Гидравлические Приводы Станков

Гидравлический привод станка в большинстве случаев имеет более низкий коэффициент полезного действия по сравнению со многими механическими передачами и, как весьма сложный, требует более квалифицированного обслуживания. Потери энергии в гидроприводе связаны с затратами на преодоление внутреннего трения и утечек рабочей среды через зазоры и уплотнения. Применение жидкостей с небольшой вязкостью способствует увеличению утечек, а стремление к уменьшению утечек приводит к тщательной пригонке сопрягаемых деталей гидравлических машин и аппаратов. Все это отражается на стоимости и трудоемкости изготовления таких приводов. Применяемые в качестве рабочей среды минеральные масла являются огнеопасными, а их заменители обладают худшими смазывающими свойствами. Часто неквалифицированное обслуживание приводит к загрязнению окружающей среды.

Требования повышения производительности и гибкости в управлении оборудованием приводят к необходимости увеличения быстродействия приводов и гибкости управления ими. Повышение быстродействия определяет необходимость повышения энергоёмкости привода и напряжённости рабочей среды в направлении передачи движения.

Наибольшую напряжённость имеют механические приводы (20-200 МПа). Управление механическими приводами весьма громоздко и осуществляется либо регулированием за счёт источника энергии, либо посредством развитых коробок скоростей.

Гидравлические приводы имеют напряжённость 6-100 МПа и допускают достаточно гибкое управление за счёт регулирования потока жидкости гидравлическими устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное.

Электроприводы станков имеют напряжённость 0,5-1,0 МПа. Они преобразуют электрическую энергию непосредственно в механическую и обладают возможностью гибкого управления.

Пневматические приводы имеют напряжённость такую же, как и электрические (0,6-1,0 МПа), но по сравнению с последними обладают незначительной инерционностью и более низким КПД.

Применению гидравлического привода в металлообрабатывающем оборудовании способствуют такие его особенности:

• он позволяет весьма просто осуществлять бесступенчатое регулирование скорости вращения или перемещения исполнительных органов;
• местоположение источника энергии (насосной станции) во многих случаях не оказывает существенного влияния на компоновку исполнительных органов на станке или устройстве;
• компактность и малая инерционность гидравлического привода позволяют легко и быстро изменять направление движения исполнительного органа; так, реверс гидравлического мотора мощностью 3,75 кВт при частоте вращения 2500 циклов/мин (42 цикла/с) может осуществляться за 0,02 с.;
• применение несложной гидравлической и электронной аппаратуры позволяет стабилизировать работу привода вне зависимости от величины нагрузки и температуры, а также предохранить привод от поломок при его перегрузке;
• если в качестве рабочей среды используют минеральные масла, то детали привода работают в условиях хорошей смазки, что способствует долговечности и надёжности работы привода.

Гидравлический привод станка в большинстве случаев имеет более низкий коэффициент полезного действия по сравнению со многими механическими передачами и, как весьма сложный, требует более квалифицированного обслуживания. Потери энергии в гидроприводе связаны с затратами на преодоление внутреннего трения и утечек рабочей среды через зазоры и уплотнения. Применение жидкостей с небольшой вязкостью способствует увеличению утечек, а стремление к уменьшению утечек приводит к тщательной пригонке сопрягаемых деталей гидравлических машин и аппаратов. Все это отражается на стоимости и трудоемкости изготовления таких приводов. Применяемые в качестве рабочей среды минеральные масла являются огнеопасными, а их заменители обладают худшими смазывающими свойствами. Часто неквалифицированное обслуживание приводит к загрязнению окружающей среды.

Требования повышения производительности и гибкости в управлении оборудованием приводят к необходимости увеличения быстродействия приводов и гибкости управления ими. Повышение быстродействия определяет необходимость повышения энергоёмкости привода и напряжённости рабочей среды в направлении передачи движения.

Наибольшую напряжённость имеют механические приводы (20-200 МПа). Управление механическими приводами весьма громоздко и осуществляется либо регулированием за счёт источника энергии, либо посредством развитых коробок скоростей.

Гидравлические приводы имеют напряжённость 6-100 МПа и допускают достаточно гибкое управление за счёт регулирования потока жидкости гидравлическими устройствами, имеющими различное управление, в том числе и электронное.

Электроприводы станков имеют напряжённость 0,5-1,0 МПа. Они преобразуют электрическую энергию непосредственно в механическую и обладают возможностью гибкого управления.

Пневматические приводы имеют напряжённость такую же, как и электрические (0,6-1,0 МПа), но по сравнению с последними обладают незначительной инерционностью и более низким КПД.

Применению гидравлического привода в металлообрабатывающем оборудовании способствуют такие его особенности:

он позволяет весьма просто осуществлять бесступенчатое регулирование скорости вращения или перемещения исполнительных органов;
местоположение источника энергии (насосной станции) во многих случаях не оказывает существенного влияния на компоновку исполнительных органов на станке или устройстве;
компактность и малая инерционность гидравлического привода позволяют легко и быстро изменять направление движения исполнительного органа; так, реверс гидравлического мотора мощностью 3,75 кВт при частоте вращения 2500 циклов/мин (42 цикла/с) может осуществляться за 0,02 с.;
применение несложной гидравлической и электронной аппаратуры позволяет стабилизировать работу привода вне зависимости от величины нагрузки и температуры, а также предохранить привод от поломок при его перегрузке;
если в качестве рабочей среды используют минеральные масла, то детали привода работают в условиях хорошей смазки, что способствует долговечности и надёжности работы привода.

Гидравлический привод часто устанавливают в станок автомат и полуавтомат для передачи движения основным и вспомогательным рабочим органам. Широкое применение гидравлического привода для указанной цели обусловлено рядом его преимуществ, к числу которых относятся:

• Возможность передачи больших сил при небольших габаритах гидроцилиндра.
• Возможность бесступенчатого регулирования скорости подачи в широких пределах для получения наивыгоднейших режимов резания и скоростей холостых ходов. Возможность цикловой настройки рабочих подач.
• Плавное реверсирование и торможение. Возможность остановки рабочего органа в заданный момент; удобство работы на мертвый упор.
• Широкие возможности применения гидравлических предохранительных устройств и блокировок движений различных органов.
• Дистанционность гидравлического привода, т. е. простота и легкость реализации пространственной связи между элементами привода различных рабочих органов; простота передачи значительных величин энергии по сложным путям. Это упрощает конструирование исполнительных механизмов вспомогательных рабочих органов.
• Относительно быстрая переналадка гидрофицированного станка на обработку других заготовок, что имеет существенное значение в серийном производстве при обработке заготовок небольшими партиями.
• Возможность применения стандартных конструкций и их элементов, получаемых со стороны от специальных заводов.
• Отсутствие деталей привода, работающих с высокими контактными напряжениями, что устраняет ряд «узких мест» в производстве, обусловленных браком деталей из-за материала, термической обработки и шлифования. Такие «узкие места» характерны для освоения производства кулачковых автоматов и полуавтоматов.

Наряду с указанными достоинствами гидравлический привод имеет следующие существенные недостатки, затрудняющие его применение:

• Нежесткая кинематическая характеристика привода, особенно при малых скоростях перемещения рабочих органов и малых расходах масла В насосах. Этот недостаток уменьшается при применении следящих гидравлических систем, но тем не менее затрудняет получение высокой точности и качества поверхности при чистовой обработке.
• Неплавная работа привода при таких операциях поперечного обтачивания, как прорезка канавок, работа фасонным или широким резцом с прямолинейной режущей кромкой (обтачивание шеек коленчатых валов). Для уменьшения (и даже устранения) влияния обоих этих недостатков применяют гидромеханический привод с передачей движения суппорту через дисковый кулачок, копирную линейку, ходовой винт, приводимые в движение от гидравлического привода.
• Обслуживание (за исключением наладки) гидрофицированных автоматизированных станков сложнее, чем кулачковых автоматов.
• Одним из недостатков гидрофицированных автоматизированных станков является сложность системы управления гидравлическим приводом для получения автоматического цикла.

Силовой гидроцилиндр - нецикловой исполнительный механизм. В этом отношении он подобен ходовому винту. Поэтому весь частный цикл движений рабочего органа, приводимого гидроцилиндром, осуществляется его индивидуальной системой управления, действующей с контролем по пути данного рабочего органа. Общецикловая связь между частными циклами различных рабочих органов осуществляется так же, как и при ходовом винтe, гидравлической или электрической системой управления. Она включает цикл движений данного рабочего органа на определенном этапе пути того рабочего органа, с которым этот рабочий орган связан последовательностью действия или взаимной блокировкой. Цикл движений данного рабочего органа выключается через его индивидуальную систему управления.

Таким образом, если рабочих органов несколько, применяют систему индивидуальных управлений с контролем по пути и с их взаимной связью и блокировкой.

Так как гидроцилиндр - нецикловой исполнительный механизм, то функции системы управления сильно расширяются по сравнению с кулачковыми автоматами, и система управления усложняется.

Наряду с этим система управления с контролем по пути упрощает переналадку станка при смене подлежащей изготовлению детали и позволяет применять его в серийном производстве.

Гидравлический привод дает возможность подавать командные импульсы и приводить в действие систему управления не только в функции пути, но и давления (работа на мертвый упор, предохранительные устройства, блокировка), и связанной с последним скорости рабочего органа.

Гидравлические следящие системы с обратной связью дают возможность копировать заданный профиль детали и движения, заданные командным механизмом.

При задании движений цикловыми командными механизмами возможна система управления от распределительного вала с контролем по времени.

При воздействии механизмов распределительного вала на управляющие или распределительные золотники (без обратной связи) во избежание разверки цикла в пространстве (вследствие нежесткости кинематической характеристики гидравлического привода) необходимо, чтобы каждый рабочий орган при замкнутых циклах его движений занимал постоянное исходное положение, доходя до упора (т. е. неизбежен хотя бы минимальный контроль по пути рабочего органа).

Командная сеть системы управления может быть либо гидравлической - гидравлическая система управления, либо электрической при гидравлической исполнительной сети управления - электрическая система управления.

При гидравлической системе управления импульсы от командных кулачков-упоров, связанных кинематически с перемещением рабочего органа, подаются на управляющие золотники-пилоты (осевые или поворотные), а от них - распределительным (основным) золотникам, управляющим потоками рабочей жидкости, поступающей в силовые гидроцилиндры. В некоторых случаях кулачки-упоры могут воздействовать непосредственно на распределительные золотники. При электрогидравлической системе управления электрические датчики (конечные и путевые выключатели, реле давления) под воздействием на них командных кулачков-упоров, связанных с перемещением суппорта, или при повышении давления в гидроцилиндре при работе суппорта на мертвый упор посылают через электрическую сеть управления командные сигналы электромагнитам. При малом расходе масла в рабочем гидроцилиндре электромагниты непосредственно перемещают основные распределительные золотники. При больших расходах масла электромагниты воздействуют на управляющие золотники-пилоты, которые направляют потоки масла для перемещения основных распределительных золотников.

Электрическая командная сеть управления облегчает централизацию управления на главном командном пульте при встраивании станка в автоматическую линию. Большое количество электрической контактной аппаратуры делает электрогидравлическую систему менее надежной, чем гидравлическая система управления.

При встраивании в автоматическую линию станок с гидравлической системой управления и его автоматический цикл включаются от электрической командной сети управления.

Гидравлические элементы системы управления автоматическим циклом различных рабочих органов объединяются в отдельные панели управления, что уменьшает габариты, облегчает нормализацию и упрощает монтаж гидрооборудования станка.

Скорость перемещения рабочего органа станка с помощью гидропривода станка определяет подача рабочей жидкости. Поэтому логическим условием регулирования указанной скорости является применение насосов с регулируемой подачей.

Привод с объемным регулированием для осуществления вращательного движения показан на рис. 1, а. Масляные насосы 2 с регулируемой подачей нагнетают масло в гидродвигатели станков 3. В результате этого выходной вал гидромотора вращается, а масло, совершившее работу, сливается в бак 1. Для ограничения крутящего момента установлен предохранительный клапан 4, который при повышении давления сверх нормы, сбрасывает масло в баки для масла гидросистем. Частота вращения выходного вала регулируется изменением подачи насоса либо изменением расхода гидромотора. Первый способ применяют при небольших мощностях.

Привод с объемным регулированием для осуществления прямолинейного движения показан на рис. 1, б. Его принципиальная схема состоит из насоса с регулируемой подачей, золотника 7, силового цилиндра с поршнем 8, соединенного штоком со столом или суппортом 5. Распределительное устройство трехпозиционное. В средней позиции (как на схеме) все поступающее от насоса масло сбрасывается на слив. При перемещении золотника 5 вправо масло поступает в левую полость цилиндра и через золотник сбрасывается в бак 1. Если золотник переместить влево, направление движения поршня меняется. Подпорный клапан 6 устроен таким образом, что масло через него может пройти лишь при небольшом давлении, порядка 0,3-0,8 МПа. Это способствует более плавному движению и устраняет подсасывание воздуха в гидросистему после ее выключения. Предохранительный клапан 4 служит для защиты системы от перегрузки.

Рис. 1. Гидравлические схемы привода с объемным регулированием скорости движения

Объемное регулирование при малых скоростях обладает существенным недостатком, который проявляется в виде заметных колебаний движения поршня гидродвигателя.

Гидравлический привод с дроссельным регулированием является наиболее распространенным (рис. 2, а). В отличие от предыдущего привода насос 1 нагнетает в систему постоянный объем масла. Масло, вытесняемое поршнем, пройдя распределительное устройство 2 и трубопровод 6, пропускается через дроссель 4, а затем сливается в бак. В системе образуются излишки масла, повышающие давление на участке между насосом и силовым цилиндром 3. Для снятия избыточного давления на этом участке устанавливают предохранительный клапан 5, работающий как переливной.

Дроссель 4 на рис. 2, а установлен на отводящем трубопроводе, поэтому данная система называется системой с дроссельным регулированием на выходе. Дроссель 4 на рис. 2, б установлен на нагнетательном трубопроводе 7, и поэтому система носит название системы с дроссельным регулированием на входе. Существуют схемы с дросселем на ответвлении (в параллель), у которых дроссель устанавливается между напорной и сливной трассами.

Недостатком обычных схем дроссельного регулирования является так называемая структурная неравномерность скорости, возникающая в результате изменения нагрузки силового органа при перемещениях.

Анализ полученных уравнений показывает, что обычные схемы дроссельного регулирования не обеспечивают постоянства перепада давления на дросселе и скорости перемещения силового органа при изменении величины нагрузки. Такие схемы применяют в том случае, когда колебаниями скорости можно пренебречь или когда полезная нагрузка почти не изменяется. Структурную неравномерность уменьшают применением дросселя в сочетании с редукционным клапаном или регулятора расхода (см. рис. 3). Схема регулирования, показанная на рис. 2, в, отличается от рассмотренной на рис. 2, а наличием редукционного клапана 8, который обеспечивает постоянство давления масла перед дросселем. Поскольку после дросселя давление постоянно и близко к атмосферному, перепад давления, а следовательно, и расход масла через дроссель будет стабилизирован. Это приводит к более равномерной подаче при изменяющейся нагрузке.

Рис. 2. Гидравлические схемы привода с дроссельным регулированием скорости движения

Неполное использование всего масла, подаваемого насосом при дроссельном регулировании, приводит к потере мощности и снижению КПД привода, однако простота, дешевизна и эксплуатационные достоинства этих систем гидропривода обеспечили их широкое применение в передачах станков. Дроссельное регулирование, несмотря на более низкий КПД (наибольшее значение η=0,67) по сравнению с объемным, оправдывает себя, обеспечивает надежную работу во всем диапазоне регулирования и имеет преимущественное применение в станочном гидроприводе при мощности до 10 кВт. Однако развитие гидроприводов станков идет в направлении использования объемного регулирования даже для приводов малой мощности.

Объемное регулирование возможно при использовании насосов постоянной подачи по схеме ступенчатого регулирования скорости, а также при подключении гидродвигателя по дифференциальной схеме.

Если гидродвигатель осуществляет в одном направлении рабочий ход, а в другом - быстрый холостой, то возможно двухступенчатое регулирование скорости при насосе постоянной подачи применением поршня с утолщенным штоком и подключением цилиндра по дифференциальной схеме (рис. 3, а). При положении золотника, показанном на рисунке, он соединяет обе полости и перекрывает слив. Поршень перемещается вниз со скоростью, которая будет зависеть от соотношения сечений поршня и штока. Если площадь составляет половину площади поршня, то скорость в обоих направлениях будет одинакова: v1=v2. При d=0,3D скорость обратного хода будет примерно в 10 раз больше скорости прямого хода. Этим обстоятельством часто пользуются в практике, особенно в силовых головках агрегатных станков.

Поршень вертикально расположенного цилиндра (рис. 3, а) может быть остановлен в любом положении поворотом крана управления 1, соединяющего напорную магистраль с баком. Напорный золотник 2 автоматически закрывает штоковую полость цилиндра, благодаря чему поршень со всеми связанными с ним деталями удерживается на весу. Чтобы открыть золотник 2, необходимо к поршню приложить такую силу, которая бы создавала давление, превышающее настройку пружины клапана. Обратный клапан 3 шунтирует золотник при подаче масла в штоковую полость цилиндра.

С целью сокращения вспомогательного времени гидропривод может работать с различной скоростью в течение одного цикла. Для этого применяют спаренные насосы с разделительной панелью: один для ускоренных перемещений (большой подачи и низкого давления), а другой для рабочих ходов (небольшой подачи и высокого давления). На рис. 3, б показана схема разделительной панели 5. Предохранительный клапан 5.3 панели ограничивает максимальное давление гидросистемы настройкой пружины. Разгрузочный клапан 5.2 настройкой своей пружины определяет давление системы, при котором отключается насос низкого давления 6 путем соединения его со сливом. Обратный клапан 5.1 панели отделяет область высокого давления от низкого. Кран 1 служит для остановки гидродвигателя при работающих насосах. При открытом кране насос высокого давления 4 и напорная магистраль соединяются со сливом.

На рис. 3, б показано применение напорного золотника при выполнении различных функций автоматического действия. Насос 7 большой подачи, предназначенный для быстрых ходов, отключается автоматически напорным золотником 2, который срабатывает как только на штоке цилиндра создается рабочая нагрузка.

Рис. 3. Принципиальные гидравлические схемы

Гидравлический привод наряду с механическим находит широкое применение в современных металлорежущих станках, особенно в шлифовальных, агрегатных и некоторых других. Гидравлические системы сравнительно простыми средствами приводятся к автоматическому цикловому действию. По сравнению с механическим гидравлический привод станка более компактен и менее металлоемок (порядка 1 кг/кВт); обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения рабочих органов станка, обладает лучшими динамическими характеристиками и позволяет осуществлять реверсирование прямолинейного движения; упрощает решение вопроса надежной смазки всех механизмов и направляющих станка, не требует специальных устройств для защиты деталей механизмов от перегрузок; позволяет легко перестраивать станок на различные структуры цикла и режимы работы.

Недостатками гидравлического привода, которые ограничивают его применение в станках, являются нестабильность работы привода из-за неизбежных температурных колебаний рабочей жидкости в процессе работы станка и более низкий КПД, обусловливаемый утечками и особенностью работы насосов постоянной подачи; невозможность точного соблюдения движений рабочих отношения при согласовании передаточного органов станка; необходимость применения устройств для очистки и охлаждения рабочей жидкости и дополнительного ухода за рабочим местом.

В металлорежущих станках гидравлический привод применяют в основном для прямолинейного движения и довольно редко для вращения. При современных повышенных скоростях движения исполнительных органов привод обеспечивает легко регулируемое плавное и активное гашение инерционных сил.

Гидравлические приводы содержат следующие элементы: масляные насосы и гидродвигатели (гидромоторы); контрольно регулирующая аппаратура и гидравлические распределители, регулирующие давление и расход циркулирующей жидкости, а также направление ее движения; гидроцилиндры, осуществляющие движение рабочего органа станка; соединительные магистрали (трубопроводы гидросистем), связывающие между собой элементы привода.

В качестве рабочей жидкости в станочных гидроприводах применяют минеральные масла. Вязкость - один из наиболее важных параметров при расчете и проектировании гидропривода и его элементов. Коэффициент кинематической вязкости v связан с коэффициентом динамической вязкости η соотношением v=η/ρ, где ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м3. В практике часто вязкость определяют в условных единицах, например градусах Энглера (2-8°E).

Для надежной работы гидравлического привода рабочая жидкость должна обладать стойкостью к окислению, сохранять первоначальные свойства, иметь температуру вспышки не выше 150°C и застывания не ниже - 20°С. В качестве рабочей жидкости наибольшее применение имеют минеральные масла: индустриальное 12 и 20, турбинное 22.

В качестве рабочей среды в гидроприводах станков применяют минеральные масла или жидкости на нефтяной основе, водные эмульсии и искусственные жидкости. Наиболее широко используются минеральные масла. Водные эмульсии применяют в приводах оборудования, которое работает в пожароопасных условиях. Искусственные жидкости используют в приводах специального назначения, работающих в широком диапазоне изменения температуры. Они дорогие и обладают худшими, чем минеральные масла, смазывающими свойствами.

Вязкость минеральных масел для гидравлических систем выбирают в зависимости от давления, при котором система будет работать, и типа насоса или гидромотора. Для гидросистем с быстроходными машинами вязкость масла должна быть несколько меньше, чем у систем с тихоходными машинами. Ориентировочно для выбора вязкости минерального масла можно использовать графики, приведенные на рис. 4.

Рис. 4. Графики для ориентировочного выбора вязкости минерального масла в зависимости от режима работы (давления р и скорости перемещения v) поступательного (а) и вращательного (б) гидромоторов

К жидкостям, используемым в качестве рабочих сред в гидравлических системах станков, предъявляют следующие требования:

• вязкость рабочей жидкости должна обеспечить достаточное уплотнение при наименьших затратах на преодоление сил внутреннего трения; она должна быть по возможности постоянной;
• рабочая жидкость гидросистем должна обладать хорошей смазывающей способностью, образовывать прочные пленки на поверхностях трущихся деталей для уменьшения трения и изнашивания;
• не вызывать коррозии металлических частей, набухания и разрушения уплотнений в течение всего срока службы;
• быть устойчивой к окислению и выделению паров, газов и смол, а содержащиеся в ней примеси не должны нарушать нормальную работу гидравлических устройств;
• быть безопасной в эксплуатации.

В гидравлических приводах очень важны средства уплотнения. Блез Паскаль сформулировал свой закон примерно так: если два сообщающихся сосуда уплотнить точно пригнанными поршнями, площадь одного из которых в 100 раз больше площади другого, то усилия одного человека, приложенные к меньшему поршню, будут эквивалентны усилию 100 человек на большем поршне. Но реализация описанной Паскалем машины стала возможна лишь спустя почти целое столетие, после того, как поршни удалось уплотнить с помощью волокон пряжи, пропитанных животным салом, т. е. «сальниками». Уплотнители (сальники) изготавливали из кожи, ткани, пряжи, резины. В настоящее время применяют синтетические материалы, которые расширяют эксплуатационные возможности гидроприводов.