История развития гидравлического двигателя

Содержание

1. Введение
2. История развития гидромеханики
3. Гидравлический двигатель
4. Гидромотор
5. Гидроцилиндр
6. Поворотный гидродвигатель
7. Гидравлический привод
8. Заключение
9. Вопросы
10. Источники

Введение

Техническим приложением гидромеханики является наука гидравлика.

Гидравлика — это наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих законов к решению конкретных технических задач. С гидравликой связаны отрасли науки и техники, занимающиеся созданием, исследованием и использованием различных гидравлических машин: насосов, турбин, гидропередач и гидропривода. Часто описание теории этих машин, их устройства и принципов работы объединяют в одном учебном предмете «Гидравлика и гидравлические машины».

Слово гидравлика произошло от греческого hydro (вода) и aulos (трубка). В настоящее время это понятие значительно расширилось: гидравлика занимается изучением любой жидкости, движущейся не только в трубах.

В начале своего развития гидравлика представляла собой теоретическую науку — математическую механику жидкости или гидромеханику. Используя сложный математический аппарат и принимая некоторые допущения в отношении физических свойств жидкости, эта наука рассматривает движение жидкости по упрощенным схемам. Но методы математической гидромеханики не дали возможности решить целый ряд практических задач. В связи с этим стала развиваться практическая наука — техническая механика жидкости, решающая инженерные задачи методом упрощения гидравлических явлений, но с введением в теоретические уравнения поправочных коэффициентов, полученных в результате эксперимента.

В настоящее время приходится сталкиваться с задачами, при решении которых одновременно используются методы теоретической и технической гидромеханики. Поэтому различие в методах этих двух ветвей одной и той же науки постепенно исчезает. Современная гидравлика представляет собой самостоятельную, сформировавшуюся отрасль знаний, находящую применение в различных областях техники. 

История развития гидромеханики

Жизнь и деятельность человека во все времена были неразрывно связаны с водой. Еще в глубокой древности люди использовали реки и моря как пути сообщения и занимались орошением земель. Много лет назад в Средней Азии и Китае, Египте и Месопотамии, Риме и Греции были созданы различные гидротехнические сооружения для подъема и подачи воды: каналы и плотины, водоводы и акведуки. Во времена Траяна в Риме было 9 водопроводов общей длиной 436 км. Однако каких-либо сведений о гидравлических расчетах этих сооружений не найдено.

Первым научным трудом в области гидравлики принято считать трактат древнегреческого математика и механика Архимеда (ок. 287—212 до н. э.) «О плавающих телах», написанный примерно за 250 лет до н. э. Архимедом открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость, который затем лег в основу теории плавания кораблей и их остойчивости.

Дальнейшее развитие гидравлика получила в XIV—XVII веках. Широко известны труды гениального итальянского ученого Леонардо да Винчи (1452—1519). Он изучал механизм движения жидкости в реках и каналах, процесс истечения жидкости, занимался постройкой гидротехнических сооружений, установил принцип работы гидравлического пресса, изобрел центробежный насос и многое другое. К этому же периоду относятся работы голландского инженера С. Стевина (1548— 1620); он определил давление жидкости на плоскость и описал гидравлический парадокс.

Итальянский ученый Г. Галилей (1564—1642) систематизировал основные положения гидростатики и впервые указал на зависимость гидравлических сопротивлений от скорости потока жидкости и его плотности, а его соотечественник Э. Торричелли (1608—1647) вывел формулу для расчета скорости истечения жидкости. Важное значение для гидравлики имели работы французского физика и математика Б. Паскаля (1623—1662), открывшего закон о передаче внешнего давления, носящий его имя.

Особо следует отметить работы выдающегося английского физика, математика, механика и астронома И. Ньютона (1643—1727), который впервые ввел понятие вязкости жидкости и установил зависимость между напряжением трения, градиентом скорости и свойствами жидкости; он же заложил основы теории гидродинамического подобия.

Исследования в этот период носили в основном теоретический характер и не были связаны друг с другом. Лишь во второй половине XVIII века труды крупнейших ученых-механиков и математиков, и прежде всего Д. Бернулли и Л. Эйлера, послужили теоретической основой гидромеханики и гидравлики.

Д. Бернулли (1700—1782) вывел основное уравнение движения жидкости. С именем Д. Бернулли связано понятие «гидродинамика»: в 1738 г. он опубликовал свою работу «Гидродинамика» — академический труд, выполненный автором во время работы в Петербурге.

Л. Эйлер (1707—1783)—знаменитый математик, механик, физик и астроном, уроженец Швейцарии. Не найдя на родине условий для научной деятельности, он в 1727 г. переехал в Россию и работал здесь до конца своих дней. Он опубликовал более 800 научных работ, относящихся к разным областям знаний, и создал основополагающий труд «Общие принципы движения жидкости».

Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711—1765), занимаясь общими проблемами физики, уделял большое внимание вопросам движения жидкостей и газов и практическому применению гидравлики, а открытый им закон сохранения массы и энергии лежит в основе современной гидравлики. М. В. Ломоносов поддерживал научные контакты с Л. Эйлером в период работы швейцарского ученого в Петербургской Академии наук.

Вторая половина XVIII и начало XIX века характеризуются ростом промышленного производства и бурным развитием техники. Для решения различного рода инженерных задач в области гидравлики требуются новые научные методы, учитывающие свойства реальной жидкости. Примерно в это время начинается второй период развития гидравлики — превращение ее в прикладную науку.

Большой вклад в становление технической гидромеханики внесли французские ученые А. Пито (1695—1771)—инженер-гидротехник, широко известный изобретением «трубки Пито», А. Шези (1718—1798), который вывел формулу для определения скорости движения жидкости, Ж. Борда (1733—1799), который вывел уравнение для определения потерь напора при резком расширении потока; итальянский профессор Д. Вентури (1746—1822), исследовавший процесс истечения жидкости из насадков; Д. Вейсбах (1806—1871) —крупный немецкий ученый, чьи теоретические и экспериментальные исследования в области движения жидкости не утратили своего значения до настоящего времени; английский ученый О. Рейнольдс (1842—1912), установивший два режима движения жидкости и критерий гидродинамического подобия;

Л. Прандтль (1875—1953), разработавший теорию турбулентных потоков.

Не остались в стороне от развития технической гидравлики и ученые России. Инженерное направление в гидромеханике интенсивно разрабатывалось в стенах Петербургского института путей сообщения, где была создана первая в России гидравлическая лаборатория и плодотворно работала группа ученых под руководством профессора П. П. Мельникова (1804—1880) — почетного члена Петербургской Академии наук, издавшего в 1836 г. первый на русском языке учебник по гидравлике «Основания практической гидравлики...». Выдающийся русский инженер, почетный член Петербургской Академии наук, профессор Н. П. Петров (1836—1920) на основе гипотезы Ньютона о трении в жидкости разработал гидродинамическую теорию смазки машин.

Особенно большой вклад в развитие гидравлики внес Николай Егорович Жуковский (1847—1921)—автор целого ряда работ по технической гидродинамике. Важнейшей его работой, вышедшей в свет в 1899 г., было исследование «О гидравлическом ударе».

В начале XX века в гидравлике стали формироваться различные направления специальных исследований. Характерной особенностью этого периода является проведение коллективных исследований и создание научных школ.

Талантливый . инженер и ученый В. Г. Шухов (1853—1939) разработал методы расчета нефтепроводов и изобрел оригинальное устройство для подъема нефти — эрлифт. Ведущую роль в разработке теории и расчета гидравлических сооружений сыграли работы Н. Н. Павловского (1884—1937).

С первых дней создания Советского государства наступил новый этап в развитии гидравлики в нашей стране. Разработка и осуществление плана ГОЭЛРО, проектирование и строительство крупных гидроэлектростанций потребовали решения целого ряда прикладных задач в области гидравлики, динамики русловых процессов и др. Были созданы специализированные научно-исследовательские и проектные институты, лаборатории при кафедрах некоторых ведущих высших учебных заведений. Ученые проводили исследования и изыскательские работы, необходимые для осуществления проектов строительства каналов им. Москвы, Беломоро-Балтийского, Волго-Донского им. В. И. Ленина, а также сооружения мощных гидроэлектростанций на Волге, Днепре, крупнейших реках Сибири.

Базой развития  гидроэнергетики явилось создание в стране крупного энергетического гидромашиностроения, что позволило планомерно увеличивать единичную мощность гидроагрегатов на строящихся ГЭС. Так, на Волжской ГЭС им. XXII съезда КПСС мощность одной турбины составляет 115 МВт, на Братской— 250 МВт, на Красноярской — 500 МВт, на Саяно-Шушенской — 640 МВт. Не менее значительны достижения гидромашиностроения по разработке насосов высокого давления с большой подачей, объемного гидропривода и гидродинамических передач. 
 

Гидравлический двигатель

Гидравлический двигатель, машина, преобразующая энергию потока жидкости в механическую энергию ведомого звена (вала, штока). По принципу действия различают гидравлические двигатели, в которых ведомое звено перемещается вследствие изменения момента количества движения потока жидкости (гидротурбина, водяное колесо), и объёмные гидравлические двигатели, действующие от гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей (под вытеснителем понимается рабочий орган, непосредственно совершающий работу в результате действия на него давления жидкости, выполненный в виде поршня, пластины, зуба шестерни и т.п.). В гидравлических двигателях первого типа ведомое звено совершает только вращательное движение. В объёмных гидравлических двигателях ведомое звено может совершать как ограниченное возвратно-поступательное или возвратно-поворотное движение (гидроцилиндры), так и неограниченное вращательное движение (гидромоторы). Гидроцилиндры подразделяются на силовые и моментные; в силовом гидроцилиндре шток, связанный с поршнем, совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение относительно цилиндра: в моментном гидроцилиндре, называемом также квадрантом, вал совершает возвратно-поворотное движение относительно корпуса на угол, меньший 360°. 

  Гидромоторы разделяются на поршневые, в которых рабочие камеры неподвижны, а вытеснители совершают только возвратно-поступательное движение, и роторные. В роторных гидромоторах рабочие камеры перемещаются, а вытеснители совершают вращательное движение, которое может сочетаться с возвратно-поступательное (кулисные гидромоторы). В зависимости от формы вытеснителей кулисные гидромоторы подразделяют на пластинчатые и роторно-поршневые (радиальные и аксиальные). Наиболее распространены аксиальные роторно-поршневые, в которых давление рабочей жидкости на поршень создаёт на наклонной шайбе реактивное усилие, приводящее во вращение вал. Объёмные гидравлические двигатели применяют в гидроприводе машин. Давление рабочей жидкости достигает 35 Мн/м2 (350 кгс/см2). Гидромоторы изготовляют мощностью до 3000 квт.

Гидромотор

Гидромотор (гидравлический мотор) — гидравлический двигатель, предназначенный для сообщения выходному звену вращательного движения на неограниченный угол поворота.

Конструкция и принцип работы

Конструкции гидромоторов аналогичны конструкциям соответствующих насосов. Некоторые конструктивные отличия связаны с обратным потоком мощности через гидромашину, работающую в режиме гидромотора. В отличие от насосов, в гидромоторе на вход подаётся рабочая жидкость под давлением, а на выходе снимается с вала крутящий момент.

Наибольшее распространение получили шестерённые, пластинчатые, аксиально-плунжерные и радиально-плунжерныегидромоторы.

Управление движением вала гидромотора осуществляется с помощью гидрораспределителя, либо с помощью средств регулирования гидропривода.

Область применения

Аксиально-плунжерные гидромоторы используются в тех случаях, когда необходимо получить высокие скорости вращения вала, а радиально-плунжерные — когда необходимы небольшие скорости вращения при большом создаваемом моменте вращения. Например, поворот башни некоторых автомобильных кранов осуществляют радиально-плунжерные гидромоторы. В станочных гидроприводах широко распространены пластинчатые гидромоторы. Шестерённые гидромоторы используются в несложных гидросистемах с невысокими требованиями к неравномерности вращения вала гидромотора.

Гидромоторы широко применялись в авиации разработки СССР, в виде двухканальных гидроприводов закрылков и перекладки крыла, а также ряде вспомогательных систем, ввиду их небольших габаритов и большой мощности.

Преимущества

Гидромоторы применяются в технике значительно реже электромоторов, однако в ряде случаев они имеют существенные преимущества перед последними. Гидромоторы меньше в среднем в 3 раза по размерам и в 15 раз[1] по массе, чем электромоторы соответствующей мощности. Диапазон регулирования частоты вращения гидромотора существенно шире: например, он может составлять от 2500 об/мин до 30-40 об/мин, а в некоторых случаях, у гидромоторов специального исполнения, доходит до 1-4 об/мин и меньше[2]. Время запуска и разгона гидромотора составляет доли секунды, что для электромоторов большой мощности (несколько киловатт) недостижимо. Для гидромотора не представляют опасности частые включения-выключения, остановки и реверс. Закон движения вала гидромотора может легко изменяться путём использования средств регулирования гидропривода.

Недостатки

К недостаткам гидромотора относятся:

• утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления в гидросистеме, что требует высокой точности изготовления деталей гидрооборудования;

• нагрев рабочей жидкости при работе, что приводит к уменьшению вязкости рабочей жидкости и увеличению утечек, поэтому в ряде случаев необходимо применение специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты;

• более низкий КПД чем у сопоставимых механических передач;

• необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости, поскольку наличие большого количества абразивных частиц в рабочей жидкости приводит к быстрому износу деталей гидрооборудования, увеличению зазоров и утечек через них, и, как следствие, к снижению объёмного КПД;

• необходимость защиты гидросистемы от проникновения в неё воздуха, наличие которого приводит к нестабильной работе гидропривода, большим гидравлическим потерям и нагреву рабочей жидкости;

• пожароопасность в случае применения горючих рабочих жидкостей, что налагает ограничения, например, на применение гидропривода в горячих цехах;

• зависимость вязкости рабочей жидкости, а значит и рабочих параметров гидропривода, от температуры окружающей среды;

• в сравнении с пневмо- и электроприводом — невозможность эффективной передачи гидравлической энергии на большие расстояния вследствие больших потерь напора в гидролиниях на единицу длины.

Гидроцилиндр

Гидроцилиндр (гидравлический цилиндр) —объёмный гидродвигатель возвратно-поступательного движения. Принцип действия гидроцилиндров во многом схож с принципом действия пневмоцилиндров.

Виды гидроцилиндров

1. Гидроцилиндры одностороннего действия

Выдвижение штока осуществляется за счёт создания давления рабочей жидкости в поршневой полости, а возврат в исходное положение от усилия пружины.

Усилие, создаваемое гидроцилиндрами данного типа, при прочих равных условиях меньше усилия, создаваемого гидроцилиндрами двустороннего действия, за счёт того, что при прямом ходе штока необходимо преодолевать силу упругости пружины.

Пружина выполняет здесь роль возвратного элемента. В тех случаях, когда возврат производится за счет действия приводимого механизма, другого гидроцилиндра или силы тяжести поднятого груза, гидроцилиндр может не иметь возвратной пружины ввиду отсутствия необходимости.

2. Гидроцилиндры двустороннего действия

Как при прямом, так и при обратном ходе поршня усилие на штоке гидроцилиндра создаётся за счёт создания давления рабочей жидкости соответственно в поршневой и штоковой полости.

Следует иметь в виду, что при прямом ходе поршня усилие на штоке несколько больше, а скорость движения штока меньше, чем при обратном ходе, за счёт разницы в площадях, к которым приложена сила давления рабочей жидкости (эффективной площади поперечного сечения). Такие гидроцилиндры осуществляют, например, подъём-опускание отвала многих бульдозеров.

3. Телескопические гидроцилиндры

Называются так благодаря конструктивному сходству с телескопом или подзорной трубой. Такие гидроцилиндры применяются в том случае, если при небольших размерах самого гидроцилиндра в исходном, т. е. сложенном, состоянии, необходимо обеспечить большой ход штока. Конструктивно представляют собой несколько цилиндров, вставленных друг в друга таким образом, что корпус одного цилиндра является штоком другого. Такие гидроцилиндры имеют исполнение как для одностороннего, так и для двустороннего действия.

Они осуществляют, например, подъём-опускание кузовов во многих самосвалах.

4. Дифференциальные гидроцилиндры

"Обычное" подключение поршневых  гидроцилиндров двустороннего действия  предусматривает поочередное подключение  полостей гидроцилиндра к нагнетательной  и сливной магистралям распределителем 4/2 или 4/3, что обеспечивает движение  поршня за счет разности давлений. Соотношение скоростей движения, а также усилий при прямом  и обратном ходе, различны, и пропорциональны  соотношению площадей поршня. Между  скоростью и усилием устанавливается  зависимость: выше скорость - меньше  усилие, и наоборот.

"Кольцевая", или "дифференциальная" схема подключения. При рабочем  ходе (выдвижении штока) жидкость  от насоса подается в поршневую  полость, вытесняемая-же жидкость из штоковой полости, за счет кольцевого подключения (распределитель 3/2), направляетсяне в гидробак, а подается также в поршневую полость. В результате выдвижение штока происходит намного быстрее, чем в обычной схеме подключения (распределитель 4/2 или 4/3). Обратный ход (втягивание штока) происходит при подаче жидкости только в штоковую полость, поршневая соединена с гидробаком. При использовании гидроцилиндра с соотношением площадей поршня 2:1 (в некоторых источниках именно такие гидроцилиндры называются дифференциальными) такая схема позволяет получить равные скорости и равные усилия прямого и обратного ходов, что для гидроцилиндров с односторонним штоком без регулирования или дополнительных элементов получить невозможно.

Область применения

Гидроцилиндры широко применяют во всех отраслях техники, где используют объёмный гидропривод. Например, в строительно-дорожных, землеройных, подъёмно-транспортных машинах, в авиации и космонавтике, а также в технологическом оборудовании — металлорежущих станках, кузнечно-прессовых машинах.

Управление движением поршня и штока гидроцилиндра осуществляется с помощью гидрораспределителя, либо с помощью средств регулирования гидропривода.

Поворотный гидродвигатель

Поворотный гидродвигатель (неполноповоротный гидромотор, поворотный гидроцилиндр) — гидравлическая машина, предназначенная для преобразования гидравлической энергии в механическую и для сообщения рабочему органу возвратно-вращательного движения на угол, меньший 360°.

Чем больше количество пластин, тем больший момент на валу, но тем меньший угол поворота гидродвигателя, и тем меньшаяугловая скорость вращения.

Максимальный угол поворота гидродвигателя зависит от числа пластин следующим образом: для однопластинчатого он составляет порядка 270°, для двухпластинчатого — около 150°, для трёхпластинчатого — до 70° . Гидродвигатели с числом пластин, большим четырёх, изготавливают редко .

Управление движением вала поворотного гидродвигателя осуществляется с помощью гидрораспределителя, либо с помощью средств регулирования гидропривода.

Поворотные гидродвигатели применяются, например, в механизмах поворота заслонок, во вращающихся упорах и др.

Вследствие того, что трудно обеспечить надёжное уплотнение пластин, пластинчатые поворотные гидродвигатели применяются только при низких давлениях рабочей жидкости .

Помимо пластинчатых поворотных гидродвигателей, применяются кривошипно-шатунные гидравлические поворотные механизмы, а также механизмы с зубчато-реечной передачей.

Гидравлический привод

Гидравлический привод (гидропривод) — совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии.

Гидропривод представляет собой своего рода «гидравлическую вставку» между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача,кривошипно-шатунный механизм и т. д.)

История развития гидропривода

Гидравлические технические устройства известны с глубокой древности. Например, насосы для тушения пожаров существовали ещё во времена Древней Греции[2].

Однако, как целостная система, включающая в себя и насос, и гидродвигатель, и устройства распределения жидкости, гидропривод стал развиваться в последние 200—250 лет.

Одним из первых устройств, ставших прообразом гидропривода, является гидравлический пресс. В 1795 году патент на такое устройство получил Джозеф Брама (англ. Joseph Bramah)[3], которому помогал Генри Модели, и в 1797 году первый в истории гидравлический пресс был построен[4].

В конце XVIII века появились первые грузо-подъёмные устройства с гидравлическим приводом, в которых рабочей жидкостью служила вода. Первый подъёмный кран с гидравлическим приводом был введён в эксплуатацию в Англии в 1846—1847 годах[5], и со второй половины XIX века гидропривод находит широкое применение в грузо-подъёмных машинах.

Создание первых гидродинамических передач связано с развитием в конце XIX века судостроения. В то время в морском флоте стали применять быстроходныепаровые машины. Однако, из-за кавитации, повысить число оборотов гребных винтов не удавалось. Это потребовало применения дополнительных механизмов. Поскольку технологии в то время не позволяли изготавливать высокооборотистые шестерённые передачи, то потребовалось создание принципиально новых передач. Первым таким устройством с относительно высоким КПД явился изобретённый немецким профессором Г. Фётингером гидравлический трансформатор (патент 1902 года)[6], представлявший собой объединённые в одном корпусе насос, турбину и неподвижный реактор. Однако первая применённая на практике конструкция гидродинамической передачи была создана в 1908 году, и имела КПД около 83 %. Позднее гидродинамические передачи нашли применение в автомобилях. Они повышали плавность трогания с места. В 1930 году Гарольд Синклер (англ. Harold Sinclair), работая в компании Даймлер, разработал для автобусов трансмиссию, включающую гидромуфту и планетарную передачу[7]. В 1930-х годах производились первые дизельные локомотивы, использовавшие гидромуфты[8].

В СССР первая гидравлическая муфта была создана в 1929 году.

В 1882 году компания Армстронг Уитворс представила экскаватор, в котором впервые ковш имел гидравлический привод[9]. Один из первых гидрофицированных экскаваторов был произведён французской компанией Poclain в 1951 году. Однако эта машина не могла поворачивать башню на 360 градусов. Первый полноповоротный экскаватор с гидроприводом был представлен этой же фирмой в 1960-м году. В начале 1970-х годов гидрофицированные экскаваторы, обладавшие большей производительностью и простотой управления, в основном, вытеснили с рынка своих предшественников — экскаваторы на канатной тяге[10].

Первый патент, связанный с гидравлическим усилением, был получен Фредериком Ланчестером в Великобритании в 1902 году. Его изобретение представляло собой «усилительный механизм, приводимый посредством гидравлической энергии»[11]. В 1926 году инженер подразделения грузовиков компании Пирс Эрроу (англ. Pierce Arrow) продемонстрировал в компании "Дженерал моторс" гидроусилитель руля с хорошими характеристиками, однако автопроизводитель посчитал, что эти устройства будут слишком дорогими, чтобы выпускать их на рынок[12][13]. Первый предназначенный для коммерческого использования гидроусилитель руля был создан компанией Крайслер в 1951 году, и сейчас большинство новых автомобилей укомплектовывается подобными устройствами.

Фирма Хонда после представления гидростатической трансмиссии в 2001 году для своей модели мотовездехода FourTrax Rubicon, анонсировала в 2005-м году мотоцикл Honda DN-01 с гидростатической трансмиссией, включающей насос и гидромотор. Модель начала продаваться на рынке в 2008 году. Это была первая модель транспортного средства для автодорог, в котором использовалась гидростатическая трансмиссия.