Каков принцип действия гидравлической машины кратко

Обновлено: 05.07.2024

В основе работы гидравлики лежит закон Паскаля, открытый в 17 веке. Закон Паскаля гласит, что давление, действующее на жидкость в закрытом сосуде, передается во всех направлениях с одинаковой силой. На этом принципе базируется работа всех гидравлических машин объемного действия. Они вырабатывают гидравлическую энергию, приводя в движение рабочие органы оборудования. Далее давайте подробнее рассмотрим, как работает гидравлика.

Устройство, схема и принцип работы

Устройство работы гидравлики представляет собой закрытую циклическую систему, где все начинается с насоса, закачивающего гидравлическое масло из маслобака, и заканчивается опять же на возвращении жидкости в бак. Жидкость проходит весь цикл, попутно совершая действия, приводящие в работу отдельные гидроузлы. этого запускаются в работу исполнительные органы машин и механизмов. Любое механическое усилие рабочей техники и сложного промышленного оборудования зависит от гидравлики.

Сфер применений гидравлики сотни, а возможно и тысячи, но принцип везде один – в закрытой системе механизмов преобразуется механическая энергия в энергию жидкости и наоборот. Таким образуем создается механическое усилие посредством жидкости.

Схема гидросистем спецтехники и сложного промышленного оборудования в общем виде одинаковая. Для всех систем в основе лежит перечень обязательных элементов:

В зависимости от назначения техники и оборудования наполнение системы может отличаться.

Схема стандартной гидросистемы

Как работает гидравлика?

А теперь рассмотрим на конкретных примерах, как работает гидравлика, и какие конкретные задачи она выполняет.

Как работает гидравлика на тракторе?

Принцип работы гидравлики на тракторе достаточно прост. Насос создает поток рабочей среды в гидросистеме трактора. Далее гидрораспределитель направляет масло от гидронасоса к цилиндрам и гидромотору, которые приводят в движение навесное оборудование трактора.

Как работает гидравлика на экскаваторе?

Принцип работы гидравлики экскаватора такой же, как и у гидравлики трактора, т.к. гидросистема также отвечает за работу навесного оборудования. В данном случае давление жидкости двигает поршень гидроцилиндра, поэтому ковш экскаватора поднимает и опускает грунт на строительной площадке. Управляет данной операцией сам водитель или автоматизированная система.

Как работает гидравлика погрузчика?

Гидравлическая машина – это специальное оборудование, в котором подаваемая из насоса жидкость передаёт свою механическую энергию турбинам (так называемые гидродвигатели). Есть другой вариант – это машина, которая придаёт протекающей через неё жидкости механическую энергию (проще говоря – насос).

Гидравлическая машина, берущая энергию из протекающей воды, состоит из:

электро-генератор;
турбина;
подающий аппарат или специальные каналы.

Насос является одним из самых распространённых агрегатов. Они применяются в сельском хозяйстве, строительстве, химической, металлообрабатывающей, текстильной и пищевой промышленностях.

Гидравлическими машинами называют агрегаты, которые могут перемещать различные виды жидкостей и газов, а также, вырабатывать энергию от текущей жидкости (гидродвигатели). Именно создание и перемещение потока жидкостей и есть главное назначение гидравлических машин.

Классификация гидравлических машин

Гидравлические машины классифицируют по принципу действия и внутреннему строению.

Главное разделение – насосы и гидравлические двигатели.

К насосам относятся такие группы:

Объёмные – это агрегаты, рабочий процесс которых, происходит переменно. В рабочую ёмкость через входную трубу попадает жидкость. После заполнения камеры, входная труба перекрывается задвижкой и в камере нагнетается давление (поршень). Открывается выводящая труба и жидкость покидает ёмкость. Задвижка закрывается, а на входе наоборот открывается. Процесс повторяется
Динамические – в этих агрегатах, рабочая часть насоса, взаимодействует с жидкостью в проточной части. Потоку придаётся дополнительная кинетическая энергия, за счёт лопастей, винтов или вихревого потока.

Гидравлические двигатели разделяются на:

Активные – в этом случае, поток распределяется по нескольким каналам, через которые он с большой скоростью ударяет в определённые лопасти турбины.
Реактивные – это агрегат, в котором колесо вырабатывающее энергию, находится в ёмкости с большим давление под водой.

Однако у гидравлических двигателей, большинство моделей можно использовать как насос. Следовательно, они могут разделяться на объёмные и динамические.

Принцип работы и устройство гидромашин

С развитием технологий, появляется все больше новых машин, используемых в различных отраслях промышленности.

Лопастные насосы

Этот тип гидромашин, получил огромное распространение в обеспечение населения водой. Эти насосы можно разделить на осевые и центробежные.

Если говорить о принципе действия центробежного насоса, то в этом случае жидкость будет двигаться от центра колеса к периферии под воздействием центробежных сил.

Из каких элементов состоит: основное колесо (рабочее) на котором располагаются лопасти, подвод воды и отвод, а также двигатель. Колесо состоит из двух круглых пластин, между которыми располагаются изогнутые лопасти и подвижная ось двигателя. Колесо вращается в противоположную сторону изгиба лопаток. Тем самым, двигатель с помощью него передаёт потоку механическую энергию.

Осевой насос подразумевает движение жидкости только вдоль подвижной оси, на которой могут располагаться несколько рабочих колёс с лопастями. Они расположены так, чтобы вода поднималась вокруг оси до нужно отметки. В некоторых моделях таких насосов, можно регулировать положение лопастей.

Поршневой насос

Принцип работы заключается в вытеснение жидкости находящийся в рабочей камере, с помощью подвижных элементов насоса. Рабочая камера представляет собой емкость, в которой есть вход и выход для жидкости. Подвижные элементы бывают трёх видов: диафрагма, плунжер и поршень.

Устройство поршневого насоса: шатун, кривошип, поршень, цилиндр (корпус в котором двигается вытесняющая поверхность), пружинные клапаны (впускной и выпускной), ёмкость для жидкости.

Именно поршневые модели являются самыми распространёнными из вытеснителей. В них может присутствовать один, два или несколько поршней.

Плунжерные варианты используются реже вследствие своей дороговизны (это связанно с высокой точностью изготовления движущихся элементов). Однако их преимуществом перед поршневыми, является возможность получения высокого давления.

Состоит плунжерный насос из: ведущий вал, кулачок, плунжер, корпус (цилиндр), пружина (плунжер двигается вперёд с помощью кулачка, а обратно под воздействием пружины).

Самый постой в изготовление, вследствие этого дешёвый вариант – Диафрагменный насос. Из-за простой конструкции, этот вариант не подходит для создания большого давления. Прочность диафрагмы не предназначена для высоких нагрузок. Он состоит из: шток, гибкая диафрагма, корпус, два клапана (впускной и выпускной).

Шестерные насосы

Это машины роторного типа. Они получили большую популярность среди нерегулируемых насосов. Такой агрегат состоит из: две одинаковые шестерни (зацепленные друг за друга), камера п-образной формы (в ней и находятся шестерни), разделитель.

Принцип работы: после запуска двигателя, из всасывающего отверстия, вода попадает в зону между зубьями. Дальнейшее вращение шестерней, приводит к передвижению жидкости в нагнетательную плоскость. В месте зацепления шестерен, жидкость вытесняется и под воздействием давления попадает к дальнейшим рабочим частям насоса.

Преимущества таких гидромашин:

простая конструкция;
низкая стоимость;
высокий показатель надёжности;
высокая частота вращения.

фиксированный рабочий объём, без возможности регулирования;
конструкция не предназначена для работы с высоким давлением;
неравномерная подача жидкости, если брать в пример пластинчатые гидромашины.

Пластинчатые гидромашины

Это не то же самое, что и лопастные машины (динамический вид). Рабочими поверхностями здесь являются шиберы (пластины). Они относятся к объёмному виду. Подвижным элементом является ротор. Он совершает вращательные движения. А шиберы двигаются по возвратно-поступательной траектории внутри ротора.

Пластинчатые гидромашины подразделяются на две группы: однократные и двукратные. Первый вариант может быть регулируемым, второй нерегулируемый.

Состоят такие агрегаты из: шиберы с пружинами (от двух и более), рабочие камеры (условно разделяются пластинами), ротор.

Рабочий процесс: после запуска двигателя, ротор начинает движение. Шиберы под воздействием пружин, плотно соприкасаются со стенками статора и разделяют общую рабочую емкость на две герметичные камеры (если пластине две). Под воздействием всасывания, емкости заполняются жидкостью и в ходе вращения, передают её в выходное отверстие.

Преимущества пластинчатых гидромашин:

тихий рабочей процесс;
возможность регулировки агрегатов однократного действия.

сложная конструкция;
создание низкого давления при работе;
нарушение качества работы при низких температурах.

Поворотный гидродвигатель

Особенностью таких агрегатов, является ограничение угла рабочего вала. Они широко применяются в создание рулевого управления сельскохозяйственных машин. Угол оборота, напрямую зависит от количества пластин. Если она одна, он будет составлять примерно 270 градусов, если две – 150, три – 70.

Чтобы регулировать работу вала, потребуется специальный гидрораспределитель. Этот вид агрегатов не подходит для работы с большим давлением жидкости.

Гидротурбины

В этих гидромашинах, механическая энергия протекающей жидкости, передаётся лопастям рабочего колеса. Самый масштабный и яркий пример использования гидротурбин, это гидроэлектростанции. Они разделяются на реактивные и активные.

Состоит такой агрегат из: рабочее колесо, подводящий аппарат или сопла (зависит от типа турбины).

По внутреннему строению их можно разделить на ковшовые, диагональные, осевые и радиально-осевые.

Предшественником гидротурбин, можно назвать водяное колесо, которое приводилось в движение с помощью мощного потока воды (их устанавливали на реках или больших ручьях).

Осевые турбины

Самые быстроходные из всех видов турбин. Рабочее колесо по форме напоминает вентилятор с большими лопастями, которые могут быть как фиксированными, так и подвижными. В таких турбинах обязательно устанавливается подающий аппарат. Он отвечает за КПД агрегата, а также в нужным момент полностью перекрывает подступ воды к лопастям. Также обязательным элементом, являются трубы для откачивания воды.

Поворотно-лопастные турбины

Осевой вид турбины, с изменяющими своё положение лопастями. Всего их в такой конструкции может быть 8 штук. Сама конструкция напоминает гребной винт. Изменение положения лопастей, даёт возможность сохранять высокий показатель КПД при уменьшении и незначительном увеличение силы напора. Если лопасти зафиксированы, этот вид будет называться пропеллерным. Он самый дешёвый и самый ограниченный в возможностях (может работать только в одной силе потока).

Самым редким вариантом поворотно-лопастных турбин, являются двухперовые. Их главное отличие от других видов, это разделение лопасти на два пера. Такие модели активно используют за границей.

Радиально-осевые турбины

Это самый старый и самый популярный вид. Его главной особенностью является простота конструкции и невысокая цена. На самых больших гидроэлектростанциях, установлены именно такие гидротурбины. Им принадлежит рекорд по выдаваемой мощности.

В этом виде турбин, жидкость поступает на рабочее колесо с наружной стороны. Проходя по радиусу, минуя множество каналов определённой формы, она достигает центра и заставляет ротор раскручиваться. Для того, чтобы жидкость поступала равномерно и правильно, колесо окружается спиральной камерой, за которой находится направляющий аппарат. Его лопасти располагаются под определёнными углами, для увеличения КПД турбины. Когда вода отдала свою механическую энергию рабочему колесу, она откачивается с помощью специальных труб.

Главным минусом этого вида турбин, являются фиксированные лопасти. Тем самым, радиально-осевая турбина может показать высокой значение КПД, только при определённых напорах. Если использовать Радиально-осевую турбину при напоре в 700 м, её размер должен быть огромен, вследствие чего, она сильно проигрывает ковшовым турбинам. Максимально допустимой силой напора, для достижения высокого показателя КПД, будет отметка в 300м.

Диагональные турбины

Этот вид вобрал в себя лучшие качества двух предыдущих. Диагональные турбины, являются новой разработкой, по сравнению с другими. Главной особенностью этого вида, является гол наклона лопастей (30-60 градусов). И в это же время, лопасти можно регулировать. Вследствие этого, диагональные турбины подходят для обширного диапазона мощностей потока, сохраняя высокий показатель КПД.

Однако такая универсальность и производительность дорого обходится. Это связанно со сложностью конструкции.

Есть диагональные турбины с фиксированными лопастями. Они распространены на небольших ГЭС.

Ковшовые гидротурбины

Этот вид предназначен для работы с большими напорами. Ковшовые турбины относятся к активному типу в отличие от остальных. Рабочее колесо приводится в действие отдельными струями воды, попадающими на ковши колеса. Сами струи формируются с помощью направленных отверстий или сопл. Их может быть до шести штук. Рабочее колесо состоит из диска, с закреплёнными на нём ковшами.

Ковшовые гидротурбины разделяются на вертикальные и горизонтальные. Второй вариант используется на средних гидроэлектростанциях.

Где используется

Если говорить про простые варианты гидромашин (в которых давление передаётся при помощи жидкости), они используются в таких приспособлениях как домкраты, прессы, подъёмники. Следовательно, гидромашины используются в строительстве и машиностроение. Это так называемые гидроприводы, которые используются в различных подвижных частях строительных машин (ковши, буры, манипуляторы).

Если сравнить гидропривод с его механическим аналогом, у первого можно выделить такие преимущества:

Высокая мощность передаваемая на одну единицу веса элемента.
Скорость работы. Запуск, реверс и полная остановка выигрывают в скорости выполнения у механических и электрических приводов.
Надёжное предохранение от перегрузов всей системы.
Возможность установить на гидропривод любое оборудование (ковш, дисковая пила, отбойный молоток и многое другое).

Однако когда речь идёт об использование гидропривода на больших расстояниях, он сильно уступает аналогам в КПД.

Насосы применяются в соответствие с их конструкциями. Центробежные насосы получили своё распространение в работе теплоэлектростанций, системах очистки сточных вод, химической и пищевой промышленности. Также они используются для перемещения сжиженных газов, реагентов и нефтепродуктов.

Возвратно-поступательные насосы, являются самым старейшим видом. Ещё в древности они получили своё распространение в водоснабжение. Сейчас они используются в тех же целях, плюс для перекачки взрывоопасных жидкостей, пищевой промышленности (перемещение молочной продукции внутри заводов), а также в системах подачи топлива для ДВС.

Шестерные насосы могут работать только с невысоким уровнем давления. Их используют в сельскохозяйственной промышленности, коммунальных отраслях, перекачке различных видов топлива (бензин, нефть, дизель, различные добавки и присадки, мазут). В химической промышленности их применяют для перемещения кислот, спиртов, растворителей и щелочей.

В последние годы, гидравлические машины получили широкое распространение в создание тренажёров для занятий спортом.

Гидротурбины используются на ГЭС. Однако только в соответствие с силой напора:

Чтобы рассмотреть устройство гидравлического пресса, сначала дадим определение гидравлической машины:

Гидравлическая машина в основе представляет собой два цилиндра разного диаметра, в каждом из которых имеется поршень (рисунок 4). Цилиндры соединены между собой трубкой и заполнены жидкостью (водой, маслом или др.).

Так как эти цилиндры представляют собой сообщающиеся сосуды, высота столба жидкости в них будет одинакова, пока на поршни находятся в состоянии покоя.

Рисунок 4. Схематическое изображение принципа работы гидравлической машины.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда на поршни действуют некоторые силы $F_1$ и $F_2$, а $S_1$ и $S_2$ — площади поршней. По определению давления мы уже знаем, что $p=\frac$, тогда:

Давление, оказываемое меньшим поршнем: $p_1=\frac$

Давление, оказываемое большим поршнем: $p_2=\frac$

Так как сосуды соединены между собой, по закону Паскаля $p_1 = p_2$ или $\frac = \frac$, откуда следует, что

Сила, действующая на поршень, прямо пропорциональна площади этого поршня. Следовательно, сила $F_2$ больше силы $F_1$ во столько раз, во сколько раз площадь большего поршня $S_2$ больше площади меньшего $S_1$.

Например, если площадь большого поршня $300 см^2$, а маленького $3 см^2$ и на него действует сила $100 Н$, то на большой поршень будет действовать сила $10 000 Н$.

Показательное отношение $\frac$ называют выигрышем в силе. Другими словами, с помощью гидравлической машины можно малой силой уравновесить большую силу.

Гидравлический пресс – это гидравлическая машина, служащая для сдавливания (прессования).

Гидравлические прессы эффективно работают для преобразования малой силы в большую: используются для спрессовывания семян при изготовлении масла, для склеивания строительных материалов, для штамповки ювелирных изделий. Современные гидравлические прессы могут развивать силу в сотни миллионов ньютонов (рисунок 5).

Усложняем схему устройства гидравлической машины: теперь над большим поршнем 2 имеется платформа, куда мы помещаем прессуемое тело 1.

С помощью малого поршня 3 мы создаем большое давление на жидкость, которое также начинает действовать на поршень 2. Происходит это потому, что давление передается без изменения в каждую точку жидкости (закон Паскаля).

Площадь поршня 2 больше площади поршня 3, поэтому и сила, действующая на него, будет больше (давление одинаковое). Под действием этой силы поршень 2 начинает подниматься и придавливает прессуемое тело к неподвижной верхней платформе.

Здесь же установлен манометр 4 для контроля давления жидкости и предохранительный клапан 5 (автоматически открывается, когда давление превышает максимально допустимое в данном устройстве значение).

При повторяющихся движениях поршня 3 жидкость снова попадает из малого цилиндра в большой: малый поршень поднимается и открывается клапан 6. Пространство под поршнем моментально заполняется жидкостью. Когда же малый поршень 3 опускается, клапан 6 закрывается под давлением жидкости, а клапан 7 открывается. Так жидкость снова оказывается в большом сосуде.

Другие устройства и задачи

Еще одной известной разновидностью гидравлических машин является гидравлический тормоз. На данный момент практически все автомобили оснащены гидравлическими тормозами. Рассмотрим принцип работы, используя упрощенную схему (рисунок 7).

Водитель ногой создает давление на педаль тормоза, это действие передается на поршень цилиндра с тормозной жидкостью. По закону Паскаля это давление передается одинаково во все тормозные цилиндры колес автомобиля. Под давлением жидкости подвижные поршни, находящиеся в тормозном устройстве, расходятся и прижимают тормозные колодки к тормозным барабанам – вращение колес прекращается.

Другое распространенное устройство – гидравлический домкрат (рисунок 8). Принцип действия домкрата идентичен принципу действия гидравлического пресса, но с помощью него можно поднимать очень тяжелые предметы.

Жидкостью здесь выступает гидравлическое масло, а также имеется нагнетательный и спускной клапана.

Гидравлической машиной (гидромашиной) называется машина, предназначенная для преобразования механической энергии в энергию движущейся жидкости или наоборот. В зависимости от вида преобразования энергий гидромашины делятся на насосы и гидродвигатели.

Насос – это гидромашина для создания потока рабочей жидкости путем преобразования механической энергии в энергию движущейся жидкости. Гидродвигатели служат для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию выходного звена гидромашины.

По принципу действия гидромашины делятся на два класса: динамические и объемные. Преобразование энергии в динамических гидромашинах происходит при изменении количества движения жидкости. В объемных гидромашинах энергия преобразуется в результате периодического изменения объема рабочих камер, герметично отделенных друг от друга.

Динамический насос устроен так, что жидкость в нем перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся с входом и выходом насоса.

В объемных насосах жидкость перемещается за счет периодического изменения объема занимаемой ее камеры, попеременно сообщающейся с входом и выходом насоса.

Самовсасывающие насосы создают вакуум в камерах, объем которых увеличивается, в результате чего рабочая жидкость всасывается из бака, и одновременно вытесняют жидкость из камер, объем которых уменьшается; несамовсасывающие насосы выполняют лишь последнюю функцию.

Объемные гидромашины в принципе могут быть обратимы, т.е. работать как в качестве насоса, так и в качестве гидродвигателя. Однако, обратимость конкретных гидромашин связана с особенностями их конструкции.

Объемые гидродвигатели в зависимости от характера движения выходного звена подразделяются на гидромоторы (гидродвигатели вращательного движения), гидроцилиндры (гидродвигатели поступательного движения) и поворотные гидродвигатели (гидродигатели возвратно-поворотного движения).

Читайте также: