Гидро- и пневмопривод прокатного оборудования

А.Г. Колесников, А.В. Алдунин

Гидро- и пневмопривод  
прокатного оборудования

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5250-7

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

К60

УДК 621.77: 621.22 + 621.5 
ББК 34.3
        К60

Издание доступно в электронном виде по адресу 

https://bmstu.press/catalog/item/6479/

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Оборудование и технологии прокатки»

Рекомендовано Научно-методическим советом

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Колесников, А. Г.

Гидро- и пневмопривод прокатного оборудования : учебное пособие / 

А. Г. Колесников, А. В. Алдунин. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н. Э. Баумана, 2020. — 12 , [ ] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5250-7

Рассмотрены компоненты гидропривода, гидрофицированное прокатное 

оборудование, устройство типового пневмопривода, пневматические и гидро- 
пневматические механизмы. 

Пособие предназначено для самостоятельной проработки студентами 

дисциплины «Гидро- и пневмопривод металлургических машин». 

Для студентов, обучающихся по специальности 15.05.01 «Проектирова
ние технологических машин и комплексов» (уровень специалитета), спе- 
циализациям 15.05.01_10 «Проектирование технологических комплексов  
в прокатном производстве», 15.05.01_13 «Проектирование металлургических 
машин и комплексов». Пособие может быть использовано при курсовом  
и дипломном проектировании. 

УДК 621.77: 621.22 + 621.5 
ББК 34.3

3
1

Предисловие 

Учебное пособие подготовлено для самостоятельной проработки студен
тами дисциплины «Гидро- и пневмопривод металлургических машин», входящей в образовательную программу подготовки по специальности 15.05.01 
«Проектирование технологических машин и комплексов» (уровень специалитета), специализациям 15.05.01_10 «Проектирование технологических комплексов в прокатном производстве», 15.05.01_13 «Проектирование металлургических машин и комплексов» и изучаемой в течение одного семестра.

Цель изучения дисциплины — приобретение студентами знаний в области 

конструирования гидрофицированных машин и механизмов на уровне эскизных проектов и выполнения рабочих чертежей в соответствии с ЕСКД при 
модернизации металлургического оборудования, а также навыков расчета 
кинематических и энергосиловых параметров гидравлических и пневматических механизмов с использованием компьютерных программ. 

Планируемые результаты обучения. Для категорий знать, уметь, владеть 

планируемые результаты обучения определены программой дисциплины. 

Структура учебного пособия. Дисциплина «Гидро- и пневмопривод метал
лургических машин», как и собственно пособие, построены по модульному 
принципу, каждый модуль дисциплины представляет собой логически завершенный раздел курса. 

Пособие включает четыре главы.
Глава 1 «Компоненты гидро- и пневмопривода» посвящена рассмотрению 

объемных приводов, гидравлических машин, насосов, гидравлических цилинд- 
ров, устройств управления и вспомогательных устройств, а также приме- 
няемых рабочих жидкостей.

Глава 2 «Регулирование гидропривода» содержит информацию о дрос
сельном и объемном регулировании, следящем гидроприводе.

В главе 3 представлено гидрофицированное прокатное оборудование. 
Глава 4 «Пневмопривод металлургических машин» включает описание 

устройства типового пневмопривода и пневмоцилиндров, пневматических и 
гидропневматических механизмов, грузоподъемников и перекладчиков листов 
с вакуумными присосками.

Каждая глава завершается вопросами для самоконтроля, которые после 

необходимой проработки будут обсуждаться на семинарах и консультациях.

В конце пособия приведены список рекомендуемой литературы и при
ложения, содержащие материалы, необходимые при выполнении домашнего задания и курсового и дипломного проектирования.

Предисловие

Методика проработки и освоения материала модулей дисциплины. При  
самостоятельной работе студентов предусматривается расширение представленного в пособии материала на основе поиска, анализа, структурирования 
и представления в компактном виде современной информации, почерпнутой 
из всех возможных источников. 
После изучения дисциплины студенты овладеют:
 • базовыми знаниями об основных типах гидро- и пневмофицированных 
машин и механизмов прокатных станов, позволяющими выполнять технологические и вспомогательные операции, о классификации, функциональных 
возможностях и области применения этого оборудования; 
 • методами анализа схем гидро- и пневмоприводов прокатного оборудования. 

Введение 

В настоящее время гидропривод (hydraulic actuator) и пневмопривод 
(pneumatic actuator) находят все более широкое применение в металлургическом оборудовании (metallurgical equipment). Так, в рабочей клети прокатного стана гидравлический привод применяют в нажимном и уравновешивающем устройствах, для противоизгиба и продольной сдвижки рабочих валков. 
На непрерывных полосовых станах используют гидравлические петледержатели. Гидро- и пневмопривод порой незаменимы в устройствах подачи заготовок, в листоукладчиках и других машинах и механизмах. 
Гидро- и пневмоприводы подразделяют на объемные и динамические.
В объемном приводе жидкость или газ под давлением изменяет объем 
камер двигателя, вызывая перемещение рабочего органа и соединенного  
с ним выходного звена. 
В динамическом приводе используется быстропеременное воздействие 
потока жидкости или газа на рабочий орган исполнительного двигателя (например, в двигателе турбинного типа). 
Гидро- и пневмоприводы по сравнению с механическими приводами 
более быстродейственны, обеспечивают требуемое позиционирование 
(positioning), лучше приспособлены к автоматизации производственных процессов благодаря простоте управления, малой мощности управляющего 
сигнала и непосредственному соединению с гидравлическими или пневматическими управляющими устройствами. 

1. Компоненты гидро- и пневмопривода

Гидро- и пневмопривод содержат следующие компоненты: насос (компрессор), гидродвигатель (пневмодвигатель), устройства управления и вспомогательные устройства.

1.1. Назначение, классификация и характеристики  
гидро- и пневмоприводов

Гидро- и пневмопривод — устройства, предназначенные для передачи 
посредством жидкости (газа) энергии на расстояние и преобразования ее  
в энергию движения на выходе системы. 
В состав, например, объемного гидропривода входят: приводящий двигатель (the bringing engine); насос (pump); гидродвигатель (hydraulic engine); 
устройства управления (control device) и вспомогательные устройства 
(auxiliaries); силовой орган (power body) (рис. 1.1). 

Режим работы объемного гидропривода задается устройствами управления. 
Они служат для стабилизации или изменения параметров движения: перемещений, скоростей, ускорений.
Классификация объемных гидро- и пневмоприводов приведена на рис. 1.2. 
В стабилизирующем гидроприводе скорость движения выходного звена 
поддерживается постоянной, в программном — изменяется по заданной программе. У следящего привода регулируемый параметр выходного звена изменяется по определенному закону в зависимости от внешнего управляющего воздействия, которое заранее не известно. 

Рис. 1.1. Структурная схема объемного гидропривода

1.1. Назначение, классификация и характеристики гидро- и пневмоприводов

Источником механической энергии в большинстве случаев служит элект- 
рический двигатель, называемый приводящим. 
В пневмоприводе вместо насоса используется компрессор, который подает сжатый воздух в пневмодвигатель. В некоторых случаях насос или компрессор не входят в состав объемного привода, поэтому по виду источника 
подачи рабочей среды объемный привод называют насосным (компрессорным), 
аккумуляторным или магистральным. В аккумуляторном гидроприводе (пневмоприводе) рабочая среда подается в объемный двигатель из гидроаккумулятора (пневмоаккумулятора), заряженного от внешнего источника. В магистральном гидроприводе (пневмоприводе) рабочая среда поступает в объемный 
двигатель от гидромагистрали (пневмомагистрали). От объемного гидродвигателя (пневмодвигателя) жидкость (воздух) может поступать в гидробак 
(окружающую среду) или на вход насоса (компрессора). По циркуляции ра- 
бочей среды выделяют гидроприводы (пневмоприводы) с разомкнутым и  
с замкнутым потоком (рис. 1.3). 
В гидроприводах с замкнутым потоком неизбежные утечки рабочей жидкости компенсируются вспомогательным насосом.
По характеру движения выходного звена различают гидро- и пневмоприводы (см. рис. 1.2):
1) поступательного движения — с возвратно-поступательным движением 
выходного звена и с гидродвигателями в виде гидроцилиндров; 

Рис. 1.2. Классификация объемных приводов по основным признакам

1. Компоненты гидро- и пневмопривода

2) дискретного движения — с шаговым движением выходного звена;
3) поворотного движения — с возвратно-поступательным движением выходного звена и с поворотными гидродвигателями;
4) вращательного движения — с вращательным движением выходного 
звена и с гидродвигателями в виде гидромоторов.
По управляющему устройству различают приводы: с дроссельным, машинным и машинно-дроссельным управлением. Кроме того, выделяют объемные 
приводы с управлением приводящим двигателем и противодавлением.
Дроссельное управление движением выходного звена осуществляется 
регулирующим гидроаппаратом (пневмоаппаратом) — дросселем. 
По виду управления различают объемные приводы с ручным и автоматическим управлением. Ручное управление осуществляет человек-оператор,  
автоматическое — специальное устройство или система управления.
В зависимости от задачи управления различают гидроприводы: стабилизирующие, программные и следящие. 
В зависимости от наличия устройств для регулирования скорости выходного звена различают гидроприводы: нерегулируемые; регулируемые и стабилизированные (на рисунке не показаны).
Машинное управление движением выходного звена применимо только  
к гидроприводу и выполняется регулируемым насосом, регулируемым гидромотором или обеими регулируемыми гидромашинами. 
Управление приводящим двигателем применимо к объемному гидроприводу и состоит в управлении скоростью движения выходного звена путем 
изменения частоты вращения приводящего двигателя. 
Управление противодавлением иногда осуществляют в пневмоприводе 
созданием противодавления на выходе пневмодвигателя.
Гидро- и пневмолинии конструктивно проще, чем механические передачи (зубчатые, цепные, ременные), поэтому основные агрегаты объемного 
гидропривода удобнее компоновать на машине. Общий недостаток объемных 
гидроприводов — меньшее значение КПД (до 0,8), чем у механических приводов (более 0,9). В результате высокого номинального давления жидкости 
объемные гидроприводы имеют наилучшие удельные показатели (отношение 

Рис. 1.3. Структурные схемы гидроприводов: 
а — с разомкнутым потоком; б — с замкнутым потоком 

1.2. Рабочие жидкости гидроприводов

массы оборудования к его мощности γпр =  0,3...2,0 кг/кВт, удельная энергия 
αдв = 60
200
...
 Дж/м3). К существенным недостаткам необходимо отнести 
зависимость характеристик гидроприводов от температуры эксплуатации  
и возможность наружных утечек рабочей жидкости. Последнего недостатка 
удается избегать, применяя уплотнения из современных материалов.
Благодаря использованию сжатого воздуха объемные пневмоприводы 
промышленного назначения имеют конструктивные, эксплуатационные  
и экологические преимущества, состоящие в простоте устройства пневмо- 
двигателя поступательного движения, полной пожаробезопасности и отсутствии загрязнения окружающей среды. Однако вследствие сжимаемости 
рабочей среды давление в них ограничено (до 1,6 МПа) условием безопасности обслуживающего персонала. 

1.2. Рабочие жидкости гидроприводов 

Для обеспечения нормальной работы гидравлических механизмов металлургических машин физико-химические характеристики и свойства рабочей 
жидкости должны соответствовать условиям работы и требованиям надежности гидросистем. В качестве рабочих жидкостей в гидравлическом приводе применяют минеральные масла, водомасляные эмульсии, смеси и синтетические жидкости.
Минеральные масла для гидроприводов делятся на 10 классов по кинематической вязкости при температуре 40 °С (5...150 мм2/с) и на три группы 
по наличию в них присадок (группа А — масла без присадок, группа Б —  
с антиокислительными и антикоррозионными присадками, группа В —  
хорошо очищенные масла с антиокислительными, антикоррозионными и 
противоизносными присадками). 
Водомасляные эмульсии представляют собой смеси воды и минерального масла с минимальным содержанием масла в пропорции 100 : 1 (100 частей 
воды и одна часть масла). Эмульсии применяют в гидросистемах машин, 
работающих в пожароопасных условиях.
Смеси минеральных масел с керосином, глицерином и другими жидкос- 
тями применяют в гидросистемах высокой точности, а также в гидросистемах, 
работающих в условиях низких температур. 
Синтетические жидкости на основе силиконов, хлор- и фторуглеродистых 
соединений негорючи, стойки к воздействию химических элементов, обладают стабильной вязкостью в широком диапазоне температур.
Требования к рабочей жидкости:
а) хорошие смазывающие свойства для обеспечения гидродинамического 
режима смазки; 
б) предотвращение коррозионных процессов; 
в) совместимость с материалами гидравлической системы. 
Для достижения заданных параметров гидравлических систем важно, 
чтобы жидкость была стабильной, т. е. устойчивой к окислению, и сохраня

1. Компоненты гидро- и пневмопривода

ла вязкость при многократном механическом воздействии и колебаниях 
температуры. Окисление рабочей жидкости характеризуется изменением 
кислотного числа PH, которое определяется количеством миллиграммов 
едкого калия КОН, необходимого для нейтрализации свободных кислот  
в 1 г жидкости. Кислотное число РН и количество осадка используются для 
оценки старения жидкости (ГОСТ 5985–79 «Нефтепродукты. Метод определения кислотности и кислотного числа»).
Рабочая жидкость не должна портиться, разрушаться и оказывать вредное 
воздействие на элементы гидропривода. Наиболее важные характеристики 
рабочих жидкостей — плотность, вязкость, кроме того, рабочие жидкости 
должны обладать смазывающей способностью, антиокислительными, антикоррозионными, антипенными свойствами. 
Плотность ρ (кг/м3) — физическая величина, характеризующая отношение массы m к ее объему V: 

ρ = m

V .

Плотность рабочих жидкостей возрастает при повышении давления  
в гидросистеме и уменьшается при повышении температуры. 
Относительное изменение объема жидкости при изменении температуры 
на 1 град характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения β (°С–1): 

β = ∆
∆
V

V
t ,

где V и ∆V — начальный объем и приращение объема соответственно; ∆t — 
изменение температуры.
Вязкость (или внутреннее трение) характеризует способность жидкости 
оказывать сопротивление сдвигу одного слоя относительно другого под дейст- 
вием касательной силы внутреннего трения. 
Напряжение трения τ (Па), согласно закону Ньютона, пропорционально 
градиенту скорости: 

τ
µ
=
dV
dy ,

где µ — коэффициент пропорциональности, или динамическая вязкость, 

Па ⋅ с; dV
dy  — градиент скорости. 

Кинематический коэффициент вязкости ν (м2/с) — это отношение динамической вязкости µ к плотности ρ:

ν
µ
ρ
=
.