Гидравлическая машина: устройство, схема, принцип действия, применение

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:

1. Объемные - рабочий процесс происходит периодически при изменении объема рабочей камеры.
2. 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

1. Поток жидкости поступает во всасывающую полость насоса.
2. За счет вращения лопастного колеса жидкости сообщается кинетическая энергия.
3. Под действием центробежной силы жидкость движется к выходу из насоса, повышая давление.
4. На выходе из насоса давление и скорость потока максимальны.

Принцип работы поршневых насосов

1. При движении поршня вниз объем рабочей камеры увеличивается, происходит всасывание жидкости через впускной клапан.
2. Затем поршень движется вверх, объем уменьшается, давление и скорость потока возрастают.
3. 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.