Причините са увеличаване на вискозитета на студената работна течност, което води до увеличаване на загубата на налягане - хидравлично съпротивление на потока, сили на триене в подвижните съединения. Трудности със стартиране на хидравличното задвижване и продължителния процес на загряване на работната течност до стабилизиране на топлинното състояние на хидравличната система. Ето защо ефективната работа на хидростатичното задвижване на пътностроителните машини работещи на открито, зависи от работоспособността на захранващата хидравлична помпа-основният елемент на хидравличната система, който определя работоспособността на цялата пътностроителна машина.

В пътностроителните машини най-често се използват нерегулируеми и регулируеми аксиално-бутални помпи за задвижване на работните органи и изпълнителни механизми, извършващи енергоемки операции при високо налягане-25-38МРа. По-рядко се използват зъбни помпи, главно за задвижване на спомагателни механизми с периодично действие при средно налягане-16-20 MPa.

В индустриално развитите европейски страни и САЩ се произвеждат над 20 типоразмера нерегулирани-постоянно подаване, и регулирани-променливо подаване, аксиално-бутални хидравлични помпи с наклонен цилиндров блок и над 65 типоразмера от хидравлични помпи с наклонен диск. Съществува тенденция за все по-широко приложение на аксиално-бутални хидравлични машини с наклонен диск с по-широка номенклатура и с по-високи параметри.

Помпите преобразуват механичната енергия на задвижването в енергия на работния течностен поток, а хидравличните двигатели преобразуват енергията на работния течностен поток в механична, като въртят задвижващите валове на механизмите.

Аксиално-буталните помпи и хидравлични двигатели с обемно регулиране и реверсивна посока на работния течностен поток са предназначени за използване в хидростатично предаване със затворен поток. В него работната течност от хидравличния двигател постъпва към смукателната кухина на помпата със захранване от допълнителна зъбна помпа. Последната осигурява захранване на устройствата за хидравлично управление.

Поради неизбежните течове на работна течност в помпата и хидравличния двигател в всмукателната линия се получава по-малко изтичания. Те се отвеждат по оттичащата хидравлична линия в резервоара на хидравличната система. За да се компенсира това явление, се монтира помпа за подхранване. Тя под налягане от 1,0-2,2 MPa подава работната течност в хидравличната линия за ниско налягане. Под влияние на разликата в налягането в работните хидравлични линии на помпата, разпределителният шибър с хидравлично управление се премества в положение, при което линията за ниско налягане се свързва с преливния клапан. По този начин се извършва постоянна обмяна на работната течност в затворен контур и нейното охлаждане.

Предпазните клапани позволяват пропускането на работната течност от хидравличната линия под високо налягане към хидравличната линия за ниско налягане. Намаляват се и динамичните натоварвания по време на ускоряването на работния елемент или на ходовата част на машината. Налягането в подхранващата хидравлична линия се определя от настройката на преливния клапан.

Доколкото обемното регулиране се извършва от работната помпа и хидравличния двигател без загуба на мощност при дроселиране на потока, то е най-ефективно и широко използвано в хидравлични трансмисии със затворен поток. Изходно звено в такава хидравлична трансмисия са аксиално-буталните регулирани или нерегулирани хидравлични двигатели с наклонен цилиндров блок. Те имат КПД с 3-5% по-висок, отколкото КПД на хидравлични машини с наклонен диск и по-малко строги изисквания за филтриране на работната течност.

Агрегатното изпълнение на регулируемата реверсивна помпа с една посока на въртене на вала е следното. Помпата се състои от корпус, заден капак, цилиндров блок, бутала със сферични глави, върху които са завалцувани хидростатично балансирани опорни лагери. Задвижващият вал е монтиран на две опори - единият край в корпуса на помпата върху сачмен лагер, другият край на вала в капака на корпуса върху два ролкови лагера.

При въртене на цилиндровия блок от задвижвания вал всяко бутало изпълнява един двоен ход - изсмукване и нагнетяване. Сферичните лагери се плъзгат върху повърхността на опорния диск, монтиран върху друг наклонен диск. Постоянното притискане на буталата със сферични лагери към опорния диск се осигурява от силова пружина. Въртенето на задвижващия вал заедно с цилиндровия блок в опoрния диск се превръща във възвратно-постъпателно движение на буталата. Те последователно осъществяват процес на всмукване през първата половина на завъртане на вала, и нагнетяване в напорния отвор на задния капак на корпуса през отворите в челото на цилиндров блок и каналите на плосък разпределител-през втората половина на въртенето на вала.

В корпуса на помпата е монтирана зъбна помпа за подхранване, която поддържа необходимото налягане на работната течност в циркулационната линия. Тя елиминира кавитацията, осигурява сервоуправление и работоспособно състояние на хидравличната трансмисия със затворен поток през зимата.

Посоката на въртене на помпата - надясно или наляво, е означена със стрелка на корпуса от страната на вала. За отстраняване на вътрешно изтичане на работна течност в резервоара, в корпуса на помпата са предвидени два оттичащи се отвора.

В напорните канали на задния капак са монтирани два предпазни клапана и два подхранващи клапана за високо налягане и преливен клапан за системата на сервоуправление и подхранване на основния поток.

Всички типоразмери на регулираните реверсивни помпи имат изпълнение позволяващо да се регулира подаването на работната течност чрез механично изменение на работния обем - дръжка или тяга, дистанционно-хидравлично, електро-хидравлично, релейно или пропорционално управление. Има изпълнение на помпи с два потока при последователно свързване чрез специален фланец и съединител със задвижване от един вал. При помпата с механичен тип на управление, реверсирането на работния течностен поток се извършва с една дръжка. Контролирането на подаваната работна течност се осъществява чрез завъртане на ос, свързана с наклонен диск. Тя дава възможност за промяна на ъгъла на наклона на диска, съответно увеличаване или намаляване на хода на буталата. По този начин се регулира подаването на работната течност от помпата. Диапазонът на регулиране е пропорционален на честотата на въртене на помпения вал и зависи от ъгъла на наклона на диска-от близо до нула до максималната стойност.

Пропорционалното хидравлично сервоуправление на подаваната течност се осъществява от налягането на подхранващата помпа чрез двойно действащ сервоцилиндър с две центриращи пружини. Създава се пропорционално въздействие с устройството за дистанционно управление-джойстик. Когато на разпределителя, са монтирани пропорционални електромагнити се осигурява пропорционална зависимост на контролния ток от входния сигнал чрез резистор с променливо съпротивление. Така се създава управляващо действие върху шибърен четири-трипозиционен разпределител - 4/3, който осигурява дистанционно управление на сервоцилиндъра. Буталният прът на сервоцилиндъра е свързан към лоста за въртене на наклонения диск. Той променя ъгъла на наклона в зависимост от дебита и посоката на работния течностен поток, влизащ в сервоцилиндъра от разпределителя. По този начин се осигурява дистанционно пропорционално управление на подаваната течност от помпата в зависимост от положението на дръжката на електрическия потенциометър. Предвидено е електрическо контролиращо управление помпата с превключвател „включване и изключване“ чрез двупозиционен разпределител със затворен център без центрираща пружина в сервоцилиндъра. Също и с 4/3-разпределител с отворен център и центрираща пружина, връщаща наклонения диск в нулево положение.

Помпите с еднопоточно или двупоточно изпълнение могат да бъдат снабдени с шлицов или шпонков вал.

Регулируемите реверсивни помпи с наклонен диск имат следните основни параметри. Работен обем от 7,08 до 64,7 cm3. Номинално налягане 21 и 25МРа. Краткосрочно-пиково, налягане-30-35МРа. Честота на въртене-номинална от 3600-340 0min-1, максимална- 3900 -3600min-1, дебит на подаване- от 25 до 232l/min. Консумирана максимална мощност 28-115 kW. Налягането в смукателната линия е равно или по-голямо от 0,08 МРа. При пускане със студено масло-не повече от 0,05 МРа. Максималното допустимо налягане в корпуса на помпата е 0,15 МРа. Оптималният вискозитет на рабтната течност варира между 15-35 mm2/s.

Аксиалнo-буталните помпи имат следните технически характеристики. Висока честота на въртене. Намалени габаритни размери. Приспособеност за инсталиране на втора аксиално-бутална помпа - двупоточен поток и подхранващи зъбни помпи. Вградени предпазни и подхранващи-антикавитационни клапани. Шест вида управление на захранването-ръчно, ръчно със серво управление, автоматично, електрическо-12 или 24V, хидравлично пропорционално и електронно изпълнение. Предпазните клапани, монтирани в корпуса на помпата, могат да се регулират до необходимото налягане за отваряне.

Използването в хидравличната трансмисия на регулируема реверсивна помпа като основна се определя от следните нейни предимства в сравнение с аксиално-буталните помпи с наклонен цилиндров блок. По малка конструкция, и по-ниско специфично тегло-kg/kW, просто свързване на помпите за подхранване и управление с проходен вал. По-прости конструктивни възможности за увеличаване на налягането и ресурса, по-малко инерционна маса на устройствата. Способност за осигуряване подаването на работната течност в съответствие с проектните изисквания на хидравличната система, което значително подобрява експлоатационните свойства на пътностроителните машини.

Хидравлични цилиндри
Хидравличните цилиндри са най-простите хидравлични двигатели с възвратно-постъпателно движение на подвижното звено. Използват се за задвижване на елементи от работното оборудване на пътностроителните машини. Има хидравлични цилиндри с еднопосочно действие - плунжерни, предаващи принудително движение на звеното само в една посока, и с двупосочно действие - принудително движение на подвижното звено в противоположни посоки. Основните елементи на двойнодействащия хидравличен цилиндър са цилиндричният корпус и бутало с прът. Преместващото звено може да бъде корпус или бутален прът.

Най-често срещаните в пътностроителните машини с хидравлично задвижване са хидравличните цилиндри с двойно действие и едностранни пръти. Те са сходни по отношение на конструкцията и принципа на работа и се различават един от друг по диаметъра и хода на буталото. Кухината на хидравличния цилиндър, в която се намира прътът, се нарича прътова, а противоположната - бутална.

Работната течност в буталната и прътовата кухина се подава през щутцер. При подаване на течността под налягане от помпата в буталната кухина буталния прът се изтегля от хидравличния цилиндър, а при подаване на течност в прътовата кухина-навлиза в него. Херметичното разделяне на прътовата и буталната кухина се осигурява чрез уплътнение на буталото. Уплътнението на пръта предотвратява изтичането на работна течност от прътовата кухина.

Отворите в задния край на корпуса и главата на пръта служат за свързване на хидравличния цилиндър посредством шарнири с работните части и носещите конструкции на машината. За да се компенсира неправилното поставяне на съединителните елементи, хидравличните цилиндри се монтират върху сферичните лагери.

Филтрация
Замърсителите са всички вещества в твърда или течна форма, които не са част от хидравличното масло на системата. Има три основни начина за възникване на замърсявания в хидравличната система на строителните машини. Те могат да се появят по време на монтажа на системата, да бъдат генерирани по време на работа на системата или да бъдат погълнати от системата в работни условия. С усъвършенстването на хидравличните системи и компоненти за строителни машини се увеличава значението на техническата поддръжка. Правилната филтрация е, може би, най-лесният и най-ефикасен от гледна точка на цена начин за намаляване на разходите за поддръжка, осигуряване на безпроблемна работа, минимизиране на рисковете за безопасност и намаляване на престоите поради повреди, причинени от замърсители в хидравличната система.

Филтруващи устройства
Установено е, че от 60 до 90% от повредите в хидравличното задвижване се дължи на замърсяване на работната течност - хидравличното масло или от неправилен подбор. Затова трябва правилно да се извършва подборът на хидравлично масло в съответствие с документите на производителя за експлоатация на хидравличното оборудване или с инструкциите за работа на машините. Ако се спазват изискванията за филтриране по ISO 4406, то е възможно експлоатационните разходи да се намалят с 50%.

Основните средства за осигуряване на пречистването на работната течност от механични примеси са филтрите-въздушни с фино пречистване 10 микрометъра, монтирани на резервоара на хидравличната система, напорни и дренажни.

Заменяемите филтърни елементи са изработени от 19 различни материала с фина филтрация от 3 до 250 микрометъра, при дебит на потока от 4 до 1000l/min при номиналeн спад на налягането от 0,001 до 0,25 МРа. Разрешаващо налягане се допуска от 0,3 до 1,0 MPa.

В конструкцията на всички филтри е предвидена възможност за монтаж на индикатори за замърсяване на филтрите - манометри със скала от 0-6 kgf/сm2 или сензори за налягане визуално- диференциални или визуално-електрически за налягане от 0,5-0,8 Мра.

Разпределителни устройства
Хидравличните двигатели се управляват от разпределителни устройства. Те насочват работния течностен поток от помпата през тръбопроводите към работните кухини на хидравличните двигатели. Управляват последователността на тяхното действие и осигуряват оттичането на течността от дренажните кухини към хидравличния резервоар. В допълнение, разпределителителните устройства реверсират-ходообръщат хидравличните двигатели и регулират тяхната скорост.

При хидравличните системи на пътностроителните машини се използват предимно шибърни разпределители. Според броя на свързаните канали, шибърните разпределители се разделят на дву, три- и четиривходови. За управление на двупосочни хидравлични двигатели се използват четиривходови разпределители с четири канала-напор, оттичане и два работни отвора. Според броя на фиксираните положения на шибъра-работните позиции-се разграничават три- и четирипозиционни разпределители. Позициите на шибърния трипозиционен разпределител, са два работни и един неутрален, а с четири позиции- два работни, един неутрален и един плаващ.

Трипозиционният четириканален разпределител контролира подаването на работната течност към механизма на хидравличния цилиндър-например, повдигане на стрела. С негова помощ последователно може да се свърже напорната и оттичащата линия с тръбопровода, като по този начин се променя посоката на движение на буталните пръти в хидравличните цилиндри. В неутрално положение на шибъра се спират буталните пръти в хидравличните цилиндри и свързаната с тях „стрела“ на пътностроителна машина във всяко положение. Затварят се входовете на двата тръбопровода. При затваряне на линията разпределителят свързва напорната и оттичащата линия и осигурява разтоварване на непрекъснато работещата помпа.

Четирипозиционният разпределител осигурява четвъртото – плаващо, положение на буталния прът в хидравличния цилиндър. В плаващо положение, шибъра изолира от напорната линия двете кухини на хидравличния цилиндър и ги свързва с оттичащата линия. В резултат се пoлучава свободно преместване на буталния прът под действието на външното натоварване.

В някои пътностроителни машини за промяна на посоката на движение и регулиране скоростта на работните органи, се използва трипозиционния шестканален и по-малко четирипозиционния четириканален разпределител. Получава се „плаваща“ позиция. Основните параметри на разпределителите са номинален дебит-от 35 до 1200l/min и максималното налягане-35 MPa. Съвременните хидравлични разпределители участващи в хидравличното задвижване на пътностроителните машини със системата „Load Sensing“-LS, осигуряват бързо и точно регулиране на дебита на работната течност, независимо от външното натоварване. Намаляват се загубите на налягане, отделяне на топлина и реализиране на значителни икономии на енергия, за разлика от конвенционалните хидравлични системи.