Гидравлические машины - это устройства, предназначенные для преобразования механической энергии жидкости в механическую энергию вращения вала (гидравлические двигатели) или наоборот (гидравлические насосы). Они широко используются в промышленности, строительстве, на транспорте.
Определение и классификация гидравлических машин
Согласно определению, гидравлические машины - это энергетические машины, осуществляющие передачу механической энергии от жидкости к движущемуся твердому телу или от движущегося твердого тела к жидкости.
Различают два основных класса гидравлических машин:
- Гидравлические насосы - машины, передающие механическую энергию от привода к жидкости.
- Гидравлические двигатели (гидродвигатели) - машины, передающие механическую энергию от жидкости к выходному валу.
По принципу действия гидравлические насосы делятся на:
- Объемные - рабочий процесс происходит периодически при изменении объема рабочей камеры.
- Динамические - рабочий процесс происходит непрерывно за счет сообщения жидкости кинетической энергии.
Среди гидравлических двигателей различают:
- Активные гидродвигатели - используют кинетическую энергию струй жидкости.
- Реактивные гидродвигатели - используют потенциальную энергию жидкости под давлением.
Устройство наиболее распространенных гидравлических машин
Рассмотрим конструкцию наиболее часто применяемых на практике гидравлических машин.
Лопастные насосы
В лопастных насосах рабочим органом является вращающееся колесо с закрепленными на нем лопастями. Различают центробежные и осевые насосы.
В центробежных насосах жидкость движется от оси вращения колеса к периферии под действием центробежной силы. Осевые насосы обеспечивают движение жидкости только вдоль оси вращения колеса.
Поршневые насосы
В этих насосах вытеснение жидкости из рабочей камеры происходит движущимся поршнем или мембраной. Различают поршневые, мембранные и плунжерные насосы. Поршневые насосы наиболее распространены.
Шестеренные насосы
В шестеренных насосах два зацепленных колеса с зубчатым профилем вращаются в корпусе, разделяя его полость на зоны всасывания и нагнетания. Простота конструкции - их главное преимущество.
Пластинчатые гидромашины
Это объемные гидромашины роторного типа. Рабочими органами являются пластины, которые совершают возвратно-поступательные движения в пазах ротора, вытесняя или всасывая жидкость.
Гидротурбины
В гидротурбинах поток жидкости вращает лопастное колесо, отдавая ему свою кинетическую или потенциальную энергию. Различают радиально-осевые, поворотно-лопастные, диагональные и ковшовые гидротурбины.
Принцип работы гидравлических машин
Рассмотрим последовательность процессов, происходящих при работе различных типов гидромашин.
Принцип работы лопастных насосов
- Поток жидкости поступает во всасывающую полость насоса.
- За счет вращения лопастного колеса жидкости сообщается кинетическая энергия.
- Под действием центробежной силы жидкость движется к выходу из насоса, повышая давление.
- На выходе из насоса давление и скорость потока максимальны.
Принцип работы поршневых насосов
- При движении поршня вниз объем рабочей камеры увеличивается, происходит всасывание жидкости через впускной клапан.
- Затем поршень движется вверх, объем уменьшается, давление и скорость потока возрастают.
- Под действием давления жидкость вытесняется через выпускной клапан наружу.
Аналогично работают плунжерные и мембранные насосы. В шестеренных и пластинчатых насосах принцип действия сходный.
В гидротурбинах происходит обратный процесс - поток жидкости вращает рабочее колесо, передавая ему часть своей энергии.
Таким образом, в гидравлических машинах происходит взаимное преобразование механической энергии жидкостного потока и вращательного движения ротора.
Области применения гидравлических машин
Гидравлические машины находят широкое применение в различных областях.
В строительстве и машиностроении
В строительной и горнодобывающей технике используются гидроприводы - системы, в которых гидронасос преобразует механическую энергию вращения вала двигателя в энергию жидкости. Эта энергия передается по трубопроводам к гидродвигателям, приводящим в действие механизмы машин - ковши экскаваторов, буры и молотки бурильных установок.
Главные преимущества гидроприводов - высокая удельная мощность, быстродействие, надежная защита от перегрузок, универсальность.
Объемные гидронасосы и гидродвигатели широко используются в гидравлических прессах, домкратах, подъемных механизмах.
В водоснабжении
Для перекачки воды на водопроводных и ирригационных системах, в дренажных и водоотливных установках используются насосы центробежного и осевого типа высокой производительности.
В нефтяной и газовой отрасли
Для перекачки нефти, нефтепродуктов, сжиженного газа по трубопроводам служат шестеренные, винтовые и поршневые насосы, устойчивые к воздействию перекачиваемых сред.
На гидроэлектростанциях
Гидротурбины - основное энергетическое оборудование ГЭС. Кинетическая и потенциальная энергия воды вращает турбину, соединенную с электрогенератором.
Достоинства и недостатки гидравлических машин
Рассмотрим основные преимущества и недостатки гидромашин.
Высокая мощность на единицу веса
Одно из главных преимуществ гидравлических машин - возможность передавать и преобразовывать большую мощность при относительно небольших габаритах и весе. Это обусловлено высокой плотностью энергии жидкости.
Например, гидропривод экскаватора весом 300 кг способен развивать мощность до 1000 л.с., в то время как электродвигатель такой же мощности имел бы массу около 15 тонн.
Высокая скорость работы
Гидравлические машины отличаются высоким быстродействием - от сотых долей секунды до нескольких секунд требуется для пуска, реверсирования или полной остановки гидропривода.
Это позволяет использовать их в высокодинамичных системах управления строительной и дорожной техники, станков с ЧПУ.
Надежная защита от перегрузок
В гидросистемах используются предохранительные клапаны, срабатывающие при превышении давления свыше допустимого уровня. Это позволяет защитить как гидрооборудование, так и все механизмы от поломок.
Универсальность
К гидронасосам и гидромоторам можно подсоединять сменное навесное оборудование - ковши, буры, гидромолоты. Это позволяет использовать один и тот же гидропривод в различных операциях.
Низкий КПД на больших расстояниях
Существенным недостатком является снижение КПД гидросистемы при увеличении длины трубопроводов из-за гидравлических потерь. Поэтому для передачи энергии на расстояния свыше 10-20 метров обычно используют электропривод.
Будущее гидравлических машин
Несмотря на достигнутые успехи в разработке и применении гидравлических машин, инженеры продолжают работать над улучшением их характеристик и расширением областей использования.
Новые области применения
Перспективным направлением является использование гидроприводов в робототехнике, где требуются компактные, быстродействующие и энергоемкие приводы конечностей и манипуляторов.
Другое многообещающее направление - применение гидромашин в возобновляемой энергетике, например в ветро- и приливных электростанциях.
Интеграция с другими системами
Актуальной задачей является комплексирование гидроприводов с системами электронного управления, регулирования и диагностики, что повышает их надежность и эффективность.
Повышение энергоэффективности
Ведутся работы по уменьшению внутренних потерь энергии в гидравлических машинах, оптимизации их рабочих процессов, повышению КПД.
Это позволит снизить энергопотребление гидроприводов и расход рабочей жидкости.
Разработка гибридных приводов
Перспективным решением являются гидро-электрические трансмиссии, объединяющие преимущества гидравлического и электрического привода. Такие гибридные силовые установки могут заменить традиционные ДВС и КПП в автомобилях и спецтехнике.