Объяснение 5 основных компонентов гидравлической системы

Пять основных компонентов гидравлической системы: гидравлический насос, привод (цилиндр или двигатель), регулирующие клапаны, резервуар с гидравлической жидкостью, а также гидравлические линии и фитинги. Каждая гидравлическая система — от простого бутылочного домкрата до 500-тонного промышленного пресса — работает по одной и той же пятикомпонентной архитектуре. Каждая часть играет особую, невзаимозаменяемую роль в генерации, направлении, хранении, передаче и преобразовании гидравлической энергии в механическую работу.

В этой статье объясняется, что делает каждый компонент, требования к производительности, предъявляемые к нему, и почему метод производства, в частности ковка, определяет, будет ли гидравлические детали выдерживать давление и циклы реальной работы. Понимание этих компонентов необходимо для всех, кто занимается разработкой, поиском или обслуживанием гидравлических систем в строительстве, производстве, сельском хозяйстве или аэрокосмической отрасли.

Компонент 1: Гидравлический насос

Гидравлический насос является источником энергии системы. Он преобразует механическую энергию — от электродвигателя, двигателя или ручного ввода — в гидравлическую энергию, создавая давление в жидкости и проталкивая ее через систему. Насос не создает давление напрямую; это создает поток. Давление развивается как следствие сопротивления этому потоку вниз по течению.

В гидравлических системах используются три основных типа насосов:

• Шестеренчатые насосы — самый простой и экономичный тип; обычно используется при давлении до 3000 фунтов на квадратный дюйм в передвижном оборудовании, сельскохозяйственной технике и дровоколах.
• Лопастные насосы — более тихая работа и более равномерный поток; используется в промышленном оборудовании и прецизионных системах при давлении до 2500 фунтов на квадратный дюйм.
• Поршневые насосы — самый высокопроизводительный тип; способный выдерживать длительное рабочее давление от 5000 до 10 000 фунтов на квадратный дюйм в требовательных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность, тяжелое строительство и прессы для обработки металлов давлением.

Корпуса насосов и внутренние компоненты относятся к наиболее подверженным нагрузкам гидравлическим частям любой системы. Они должны выдерживать постоянные циклические нагрузки давления, эрозию жидкости и температурные изменения. Кованые корпуса насосов и блоки клапанов являются стандартными для поршневых насосов высокого давления, поскольку зернистая структура, полученная ковкой, обеспечивает превосходную усталостную прочность по сравнению с литыми альтернативами, что критически важно, когда насос может работать миллионы раз в течение своего срока службы.

Ключевые параметры производительности гидравлических насосов

Компонент 2: Привод — цилиндры и гидравлические двигатели.

В приводе гидравлическая энергия преобразуется обратно в механическую работу — это компонент, который фактически выполняет подъем, сжатие, зажим, вращение или толкание. Существует два основных типа приводов:

• Гидроцилиндры (линейные приводы) — преобразовать давление жидкости в прямолинейную силу и движение. Цилиндр, работающий под давлением 3000 фунтов на квадратный дюйм и диаметром цилиндра 4 дюйма, генерирует примерно 37700 фунтов силы — достаточно, чтобы поднять нагруженную ось самосвала. Цилиндры используются в экскаваторах, самосвалах, сельскохозяйственных подъемниках, термопластавтоматах и ​​шасси самолетов.
• Гидравлические моторы (поворотные приводы) — преобразовывать энергию жидкости в непрерывную вращательную мощность. Используется в лебедках, конвейерах, шнеках и колесных приводах погрузчиков с бортовым поворотом и в системах гидравлического привода.

Компоненты гидравлических цилиндров, включая торцевые крышки, сальниковые гайки, головки поршней и цилиндры, являются одними из наиболее часто кованых гидравлических деталей в промышленности. Причина проста: гидравлический цилиндр регулярно испытывает динамические растягивающие и сжимающие напряжения, превышающие 30 000 фунтов на квадратный дюйм при пиковых нагрузках, сочетающихся с боковой нагрузкой от выполняемой работы. Кованые торцевые крышки цилиндров и штоки поршней обеспечивают плотную, бездефектную зеренную структуру, необходимую для противодействия распространению трещин при таких циклических нагрузках — качество, которому не могут надежно соответствовать литые или обработанные детали из заготовок при эквивалентном весе.

Справочник по расчету силы гидравлического цилиндра

Сила, создаваемая гидроцилиндром, рассчитывается как: Сила (фунты) = Давление (фунты на квадратный дюйм) × Площадь поршня (²²) . Цилиндр с диаметром отверстия 6 дюймов при давлении 3000 фунтов на квадратный дюйм создает толкающую силу примерно 84 823 фунта. Вот почему целостность компонентов цилиндра так важна: силы, возникающие в типичной промышленной гидравлике, огромны по сравнению с размером компонента.

Компонент 3: Регулирующие клапаны

Регулирующие клапаны являются управляющим устройством гидравлической системы. Они регулируют направление, давление и скорость потока гидравлической жидкости, определяя, как и когда двигаются приводы, какое усилие прикладывается и как система реагирует на изменения нагрузки. Без регулирующих клапанов гидравлический насос просто проталкивал бы жидкость в одном направлении под неконтролируемым давлением, что делало бы невозможным точную и контролируемую работу.

Три функциональные категории гидравлических регулирующих клапанов:

Распределительные клапаны (DCV)

DCV направляют жидкость к правильной стороне цилиндра или двигателя, чтобы контролировать направление движения — выдвигать или втягивать, по часовой стрелке или против часовой стрелки. Наиболее распространенной конфигурацией является золотниковый клапан 4/3 (4 порта, 3 положения: выдвижение, нейтральное положение, втягивание), используется в стрелах экскаваторов, стрелах погрузчиков и практически в любом строительном оборудовании с множеством гидравлических функций.

Клапаны регулирования давления

Эти клапаны защищают систему от избыточного давления. предохранительный клапан является наиболее важным компонентом безопасности в любом гидравлическом контуре — он открывается, когда давление в системе превышает установленный порог (обычно на 10–15 % выше максимального рабочего давления) и отводит избыток жидкости обратно в резервуар. Без предохранительного клапана блокировка в системе приведет к повышению давления до тех пор, пока линия, фитинг или компонент не разорвется, что может привести к катастрофическому отказу. Редукционные клапаны и клапаны последовательности — это дополнительные типы регулирования давления, используемые в более сложных многоконтурных системах.

Клапаны регулирования расхода

Клапаны регулирования расхода регулируют скорость движения привода, контролируя объем жидкости, поступающей в цилиндр или двигатель или выходящий из него. Игольчатый клапан или пропорциональный клапан регулирования расхода позволяет оператору точно устанавливать скорость хода выдвижения гидравлического цилиндра, что имеет решающее значение в таких приложениях, как прессование, где контроль скорости влияет на качество продукции, а также в кранах и подъемниках, где контролируемая скорость спуска является требованием безопасности.

Корпуса клапанов для направляющих и регулирующих клапанов высокого давления являются одним из наиболее требовательных применений кованых гидравлических деталей. Корпуса клапанов должны сохранять точные допуски на размеры при циклической нагрузке давлением. скачки давления в промышленных гидравлических контурах могут превышать номинальное давление в системе на 200–400 % при быстром срабатывании клапана. (переходные процессы давления). Литые корпуса клапанов, которые содержат микропористость и потенциальные дефекты усадки, гораздо более подвержены возникновению усталостных трещин при таких концентрациях напряжений, чем кованые корпуса клапанов со сплошной зернистой структурой.

Компонент 4: Резервуар для гидравлической жидкости

В резервуаре хранится гидравлическая жидкость, необходимая системе для работы. Это больше, чем простой резервуар — правильно спроектированный резервуар выполняет одновременно четыре функции: хранение жидкости, терморегуляцию, отделение воздуха и загрязнений и стабилизацию давления в системе.

• Хранение жидкости : Большинство водоемов содержат В 2–3 раза превышает скорость потока насоса в минуту. В качестве базовой линии — система с насосом производительностью 20 галлонов в минуту должна иметь резервуар емкостью минимум 40–60 галлонов. Это обеспечивает время выдержки жидкости для высвобождения увлеченного воздуха и осаждения загрязнений.
• Управление температурным режимом : Возвращающаяся жидкость рассеивает тепло через стенки резервуара. В системах, где управление температурным режимом имеет решающее значение, теплообменники (масляные радиаторы) встроены в возвратную линию перед резервуаром.
• Отделение загрязнений : Перегородки внутри резервуара замедляют скорость жидкости и позволяют твердым частицам оседать, а не рециркулировать. Загрязнение гидравлической системы является причиной до 80% отказов гидравлики Согласно отраслевым данным исследовательской группы по гидроэнергетике Parker Hannifin, проектирование резервуара является первой линией защиты.
• Стабилизация давления : Резервуар поддерживает стабильную высоту всасывания насоса при атмосферном или слегка повышенном давлении, предотвращая кавитацию, которая повреждает внутренние части насоса.

Фитинги резервуаров, монтажные фланцы и втулки портов на резервуарах высокого давления часто изготавливаются в виде кованых гидравлических деталей, чтобы выдерживать механические напряжения монтажных соединений, находящихся под давлением, особенно в мобильном оборудовании, где вибрационная нагрузка постоянна.

Компонент 5: Гидравлические линии, шланги и фитинги

Гидравлические линии и фитинги представляют собой систему кровообращения гидравлического контура — они переносят жидкость под давлением между всеми остальными компонентами. По статистике они также являются наиболее распространенным источником отказов гидравлических систем на местах, на их долю приходится большая часть как утечек, так и катастрофических потерь давления.

В гидравлических системах используются три типа проводников:

• Стальные трубы (жесткие линии) — используются для фиксированных, постоянных соединений в контурах высокого давления. Бесшовные стальные трубы, рассчитанные на давление 5 000–10 000 фунтов на квадратный дюйм, являются стандартными в промышленных и аэрокосмических гидравлических системах. Жесткие стропы не изгибаются и не разрушаются при циклическом изменении давления.
• Гидравлический шланг (гибкие линии) — используется там, где компоненты перемещаются относительно друг друга (например, между корпусом трактора и стрелой погрузчика). Шланги с проволочной оплеткой или спиральной намоткой рассчитаны на давление от 3000 до 6000 фунтов на квадратный дюйм в зависимости от конструкции. Шланги имеют ограниченный срок службы — большинство производителей рекомендуют замену каждые 2 года или каждые 2000 часов использования. , в зависимости от того, что наступит раньше.
• Труба (марка 80 или выше) — используется в стационарных промышленных системах для контуров большого диаметра и низкого давления, таких как соединения резервуаров и возвратные линии.

Почему кованые гидравлические фитинги являются отраслевым стандартом

Гидравлические фитинги, включая адаптеры, тройники, коленчатые соединители, блоки коллекторов и заглушки портов, относятся к числу наиболее широко кованых гидравлических деталей, производимых во всем мире. Причины четко установлены и количественно определены:

• Кованые фитинги выдерживают Давление разрыва выше на 20–40 % чем эквивалентные литые фитинги из того же материала, за счет устранения пористости отливки и выравнивания потока зерна с геометрией фитинга.
• В стандартах SAE и ISO, регулирующих гидравлические фитинги для давления выше 3000 фунтов на квадратный дюйм, конкретно упоминается кованая конструкция как требуемый или предпочтительный метод производства.
• Кованые фитинги сохраняют стабильность размеров — форму резьбы и геометрию уплотняющей поверхности — при повторяющихся циклах сборки и разборки лучше, чем альтернативные варианты из литых или механически обработанных заготовок.

Почему ковка является предпочтительным методом производства гидравлических деталей

Гидравлические системы работают в условиях, в которых каждый компонент подвергается экстремальным циклическим нагрузкам. Сочетание высокого рабочего давления (часто от 3000 до 10 000 фунтов на квадратный дюйм), быстрых переходных процессов давления, термоциклирования и вибрации создает требовательную среду, которая различает производимые гидравлические детали по способу их изготовления, а не только по материалу, из которого они изготовлены.

Ковка — это производственный процесс, при котором металлу придают форму сжимающим усилием — ковкой или прессованием — при повышенных температурах. Этот процесс создает мелкозернистую структуру с линиями потока зерен, которые повторяют контур геометрии детали, а не являются случайными (как при литье) или прорезанными (как в обработанной заготовке). В результате получается значительно более прочная и устойчивая к усталости деталь.

Ковка, литье и обработанная заготовка: прямое сравнение

Независимые испытания, проведенные Ассоциацией кузнечной промышленности, подтвердили, что детали из кованой стали демонстрируют до 26% более высокая прочность на растяжение и 37% более высокая усталостная прочность по сравнению с литыми эквивалентами идентичного состава материала. Для гидравлических компонентов, отказ которых измеряется катастрофическими утечками, производственными потерями или инцидентами, связанными с безопасностью, этот запас не является академическим — он является инженерной основой общеотраслевого предпочтения кованых гидравлических деталей в приложениях, работающих под высоким давлением.

Какие гидравлические детали чаще всего куют

Не каждая гидравлическая деталь подлежит или нуждается в ковке. Решение о выборе кованых гидравлических деталей зависит от класса давления, рабочего цикла и последствий отказа. Следующие детали чаще всего производятся ковкой в гидравлической промышленности:

• Корпуса клапанов и блоки коллекторов — Корпуса направляющих, предохранительных и регулирующих клапанов, работающих при давлении выше 3000 фунтов на квадратный дюйм, почти всегда откованы из стали или алюминиевого сплава.
• Торцевые крышки цилиндров и сальниковые гайки — компоненты, которые герметизируют концы гидроцилиндров и удерживают узел уплотнения штока поршня. Они воспринимают как полное давление в системе, так и изгибающие нагрузки от стержня.
• Корпуса насосов и торцевые пластины — особенно для аксиально-поршневых насосов, где целостность корпуса имеет решающее значение для поддержания внутренних зазоров под давлением.
• Гидравлические фитинги и адаптеры — Фитинги JIC, ORFS, BSP и NPT из стали и нержавеющей стали для соединений линий высокого давления производятся в огромных объемах методом штамповки в закрытых штампах.
• Поворотные соединения и поворотные соединения — используется там, где гидравлические линии должны вращаться или шарнирно сочленяться; Корпус кузова должен выдерживать одновременно и давление, и скручивающую нагрузку.
• Корпуса аккумуляторов и торцевые затворы — Гидравлические аккумуляторы хранят энергию жидкости под давлением (до 5000 фунтов на квадратный дюйм) в сосуде под давлением, а кованые корпуса обеспечивают целостность удержания давления, требуемую стандартами ASME и ISO.

Материалы, используемые при ковке гидравлических деталей

Выбор материала для кованых гидравлических деталей зависит от рабочего давления, требований совместимости жидкостей, ограничений по весу и коррозионной среды. Четыре доминирующих материала при ковке гидравлических деталей:

Стальные сплавы доминируют в кованых гидравлических деталях для большинства применений промышленного и мобильного оборудования. из-за сочетания прочности, обрабатываемости и стоимости. Алюминиевые поковки все чаще используются там, где экономия веса оправдывает более высокую стоимость детали, особенно в аэрокосмических гидравлических системах, где каждый фунт веса компонента напрямую влияет на эксплуатационные расходы.

Как пять компонентов работают вместе: системная интеграция

Понимание каждого компонента в отдельности — это только часть картины. Гидравлическая система функционирует как замкнутый контур, в котором все пять компонентов взаимодействуют непрерывно и взаимозависимо. Следующая последовательность описывает полный гидравлический цикл в типичном применении цилиндра двойного действия, например, в гидравлическом прессе или стреле экскаватора:

1. Водохранилище подает чистую гидравлическую жидкость с регулируемой температурой на вход насоса под положительной высотой всасывания.
2. Насос забирает жидкость из резервуара и создает в ней рабочее давление системы — обычно от 1500 до 5000 фунтов на квадратный дюйм в промышленных приложениях — и подает ее в контур регулирующего клапана.
3. Направляющий распределительный клапан получает команду оператора (ручной рычаг, соленоид или электронный сигнал) и направляет жидкость под давлением к одной стороне цилиндра, одновременно открывая обратный путь с другой стороны обратно в резервуар.
4. Клапан сброса давления постоянно контролирует давление в системе. Если сопротивление нагрузки приводит к тому, что давление приближается к пределу системы, предохранительный клапан открывается и перепускает избыточный поток обратно в резервуар, защищая каждый компонент в контуре.
5. Исполнительный механизм (цилиндр) преобразует жидкость под давлением в линейную силу, выполняя желаемую механическую работу — нажатие, подъем, зажим или резку.
6. Возвратная жидкость течет обратно через регулирующий клапан, через фильтр возвратной линии и обратно в резервуар для завершения цикла - часто проходя через теплообменник для удаления тепловой энергии, образующейся из-за неэффективности системы.

Надежность всей этой схемы зависит от целостности каждой отдельной гидравлической части — и, в частности, от способности фитингов, корпусов клапанов, компонентов цилиндров и корпусов насосов сохранять свою размерную и структурную целостность при миллионах циклов давления. Вот почему ковка гидравлических деталей а не отливать их - это не предпочтение, а инженерное требование для любой системы, работающей под давлением выше 3000 фунтов на квадратный дюйм или подвергающейся интенсивному циклическому использованию. Инвестиции в кованые компоненты на начальном этапе исключают гораздо более дорогостоящие отказы на последующих этапах, вызванные усталостным растрескиванием, утечками, вызванными пористостью, и отказами фитингов под давлением.