В современной технике наиболее широко применяются четыре типа приводов: электрические, механические, гидравлические и пневматические. Все они предназначаются для одной и той же цели: приводить в действие те или иные рабочие органы сложных машин и управлять движением этих органов.
Для правильной ориентировки в выборе типа привода для того или иного рабочего органа машины надо знать особенности и основные технико-эксплуатационные параметры всех существующих разновидностей приводов. Лишь в результате сравнительного анализа можно выбрать оптимальный вариант для конкретного случая.
Говоря об особенностях гидравлических приводов в первую очередь необходимо заметить, что они обладают удачным сочетанием ряда весьма ценных для машиностроения качеств, а именно:
1. Позволяют бесступенчато, в широком диапазоне, регулировать скорость движения управляемого рабочего органа в обе стороны.
Для современного гидропривода диапазон регулирования
.
Электроприводы постоянного тока типа “генератор-двигатель” позволяют бес ступенчато регулировать скорость движения лишь в диапазоне от 10 до 30. Электроприводы с электромашинным усилителем имеют Dэму=200, однако мощность серийно выпускаемых электроприводов с ЭМУ ограничена 50 кВт.
Механические вариаторы скорости обычно имеют Dмв=5?10, и, в редких случаях сугубо специального исполнения, до 100. Тиристорные электроприводы переменного тока имеют Dти =200?2000, но пока выпускаются в ограниченных масштабах на мощности до 10 кВт. Пневматические приводы из-за слишком “мягкой” механической характеристики, обусловленной сжимаемостью газа для регулирования скорости в большинстве случаев мало пригодны. Таким образом, по диапазону регулирования гидравлические приводы не имеют себе равных.
2. Просты и надежны в управлении. По простоте, надежности и габаритам гидравлические управляющие устройства обладают наилучшими показателями. По существу эти два качества (широкий Dгп - простота и надежность в управлении) явились определяющими при выборе гидропривода в качестве исполнительного звена для синхронно следящих систем зенитных артустановок (1942 - США) и зенитных пусковых установок (70-е годы), предназначенных для запуска ракет с головкой самонаведения по низколетящим целям.
3. Обладают малой инерционностью. Инерционность гидравлического двигателя, выполняющего функцию исполнительного элемента привода, в 5?10 и более раз меньше инерционности лучших современных электродвигателей такой же мощности. Это обстоятельство явилось главной причиной того, что гидравлические системы используются для нужд управления практически на всех современных скоростных самолетах и ряде типов ракет. При этом мощность гидравлических систем управления на современных военных самолетах достигает 1000 и более киловатт.
4. Имеют малый вес и габариты на единицу передаваемой мощности. Для современных гидроприводов различного назначения отношение массы к мощности находится в пределах Gгг=1?25 кг/кВт (общего назначения Gгг=10?25 кг/кВт). Благодаря этому качеству удалось создать индивидуальные гидравлические агрегаты, передающие мощность до 4000 кВт и развивающие усилия до 75000 тонн. Другие типы приводов по весовым и габаритным параметрам существенно уступают гидроприводу. Так, например, для регулируемых электроприводов различных типов Gэл=50?80 кг/квт.
5. Герметичны. Поэтому не требуют повседневного ухода и могут работать не только в атмосфере, но и глубоко под водой. Это качество сделало гидропривод практически незаменимым в системах управления различными механизмами современных подводных лодок.
6. Допускают весьма простыми и надежными средствами преобразовать вращательное движение в прямолинейное возвратно-поступательное и поворотное. Этим качеством обладают все типы передач - гидравлические им не уступают.
7. Обладают достаточно жесткими механическими характеристиками. Конечно, менее жесткими, чем некоторые механические передачи, например, цепные, но обычно в несколько раз более жесткими, чем электроприводы постоянного тока и пневмоприводы.
8. Обладают хорошей агрегатностью.
Сравнительно легко компонуются в отдельные блоки и агрегаты. По этому параметру они уступают лишь электрическим системам.
9. Могут передавать механическую энергию одновременно или последовательно от любого источника (электродвигатель, дизель, человек). При этом каких-либо операций по переключению не требуется, что достигается включением в систему простейших устройств, называемых обратными клапанами. По способности одновременно или последовательно передавать механическую энергию от различных источников без операций переключения гидропривод, по существу, не имеет себе равных в машиностроении. Это качество имеет очень большое значение для агрегатов военной техники, где всегда требуется дублирование и резервирование, в том числе и источников энергии.
10. Относительно безразличны к вибрации и радиации. В этом отношении они практически равнозначны механическим и пневматическим агрегатам.
11. Позволяют легко решать задачу защиты механизма от перегрузок путем включения в систему предохранительных клапанов, представляющих из себя малогабаритные, малоинерционные защитные устройства многократного действия.
12. Искро-пыле безопасны По этому качеству они равнозначны механическим передачам.
13. Способны к аккумулированию энергии в период пауз, холостых ходов и торможения. Правда, гидравлические аккумуляторы уступают по габаритным и весовым параметрам механическим и электрическим аккумулирующим устройствам.
14. При использовании гидропривода значительно легче и проще решаются задачи необратимости механизма в аварийных ситуациях и в момент планируемой остановки.
15. Обладают способностью непрерывного удаления тепла от наиболее нагруженных узлов и деталей в окружающую среду. При использовании гидропривода, как правило, не требуется специальных систем охлаждения.
Из вышесказанного нетрудно заметить, что гидравлические приводы по сравнению с электрическими, механическими; пневматическими агрегатами аналогичного назначения обладают значительно большим количеством положительных для машиностроения качеств.
Однако, не следует считать, что гидравлические приводы являются лучшими приводами вообще для всех машин и их рабочих органов, им присущи и крупные недостатки. К числу таковых следует отнести:
1. Высокую стоимость, особенно гидроприводов с объемным регулированием. Следует заметить, что высокая стоимость это отчасти временное явление, связанное с мелкой серийностью производства гидроприводов.
В США, например, гидравлического оборудования выпускается в 3 раза больше, чем в России. Естественно оно стоит меньше, примерно, в 4 раза.
2. Неоднозначность значений КПД у гидроприводов с различными способами регулирования. Причем у относительно дешевых приводов с дроссельным регулированием КПД весьма низок (0,2?0,3), у приводов с объемным регулированием в среднем 0.7?0.75. Электроприводы постоянного тока имеют КПД 0,55?0,6, высококачественные механические вариаторы до 0,8?0,85.
3. Зависимость механической характеристики и КПД от степени износа, от характера нагрузки на привод и от физических свойств жидкости
Эти обстоятельства в ряде случаев принуждают брать привод заведомо завышенной мощности, что естественно увеличивает его вес и габариты.
4. Относительная сложность агрегатов и высокая точность изготовления отдельных элементов и деталей гидропривода. Для его изготовления нужна высокая культура производства, высококвалифицированные рабочие. Гидроприводы не могут ремонтироваться в полевых условиях.
5. Использование в качестве рабочего элемента (как правило) горючих жидкостей (минеральных масел), что для военной техники является неблагоприятным обстоятельством.
7. Невозможность обеспечения длительной стоянки рабочего органа в заданном положении.
Таким образом, при выборе типа привода для тех или иных механизмов обязательно следует провести технико-экономическое обоснование. При этом, сравнивая гидравлический привод с другими типами агрегатов аналогичного назначения необходимо учесть не только его положительные и отрицательные качества, но также и все последствия, которые будут сопутствовать работе машины, снабженной гидроприводом (стоимость эксплуатации, эффективность, удобство обслуживания, надежность в работе и т.п.).
Необходимо заметить, что наиболее полно и рационально удовлетворить многообразные требования, предъявляемые к механизмам некоторых современных машин, можно только при использовании комбинированных электрогидравлических, электрогидромеханических и даже электропневмогидромеханических систем управления, сочетающих в себе маломощные электронные (электромагнитные или пневматические) устройства с гидравлическими и гидромеханическими устройствами, рассчитанными на передачу относительно больших мощностей.
По данным зарубежных технических журналов производство гидрооборудования на Западе является одной из наиболее успешно развивающихся отраслей промышленности. Этот факт является следствием в первую, очередь гибкости гидропривода с точки зрения стыковки его с электронными устройствами относительно высокого КПД, широчайшего диапазона регулирования, приемлемых габаритов и способности к аккумулированию энергии в период пауз и торможения.
Рассмотрим подробно некоторые примеры применения гидроприводов.
1. Для бортовых систем управления большинства современных высокоскоростных летательных аппаратов гидравлический привод, как исполнительное устройство, был выбран главным образом вследствие его малой инерционности, простоты и надежности управления, а также относительно меньших весовых и габаритных параметров.
Малая инерционность исполнительных гидравлических устройств позволяет управлять быстро перемещающимся объектом с требуемой точностью и надежностью, а малые веса и габариты дают прямой экономический эффект.
2. Современные самоходные стартовые агрегаты для запуска баллистических ракет оснащаются гидравлическими приводами подъема, вывешивания и горизонтирования потому, что, обладая относительно малыми габаритами, эти привода обеспечивают преодоление очень больших нагрузок при относительно малых затратах мощности. Тем самым, в конечном итоге, стартовый агрегат удается сделать компактным и достаточно маневренным. Для его изготовления требуется меньше металла, а для перемещений - меньше топлива и времени.
3. В следящих приводах наведения зенитных артиллерийских установок гидропривод оказался незаменимым, благодаря тому, что обладает способностью в широком диапазоне бес ступенчато регулировать скорость движения объекта, обеспечивает точную отработку командного сигнала и способен выдерживать многократные перегрузки по моменту с ограничением потребляемой мощности.
4. Рулевые машины морских судов строятся на базе гидропривода. Конечно, стоимость корабля повысилась. Вместе с тем на 5-10 тонн уменьшился собственный вес корабля и на 10-20% повысился КПД рулевой машины. Тем самым увеличилась полезная грузоподъемность и уменьшились затраты энергии для собственных нужд корабля. Установлено, что удорожание корабля окупается за 3?5 лет. Поскольку его “активная” жизнь достигает 30 лет и более, то государство в целом получает существенный экономический эффект.
5. Во всех развитых странах мира все большие масштабы приобретает производство гидрофицированных тракторов. Естественно, стоимость гидрофицированного трактора выше, чем обычного. Однако, гидрофикация улучшает условия труда тракториста, резко увеличивает производственные возможности трактора и исключает необходимость иметь в штате так называемого прицепщика при выполнении ряда полевых работ. В конечном итоге общество получает громадный экономический эффект, хотя первоначальные затраты на производство тракторов с навесными орудиями труда существенно увеличиваются.
6. Можно привести также примеры использования гидроприводов в самосвалах, мусоровозах , домостроении, в механизмах разводки мостов, в агрегатах для перегрузки судов через плотины электростанций и др.