Bilim.techО проекте

Гидравлический конструктор

Почему стрела стоит, хотя насос качает, и куда девается мощность? Собирай гидросхемы из насоса, клапанов, распределителя, цилиндров и моторов, двигай ручку и смотри, как бежит масло, а в тренировке найди неисправность манометрами.

01 Что это такое

Гидросхема показывает, откуда масло берется, через что проходит и куда возвращается. По ней механик понимает, почему стрела не поднимается и где искать причину.

Насос забирает масло из бака и гонит его в линию давления. Распределитель решает, в какую полость цилиндра или мотора пойдет поток, а предохранительный клапан не дает давлению вырасти выше настройки. Отработавшее масло по линии слива возвращается в бак. Каждый узел на схеме заменен условным знаком по ISO 1219: насос это круг с треугольником, клапан это квадрат с пружиной, распределитель это ряд клеток. Главное правило гидравлики простое: расход задает скорость, а нагрузка задает давление.

Бакоткрыт в атмосферу
Насостреугольник наружу
Регулируемый насоскосая стрелка
Предохрани­тельный клапанпружина и пунктир
Распределитель 4/3три клетки
Гидроцилиндрпоршень и шток
Гидромотортреугольник внутрь
Обратный клапаншарик в седле
Гидрозамокс управлением X
Дроссельсужение потока
Фильтрромб с сеткой
Манометрдавление в точке
Обозначения по ISO 1219 в том виде, как их рисуют на схемах карьерной техники. Как работает каждый узел внутри, показано в теме «Условные обозначения на гидросхеме».
расход
Сколько литров масла проходит за минуту. Его дает насос, и от него зависит скорость штока и обороты мотора.
давление
Сила масла на каждый квадратный сантиметр. Насос не создает давление сам: оно растет, пока масло не сдвинет груз или не откроет клапан.
слив
Линия, по которой масло уходит в бак. Давление в ней близко к нулю. На схеме конструктора слив зеленоватый, линия давления красноватая.
02 Опыт
Ставь узлы. Тяни линии. Двигай ручку. РАБОТАЕТ
ГИДРОПРИВОД

Собери гидросхему и посмотри, куда пойдет масло

Лаборатория
ГОТОВЫЕ СХЕМЫ
Давление насоса
Подача насоса
Уходит в тепло
03 Формулы по буквам

Расход дает скорость, нагрузка дает давление

Почти любую гидросхему можно прикинуть четырьмя формулами: подача насоса, скорость и сила цилиндра, мощность и расход через щель. Числа ниже берутся из схемы, которую ты собрал. Закон Паскаля разобран в теме «Закон Паскаля и гидродомкрат», силы цилиндра в теме «Гидроцилиндр».

Сколько масла дает насос?

Q = q · n

За один оборот вала насос вытесняет свой рабочий объем. Умножь на обороты в минуту и раздели на 1000, получишь литры в минуту. Под давлением часть масла утекает назад через зазоры, поэтому настоящая подача немного меньше. Изношенный насос теряет так до половины подачи.

Q
подача насоса, л/мин
q
рабочий объем, см³ за оборот. У насоса экскаватора 100–250 см³
n
обороты вала, об/мин, обычно как у дизеля: 1500–2000
ηо
объемный КПД: доля масла, которая дошла до линии, 0,9–0,97 у нового насоса

Как быстро и с какой силой поедет шток?

v = Q / A,  p = F / A

Масло несжимаемое: сколько литров вошло в полость, на столько вырос ее объем. Поэтому скорость штока зависит только от расхода и площади поршня. А давление зависит только от груза: насос дожимает масло ровно до F / A, и не больше, пока груз едет.

v
скорость штока, м/с. В единицах конструктора v = Q / (6 · A)
A
площадь поршня, см². A = π · D² / 4, для штоковой полости π · (D² − d²) / 4
F
нагрузка на шток, кН
p
давление в полости, бар. В единицах конструктора p = 100 · F / A

Куда девается мощность насоса?

N = p · Q / 600

Насос отдает маслу мощность, равную давлению, умноженному на расход. Часть ее делает работу: поднимает груз, крутит мотор. Остальное теряется на клапанах, дросселях и щелях распределителя и уходит в тепло. Клапан, который постоянно сливает, превращает в тепло всю мощность насоса.

N
гидравлическая мощность, кВт
p
давление, бар
Q
расход, л/мин
600
перевод единиц: 1 бар · 1 л/мин = 1/600 кВт

Дроссель: почему расход растет как корень из перепада

В узкой щели масло разгоняется. По закону Бернулли перепад давления уходит на скорость струи: Δp = ρ · w² / 2, отсюда w = √(2Δp / ρ). Расход равен скорости, умноженной на площадь щели и на коэффициент μ ≈ 0,65: струя за острой кромкой сужается. Получается Q = μ · f · √(2Δp / ρ). В единицах конструктора, при плотности масла 870 кг/м³, это Q = 0,59 · f · √Δp, где f в мм², Δp в бар, Q в л/мин.

Чтобы пропустить вдвое больше масла через ту же щель, нужен вчетверо больший перепад. Энергия струи потом гасится в вихрях и уходит в тепло. Поэтому дроссель регулирует скорость дешево, но греет масло. Щель распределителя работает так же: чем меньше сдвинута ручка, тем уже щель и медленнее шток. Течение в трубах разобрано в теме «Режимы течения».

щель fp₁p₂Δp = p₁ − p₂ уходит в разгон струии потом в тепло
Перепад на щели дросселя: чем она уже, тем больше теряется давления при том же расходе.
04 Где и зачем это применяют

Гидросхема нужна тем, кто водит, чинит и настраивает технику

Допущения модели+

Масло несжимаемое, плотность 870 кг/м³, линии без сопротивления и без объема. На каждом шаге времени 0,02 с конструктор решает стационарную задачу: ищет давления в узлах, при которых в каждом узле сколько масла втекло, столько и вытекло. Нелинейные элементы (щели, клапаны, предел мощности насоса) решаются методом Ньютона, а состояния «шток на упоре», «замок открыт», «мотор стоит» уточняются повторным расчетом, как реле в конструкторе электросхем. Положения штоков, обороты моторов и объем масла в аккумуляторе меняются между шагами.

Шток и груз без массы, поэтому нет разгона, торможения и гидроудара. Трение в цилиндре вязкое: 5 бар на каждый метр в секунду. Гидромотор тормозит момент сопротивления, как трение, без инерции платформы. Утечки насоса растут пропорционально давлению и при 250 бар равны (1 − ηо) от подачи. Утечки по зазорам золотника приняты 0,01 л/мин на бар, это больше, чем у нового распределителя: так просадку груза видно за секунды, а не за минуты. В распределителе на входе P стоит обратный клапан нагрузки. Предохранительный клапан начинает открываться при давлении настройки и пропускает 200 л/мин при превышении на 4 %. Щели считаются по формуле Q = μ · f · √(2Δp/ρ) с μ = 0,65. Газ в аккумуляторе сжимается без нагрева. Рукава считаются разрушенными выше 400 бар.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →