Гидравлическая система преобразует механическую энергию в энергию жидкости, а затем преобразует эту энергию жидкости обратно в силу или движение. Такое сочетание компактных компонентов и высокой выходной силы делает гидравлику широко распространенной впромышленные прессы, станки, строительное и сельскохозяйственное оборудование, подъемные системы и мобильная техника.
Понимание системы требует большего, чем просто знание того, что насос перекачивает масло. Давление развивается в ответ на сопротивление, расход регулирует скорость привода, клапаны направляют и регулируют энергию, а состояние жидкости влияет на надежность. В этом руководстве объясняются эти взаимосвязи и следует система из закона Паскаля посредством работы схемы, определения размеров, обслуживания и устранения неполадок.
Закон Паскаля и передача силы
Гидравлическая сила основана на законе Паскаля: давление, приложенное к замкнутой жидкости, передается одинаково во всех направлениях.
Гидравлическое давление составляет:
Давление=Сила ÷ Площадь
или:
P = F ÷ A
В обычных единицах измерения США:
P= давление в фунтах на квадратный дюйм (psi)
F= сила в фунтах-сила (фунт-сила)
A= площадь в квадратных дюймах (in²)
Перестановка формулы дает:
F = P × A
Это соотношение объясняет умножение гидравлической силы. Рассмотрим два соединенных цилиндра. Маленький поршень имеет площадь 1 кв. дюйм, а поршень большего размера — 10 кв. дюйм. Если оператор прикладывает усилие 10 фунтов силы к маленькому поршню:
P=10 фунт-сила ÷ 1 кв. дюйм=10 фунтов на квадратный дюйм
На больший поршень также действует давление примерно 10 фунтов на квадратный дюйм, создавая теоретическую силу:
F=10 фунтов на квадратный дюйм × 10²²=100 фунтов силы
Выходная мощность в десять раз превышает входную, поскольку площадь поршня в десять раз больше.
Реальные системы не являются эффективными на 100 процентов. Трение уплотнений, внутренние утечки, потери через клапаны и шланги, а также механическое трение уменьшают имеющуюся силу. При 90-процентном комбинированном гидравлическом и механическом КПД:
Фактическая сила=100 фунт-сила × 0.90=90 фунт-сила
Тот же метод применим к промышленному и мобильному оборудованию. Цилиндр с эффективной площадью 20 кв. дюймов при измеренном давлении 2500 фунтов на квадратный дюйм производит:
Теоретическая сила=2,500 × 20=50,000 фунтов-силы
При расчетной эффективности 92 процента:
Полезная сила ≈ 46 000 фунтов силы
Когда эффективная площадь поршня известна, показания-манометра могут дать приблизительную силу в цилиндре.
Давление и расход связаны, но не взаимозаменяемы. Давление определяет доступную силу или крутящий момент, тогда как расход главным образом определяет скорость привода.
Основные гидравлические компоненты
Каждый компонент играет определенную роль в выработке, контроле или использовании гидравлической энергии.
Гидравлические насосы
Насос производит поток. Давление возникает, когда поток встречает сопротивление.
| Тип насоса | Типичные характеристики | Общие приложения |
|---|---|---|
| Шестеренчатый насос | Простой, экономичный, прочный, фиксированного рабочего объема. | Мобильное оборудование, смазка, общая гидравлика |
| Лопастной насос | Плавный поток, относительно тихий, хорошая эффективность | Промышленное оборудование, системы среднего-давления |
| Поршневой насос | Доступны высокое давление, высокая эффективность, переменный рабочий объем. | Тяжелое оборудование, прессы, прецизионные системы |
Насос фиксированного-производительности подает примерно одинаковый объем при каждом обороте и подходит для систем с относительно постоянным потреблением.
Насос переменного-производительности меняет свою производительность по мере изменения спроса. Его часто используют там, где важны энергоэффективность, точное управление или изменяющиеся требования к приводу.
При выборе насоса следует учитывать рабочий объем, номинальное давление, максимальную скорость, требуемый расход в галлонах в минуту, объемный КПД, совместимость жидкостей и способ монтажа.
водохранилище
Резервуар сохраняет жидкость и дает время пузырькам воздуха отделиться, загрязнениям время оседать и нагревать путь для рассеивания. Хорошо спроектированный резервуар-может включать в себя:
Заправочные и вентиляционные фильтры
Диффузоры обратной-линии
Всасывающие фильтры, где это необходимо
Индикаторы уровня и температуры
Внутренние перегородки
Доступ к сливу и очистке
Передвижному оборудованию может потребоваться компактный резервуар под давлением или специальные перегородки, поскольку оно работает на склонах и в условиях вибрации.
Гидравлические клапаны
Клапаны контролируют, куда направляется гидравлическая энергия и как реагирует привод.
| Тип клапана | Основная функция |
|---|---|
| Предохранительный клапан | Ограничивает максимальное давление в системе |
| Распределительный клапан | Устанавливает направление привода |
| Клапан регулирования расхода | Управляет скоростью привода |
| Обратный клапан | Позволяет потоку в одном направлении |
| Редукционный-клапан давления | Поддерживает более низкое давление в ответвленном контуре |
| Клапан последовательности | Запускает вторую операцию после порогового значения давления. |
Предохранительный клапан защищает насосы, шланги, цилиндры и другие компоненты от избыточного давления.
Приводы
Гидравлические приводы преобразуют энергию жидкости в механическую мощность. Агидравлический цилиндрсоздает линейное движение, поскольку давление действует на область поршня. Гидравлический двигатель создает вращательное движение: поток влияет на скорость вращения, а перепад давления определяет доступный крутящий момент.
Уплотнения должны соответствовать химическому составу жидкости, давлению, скорости и температуре. Нитриловый каучук часто используется в системах минерального-масла. FKM часто используется при более высоких температурах или в химически сложных условиях, тогда как элементы на основе PTFE- могут подойти для применений, требующих низкого трения или более широкой химической совместимости. Проверьте конечный материал на соответствие фактической жидкости и условиям эксплуатации.
Типичная гидравлическая схема
Базовую промышленную схему можно представить как:
1. Запуск
Электродвигатель или двигатель запускает насос. Насос забирает жидкость из резервуара и подает ее в напорную линию.
Когда распределительный клапан находится в открытом-центральном или разгрузочном положении, поток может вернуться в резервуар при относительно низком давлении. Полезные точки мониторинга включают давление на выходе насоса, расход в основной-линии, температуру резервуара и дифференциальное давление-обратного фильтра.
2. Развитие давления
Когда распределительный клапан направляет поток на привод, сопротивление увеличивается. Давление повышается ровно настолько, чтобы преодолеть внешнюю нагрузку и внутренние потери.
Например, если цилиндру требуется давление 1800 фунтов на квадратный дюйм для перемещения груза, давление может подняться с низкого уровня ожидания примерно до 1800 фунтов на квадратный дюйм плюс потери в контуре.
3. Удлинитель цилиндра
Направляющий клапан направляет поток насоса в крышку цилиндра. Масло, выходящее из штокового конца, возвращается через клапан в резервуар, и цилиндр расширяется. Клапан управления потоком-может ограничивать поток для установки скорости выдвижения.
4. Конец хода и ограничение давления.
Когда цилиндр достигает конца своего хода, он перестает двигаться. Если насос продолжает подавать поток, давление быстро возрастает.
При достижении заданного давления предохранительный клапан открывается и направляет избыточный поток в резервуар. Это предотвращает превышение системой безопасного предела давления. Непрерывная работа предохранительного клапана приводит к потере энергии и выделению значительного количества тепла.
5. Втягивание
Направляющий клапан меняет направление, направляя масло под давлением на сторону штока, а масло со стороны крышки возвращается в бак.
Шток уменьшает эффективную площадь поршня во время втягивания, поэтому обычный цилиндр с одним-штоком создает меньшую силу втягивания при том же давлении. При том же входном потоке он также может втягиваться быстрее.
6. Разгрузка и остановка
После операции цепь возвращается в нейтральное положение. В зависимости от конструкции насос может разгрузиться, выйти из строя или остановиться.
Перед техническим обслуживанием сбросьте накопленное давление в соответствии с процедурами блокировки/маркировки и сброса давления, установленными производителем машины.
Электрогидравлические системы позволяют техническим специалистам сравнивать электрическую команду с гидравлической реакцией. Осциллограф или диагностический интерфейс могут подтвердить команду, отправленную на соленоид или пропорциональный клапан, а датчики и расходомеры покажут, что произошло в цепи.
Если ПЛК отправляет команду клапану, но давление не меняется, проверьте соленоид, движение золотника, контур управления и подачу гидравлической жидкости. Если команды нет, начните с контроллера, датчика, проводки или блокировки.
Гидравлическая жидкость, потеря давления и техническое обслуживание
Гидравлическая жидкость передает мощность, смазывает компоненты, отводит тепло, транспортирует загрязнения к фильтрам и защищает поверхности от износа и коррозии.
Минеральные гидравлические масла обычно обозначаются классами вязкости ISO, такими как ISO VG 32, 46 и 68. Правильный класс зависит от требований насоса и рабочей температуры.
Холодное масло становится более вязким. Если он слишком толстый, система может столкнуться с трудностями при запуске, высокими потерями на всасывании, медленной реакцией привода, кавитацией или обходом фильтра.
Высокая температура снижает вязкость и может увеличить внутренние утечки, ослабить смазочную пленку, ускорить окисление и повредить уплотнения.
Для оборудования, работающего в холодном северном климате США, может потребоваться жидкость с более низкой-вязкостью или жидкость с высоким индексом вязкости. Для оборудования, непрерывно работающего в жарком южном климате, может потребоваться более высокая термическая стабильность или более высокий класс рабочей-вязкости. Перед заменой масла проверьте допустимый диапазон вязкости, указанный производителем насоса.
Потеря давления в контуре
Жидкость теряет давление при прохождении через шланги, трубы, фитинги, фильтры, охладители и клапаны. Потери увеличиваются с увеличением скорости потока, длины трубопровода, вязкости жидкости, ограничений и недостаточного диаметра шланга.
Падение давления быстро возрастает по мере увеличения скорости потока. Поэтому всасывающая, напорная и возвратная линии должны быть рассчитаны на соответствующую скорость, а потери сверяться с данными производителя или расчетами падения гидравлического давления-.
К частым внешним местам утечек относятся соединения шлангов, уплотнения штоков, клапанные блоки, уплотнения вала насоса, фитинги и поврежденные трубки.
Практика технического обслуживания
Практическая программа технического обслуживания должна включать следующие работы:
Во время плановых проверок проверяйте уровень жидкости, температуру, наличие необычного шума и видимых утечек.
Используйте индикаторы ограничения фильтров вместо того, чтобы полагаться только на замену-на основе календаря.
Возьмите пробы масла из одинаковых мест и в одинаковых условиях эксплуатации.
При необходимости проверьте загрязненность частицами, вязкость, содержание воды, окисление и износ металлов.
Исследуйте значительные изменения в количестве частиц вместо простой замены компонентов.
Осмотрите шланги на предмет истирания, растрескивания, вздутий и смещения фитингов.
Подтвердите химическую совместимость при замене жидкости или уплотнений.
Замену масла и фильтров следует производить в соответствии с рекомендациями производителя оборудования, контролем загрязнения, уровнем эксплуатации и результатами-анализа масла, а не с единым универсальным-часовым интервалом эксплуатации.
Гидравлический расчет и контроль
Выбор размера обычно начинается с силы нагрузки и требуемой скорости привода.
Предположим, что машине требуется 30 000 фунтов силы из цилиндра при максимальном рабочем давлении 2500 фунтов на квадратный дюйм. Требуемая площадь поршня составляет:
A = F ÷ P
= 30000 ÷ 2,500=12 дюйм²
Рассчитаем диаметр отверстия:
A = πD² ÷ 4
Поэтому:
D = √(4A ÷ π)
Для площади 12 квадратных метров:
Д ≈ 3,91 дюйма
Стандартное отверстие диаметром 4-дюйма является разумной отправной точкой с учетом коэффициента запаса прочности, трения, номинального давления, монтажных нагрузок и требований к продольному изгибу штока.
Диаметр отверстия диаметром 4 дюйма имеет площадь приблизительно:
= 12.57 дюйм²
При давлении 2500 фунтов на квадратный дюйм его теоретическая сила растяжения составляет:
F=2, 500 × 12,57 ≈ 31 425 фунтов-силы
Если требуемая скорость выдвижения составляет 4 дюйма/с, требуемый расход составит:
Q=Площадь × Скорость
Q=12.57 × 4=50.28 дюйм³/с
В одном галлоне США содержится примерно 231 дюйм³, поэтому:
галлон в минуту=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 галлон в минуту
Насос должен подавать примерно 13,1 галлонов в минуту при требуемом давлении, прежде чем обеспечить эффективность и любую одновременную потребность в потоке.
Настройка предохранительного клапана
Предохранительный клапан должен защищать критический компонент-с наименьшим номиналом, позволяя машине развивать необходимое рабочее усилие.
Не поворачивайте регулировочный винт до тех пор, пока машина не станет работать интенсивнее. Определите расчетное давление, проверьте номинальные характеристики компонентов, подсоедините подходящий калиброванный манометр, нагрузите контур в соответствии с утвержденной процедурой обслуживания и отрегулируйте клапан в соответствии со спецификациями производителя.
Электрогидравлическое управление
В современных системах могут использоваться пропорциональные или сервоклапаны, управляемые ПЛК, контроллером движения или электронным усилителем.
Пропорциональные клапаны обеспечивают переменное регулирование расхода или давления. Сервоклапаны обычно используются, когда требуется очень быстрый и точный отклик, хотя они требуют более чистой жидкости и более сложного управления.
Гидравлика обычно обеспечивает более высокую плотность силы и лучшее удержание нагрузки, чем пневматика. Пневматические системы могут быть чище, проще и экономичнее для высокоскоростной автоматизации с меньшими требованиями к усилию, но сжатый воздух гораздо более сжимаем, чем гидравлическое масло.
Контрольный список устранения неполадок гидравлики
Перед заменой компонентов проведите измерения.
Низкая сила или потеря давления
Проверьте уровень жидкости.
Измерьте давление на выходе насоса.
Подтвердите настройку предохранительного-клапана.
Проверьте, не застрял ли предохранительный клапан в открытом положении.
Выполните проверку потока насоса.
Проверьте цилиндр или двигатель на наличие внутренних утечек.
Осмотрите направляющие клапаны на предмет внутреннего байпаса.
Медленное движение привода
Измерьте фактический расход системы.
Проверьте ограничение фильтра.
Проверьте скорость насоса.
Проверьте настройки-управления потоком.
Проверьте наличие внутренней утечки.
Измерьте падение давления на шлангах и клапанах.
Перегрев
Проверьте, непрерывно ли поток проходит через предохранительный клапан.
Проверьте уровень и вязкость масла.
Проверьте производительность кулера.
Измерьте внутреннюю утечку.
Осмотрите линии или ограничительные клапаны недостаточного размера.
Проверьте эффективность насоса и клапана.
Шум или кавитация
Проверьте уровень резервуара.
Осмотрите всасывающие шланги на наличие засоров и утечек воздуха.
Проверьте вязкость масла при запуске.
Проверьте сетчатый фильтр всасывания.
Проверьте давление на входе насоса.
Ищите пенящееся или аэрированное масло.
Использование манометров, датчиков температуры и расходомеров в логической последовательности обычно позволяет выявить неисправность быстрее, чем замена насоса или клапана только на основании симптомов.
Инженерная и системная поддержка
Калькулятор размеров насоса и цилиндра с проработанными примерами, полный пакет САПР гидравлических схем и структурированная оценка производительности могут помочь команде инженеров или специалистов по техническому обслуживанию оценить существующую или предлагаемую установку.
Типичные результаты инженерного проектирования включают испытания под нагрузкой и давлением, отбор проб масла, анализ загрязнений, проверку размеров компонентов,-оптимизацию схемы и проверку системы на основе применимых стандартов ISO 4413 и SAE.
На коммерческом веб-сайте дайте инженерам три прямых пути: загрузить калькулятор размеров, запросить чертежи цепей или запланировать оценку оборудования через форму, по телефону или у местного дистрибьютора. Укажите ожидаемое время ответа и укажите, какие файлы или отчеты о тестировании получит клиент.
Часто задаваемые вопросы
Как закон Паскаля умножает силу и как она рассчитывается в фунтах на квадратный дюйм и в²?
Давление, приложенное к замкнутой гидравлической жидкости, передается по всей жидкости. ИспользоватьP = F ÷ Aрассчитать давление иF = P × Aдля расчета выходной силы. Приложение силы 10 фунтов силы к поршню площадью 1 дюйм² создает давление 10 фунтов на квадратный дюйм. Это давление, действующее на поршень площадью 10 дюймов², теоретически создает 100 фунтов силы.
В чем разница между шестеренчатыми, лопастными и поршневыми насосами?
Шестеренчатые насосы надежны, экономичны и широко используются в системах с фиксированной-подачей. В промышленных системах лопастные насосы обычно работают более плавно и тихо. Поршневые насосы обеспечивают высокое давление и эффективность и часто используются там, где требуется переменный объем или более совершенный контроль.
Как работает типичная гидравлическая схема?
Насос всасывает масло из резервуара, а направляющий клапан направляет поток к приводу. Давление повышается в ответ на нагрузку, когда цилиндр выдвигается или втягивается. Предохранительный клапан ограничивает избыточное давление. После срабатывания клапан возвращается в нейтральное положение и насос разгружается, выключается или останавливается в соответствии с проектом схемы.
Как выбрать гидравлическую жидкость?
Начните с требований производителя оборудования к вязкости. Затем учтите минимальную температуру запуска, нормальную рабочую температуру, индекс вязкости, требования к противо-износу, стойкость к окислению, воздействие воды, совместимость уплотнений и условия окружающей среды. Одного класса вязкости ISO недостаточно.
Каковы наиболее распространенные неисправности гидравлической системы?
Общие проблемы включают перегрев, кавитацию, чрезмерный шум, медленное движение привода, неспособность создать давление, внутренние или внешние утечки, загрязненное масло и неисправности клапанов. Устранение неполадок начните с измерений состояния жидкости, давления, расхода и температуры.
Как подобрать насос и цилиндр по силе и скорости?
Вычислите площадь цилиндра с помощьюA = F ÷ P, затем преобразуйте эту площадь в диаметр отверстия, используяD = √(4A ÷ π). После выбора цилиндра рассчитайте расход, необходимый для заданной скорости:
GPM=Площадь (дюйм²) × Скорость (дюйм/с) × 60 ÷ 231
Прежде чем выбирать насос и цилиндр, учтите эффективность, рабочий цикл, одновременную нагрузку привода, потерю давления, номинальные характеристики компонентов и соответствующий запас прочности.