Объемный гидро- и пневмопривод

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Дорошенко

ОБЪЕМНЫЙ
ГИДРО- и ПНЕВМОПРИВОД

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, 
обучающихся по направлениям подготовки: 
15.03.01 — Машиностроение;
15.03.02 — Технологические машины и оборудование;
08.04.01 — Строительство;
23.05.02 — Транспортные средства специального назначения

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 62-82+62-85(075.8)
ББК 34.447.6я73
          Д69

Рецензенты:
проф., д-р техн. наук Н. М. Суслов (Уральский государственный горный 
университет);
доц., канд. техн. наук Г. М. Тромпет (Уральский государственный аграрный университет, г. Екатеринбург)

Научный редактор доц., канд. техн. наук С. И. Фоминых

На обложке использовано изображение с сайта http://niobfluid.com.ua/
images/pnevmoprivod-g/17.jpg

 
Дорошенко, В. А.
Д69    Объемный гидро- и пневмопривод : учеб. пособие / В. А. Дорошенко. — 
Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 196 с.: ил.

ISBN 978-5-7996-2572-6

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы объемного гидро- 
и пневмопривода (ОГПП) технологических машин: свойства и закономерности 
течений жидкостей и газов, особенности применения их в качестве рабочих сред 
в ОГПП. Проанализированы конструкции и методы расчета рабочих параметров 
силового оборудования ОГПП (нагнетателей и гидропневмодвигателей), гидро- 
и пневмоаппаратуры управления и регулирования. Даны типовые схемы компоновки гидропневмосистем различного назначения и способы управления. Рассмотрены принципы составления функциональных схем гидро- и пневмоприводов 
для реализации рабочих циклов гидрофицированных машин. Приведены примеры решения типовых задач, а также необходимые справочные данные.

Библиогр.: 8 назв. Рис. 132.

УДК 62-82+62-85(075.8)
ББК 34.447.6я73

ISBN 978-5-7996-2572-6 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2019

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АПН 
— аксиально-поршневой насос
ВК 
— концевой выключатель
ГА 
— гидроаккумулятор
ГБ 
— гидробак
ГД 
— гидродвигатель
ГМ 
— гидромотор
ГР 
— гидрораспределитель
ГЦ 
— гидроцилиндр
ДлП 
— делитель потока
Др 
— дроссель
МДГП — многодвигательный гидропривод
Н 
— насос
НАГП — насосно-аккумуляторный привод
НШ 
— насос шестеренный
ОГМ 
— объемная гидромашина
ОГП 
— объемный гидропривод
ОГПП — объемный гидропневмопривод
ОК 
— обратный клапан
ПД 
— пневмодвигатель
ПГД 
— поворотный гидродвигатель
ПК 
— предохранительный клапан
ПлН 
— пластинчатый насос
ПЦ 
— пневмоцилиндр
РВ 
— реле времени
РД 
— реле давления
РЖ 
— рабочая жидкость гидропривода
РО 
— рабочий орган технологической машины
РПН 
— радиально-поршневой насос
ТОА 
— теплообменный аппарат
УПП 
— установка пневмопривода
Ф 
— фильтр

Введение

П

од приводом технологических машин в общем смысле понимается совокупность устройств и механизмов, приводящих 
в действие исполнительные органы агрегата. Привод включает обычно три подсистемы:
· энергетическую — источник механической мощности (энергии) 
и силовой двигатель, реализующий рабочие функции машины;
· управляющую — контрольно-регулирующую аппаратуру, обеспечивающую требуемые значения рабочих параметров (мощности, 
скорости, усилия и др.);
· обеспечивающую — совокупность вспомогательных устройств, 
поддерживающих нормальный режим работы установки.
Гидроприводы подразделяются на объемные и динамические; в пособии рассматриваются только объемные, как наиболее распространенные в строительно-дорожных и транспортных машинах, а также в робототехнических системах, металлорежущих станках и т. д.
Особенности использования объемного гидропневмопривода обусловлены его достоинствами и недостатками.
Основные преимущества объемных гидропневмоприводов (ОГПП): высокая удельная мощность (т. е. малая масса, приходящаяся на единицу развиваемой мощности), дающая возможность создавать большой 
крутящий момент или линейное усилие; высокая скорость вращения 
гидропневмомоторов при небольших габаритах; малая инерционность 
при реверсе движения выходного звена гидропередачи, позволяющая 
производить мгновенные переключения и изменения направления 
движения исполнительных органов машин и др.
К конструктивно-эксплуатационным достоинствам ОГПП обычно 
относят: возможность бесступенчатого регулирования скорости движения выходного звена и получения больших передаточных отношений: 
плавность и устойчивость движения выходных звеньев; сравнитель

Введение

но простая и надежная защита гидросистемы от перегрузок; простота 
преобразования вращательного движения ротора гидродвигателя в возвратно-поступательное движение выходного звена; удобство компоновки оборудования и передачи энергии к исполнительным органам 
машин; способность длительное время удерживать нагрузку на рабочем органе (например, при прессовании) без затрат энергии; возможность управления приводом посредством разнообразных командных 
устройств — механических, электромагнитных, пневматических, гидравлических и комбинированных, включая аналоговые, микропроцессорные и оптические устройства; удобство и простота обслуживания, ремонта и профилактики и др.
Недостатками гидроприводов являются: необходимость обеспечения высокой герметичности гидросистем для предотвращения утечек 
рабочей жидкости, высокие требования к качеству рабочей жидкости, 
потери энергии на трение в подвижных элементах и уплотнениях, снижение работоспособности ОГП при попадании в рабочую жидкость 
примесей — воды или воздуха. Однако путем соответствующего подбора оборудования, правильной эксплуатации и техобслуживания перечисленные недостатки могут быть минимизированы.
В установках пневмопривода (УПП) рабочей средой является сжатый 
воздух (или газ). Структурно-функциональные схемы пневмопривода 
и гидропривода во многом аналогичны: ПП содержит энергосиловую 
подсистему (компрессор и пневмодвигатель), контрольно-регулирующую пневмоаппаратуру и подготовительно-вспомогательную подсистему для подготовки рабочей среды — сжатого газа. Но имеются 
и отличия, которые надо учитывать.

Часть первая.  
ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ

О

бъектом изучения в гидроаэродинамике ОГПП являются 
жидкости и газы, обладающие свойствами сплошности и текучести. Вследствие текучести жидкости и газы легко перемещаются в трубах и каналах под действием разности давлений. Сплошность позволяет передавать давление и механическую энергию по всей 
системе гидропневмоприводов.

Глава 1.  
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ

1.1. Физические характеристики жидкостей и газов

Жидкости и газы, а также их смеси, применяемые в качестве рабочих сред в ОГПП машин, характеризуются следующими параметрами:
· плотность (удельная масса), кг/м 3,

 
ρ = m/V, 
(1.1)

 
где т, V — масса и объем жидкости или газа;
· удельный вес (удельная сила тяжести), Н/м 3,

 
γ = G/V, 
(1.2)

 
где G — вес жидкого (газового) объема: γ = ρg (g = 9,81 ≈ 10 м/с 2).
В случае использования смесей жидкостей указанные характеристики определяются по формулам:

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ 

· плотность смеси, состоящей из i компонентов (i = 1, 2, ...), будет 
равна

 
rсм
см
см
=
=

=
=
е
е
т
V
m
V
i

i

n

i

i

n
/
/

1
1

; 
(1.3)

· удельный вес смеси определится как

 
γсм = ρсм g. 
(1.4)

Пример 1.1. Для гидропривода создается рабочая жидкость смешиванием двух масел — «Индустриальное 12» (т1 = 44 кг, ρ1 = 880 кг/м 3) 
и «Индустриальное 45» (т2 = 37 кг, ρ2 = 925 кг/м 3). Определить плотность получаемой смеси.
Решение.
Поскольку объемы компонентов равны V1 = m1/ρ1 и V2 = m2/ρ2, то об
щий объем смеси будет V
V
V
m
m

см =
+
=
+
1
2
1

1

2

2
r
r . 

Отсюда ρсм = 44
37
44
880

37
925
900
3
+
(
)
+
ж
из

ц
шч =
 кг/м .

Важными характеристиками рабочих сред являются их свойства.
1. Сжимаемость — свойство жидкостей и газов изменять объем 
и плотность под действием давления. Показателем сжимаемости жидкостей является коэффициент объемного сжатия βр, Па–1, определяемый по формуле

 
bp

o

= - D

D
V
V
p, 
(1.5)

где Vо — начальный объем жидкости; ΔV — изменение объема после 
сжатия; Δр — увеличение давления.
В расчетах также используется величина, обратная коэффициенту 
сжимаемости, называемая модулем упругости, Еж, Па,

 
Еж = 1/βр. 
(1.6)

Пример 1.2. При гидравлических испытаниях водовода длиной 
L = 1000 м, диаметром D = 300 мм давление в жидкости повышают 
до Δр = 2 МПа путем закачки в трубопровод дополнительного объема 
ΔV. Определить этот объем, если βр = 2·10–9 Па –1.

Часть первая. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ 

Расчет.

 
ΔV = βрVoΔp = 2·10–9 · 70,65·2·10 6 = 0,282 м 3, 

где Vo = (πD2/4)L = 70,65 м 3.

Сжимаемость газов определяется по закону Бойля — Мариотта

 
pV = RT, 
(1.7)

где р, Т — абсолютное давление и температура газа; R — газовая постоянная.

2. Температурное расширение (сжатие). Существенное изменение 
объема и плотности жидкостей и газов происходит при их нагревании 
или охлаждении. Оценочным критерием является коэффициент температурного расширения βt, oC–1,

 
bt

V
V
t
= D

D
0
, 
(1.8)

где Δt = t — to — разность температур (температурный перепад).

Пример 1.3. При нагревании воды в системах отопления здания 
объем ее увеличивается; приращение объема ΔV сбрасывается в так 
называемый расширительный бак, присоединяемый к системе циркуляции. Требуется определить его объем, если для воды коэффициент 
βt = 0,0006 оС–1, нагрев Δt = 25 oC, объем воды в системе Vo = 0,55 м 3.

Расчет.
Минимально необходимый объем расширительного бака будет равен

 
ΔV = βtVoΔt = 0,0006·0,55·25 = 0,0083 м 3.

Примечание. При одновременном действии на жидкость обоих факторов — нагревания и сжатия — относительное изменение объема будет равно
 
D
D
D
V
V
t
p
t
/
0 =
b
bp
. 
(1.9)

3. Гидростатическое давление. Одной из важных характеристик состояния жидких тел является внутреннее напряжение сжатия, вызываемое внешней силой давления Fp. Это напряжение называется гидростатическим давлением р, Н/м 2 (Па), и определяется как

 
p
F
S
p
=
/
, 
(1.10)

где S — площадь поверхности, на которую действует сила давления Fp.

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ 

Гидростатическое давление обладает двумя важными свойствами:
1. Давление всегда действует по нормали (перпендикулярно) к воспринимающей его поверхности (поверхности воздействия).

2. Давление внутри жидкого объема действует одинаково по всем 
направлениям.
Последнее свойство известно как закон Паскаля: Изменение давления в замкнутом объеме жидкости (газа) передается по всему объему одинаково.
Этот закон лежит в основе работы гидравлических и пневматических машин и устройств. Рассмотрим его применение на примере гидравлического домкрата (гидроусилителя) (рис. 1.1). Гидродомкрат 
предназначен для создания большого усилия F2 на выходном поршне 
площадью S2, для чего на поршне малой площади S1 создается усилие F1 с помощью рычага, имеющего плечи а и b. Начальное усилие 
на конце рычага равно Fо. Найти силу F2, которая может быть использована для подъема груза.

Пример 1.4

а

Fo                           b 

О                       F2    

                   F1                                              D 

d 

p

p

d

Рис. 1.1. Схема гидродомкрата

Дано:
D = 500 мм; d = 50 мм; а = 50 мм; b = 400 мм; Fо = 10 H.
Расчет.
Силу F2 можно определить по формуле

 
F2 = k1·k2∙ Fо,

Часть первая. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ 

где k1 = (a + b)/a = 5 — коэффициент усиления механического рычага; k2 = (D/d) 2 = 25 — коэффициент усиления гидравлического рычага. 
Тогда F2 = 5·25·10 = 1250 H.
Выделяют следующие разновидности гидростатического давления:
1. Полное или абсолютное давление — рабс, включающее внешнее атмосферное и избыточное давления.

2. Избыточное давление — ризб, давление в гидропневмосистеме сверх 
атмосферного; его показывают приборы — манометры (поэтому оно 
еще называется манометрическим), т. е. ризб = рман. К этому типу давления относится и весовое давление жидкости, создаваемое весом жидкости, равное
 
рвес = ρgh,  
(1.11)

где ρ — плотность жидкости, h — высота уровня над точкой измерения.

3. Вакуум — рвак, разность между внешним атмосферным давлением и внутренним давлением в системе рвн в случае, если рвн < ратм, т. е.

 
рвак = ратм — рвн. 
(1.12)

1.2. Характеристики потоков жидкостей и газов

Поток — это направленное движение жидкостей в трубах, каналах и струях под действием разности давлений Δр = р1 — р2. Одномерным считается поток, параметры которого (скорость, давление и др.) 
зависят только от одной координаты, направленной вдоль оси канала (рис. 1.2).

1                                                 С                                                        2 

р1                                                                                                                                              p2        υ2 

ω1                                                                                                 ω2

υ1 
Q

Рис. 1.2. Схема одномерного потока жидкости