Реализация схем приводов

Реализация схем приводов является важным аспектом в проектировании и эксплуатации различных механизмов и систем. Она включает в себя множество шагов, от выбора подходящих компонентов до интеграции и настройки системы.

Гидравлические схемы представляют собой наборы компонентов: насосы, клапаны, цилиндры и фильтры, соединенные в системе для передачи энергии с использованием жидкости под давлением. Ниже приведены примеры основных гидравлических схем.

Типы гидравлических схем

Силовые гидравлические схемы

• Простая силовая схема. Принципиальные гидравлические схемы содержат минимальное количество компонентов, таких как насос, распределительный клапан, гидроцилиндр или гидромотор, и обратный клапан. Назначение этих гидравлических схем — прямая передача силы или движения от насоса к исполнительному органу (гидравлические схемы гидроцилиндров).
  

• С последовательным включением. Один из основных видов гидравлических схем. В этой схеме несколько гидроцилиндров или гидромоторов работают последовательно, то есть один привод активируется после завершения работы другого.
  

• С параллельным включением. Все исполнительные элементы гидравлических схем работают одновременно. Для этого используются распределительные клапаны, регулирующие поток жидкости в различные части схемы.

Схемы управления

• С ручным управлением. Управление потоком жидкости осуществляется вручную через механические рычаги, управляющие распределительными клапанами.
  

• С электрическим управлением. Используются электромагнитные клапаны, которые переключаются электрическими сигналами, обычно от ПЛК или других систем автоматического управления.
  

• С пропорциональным управлением. Включает пропорциональные клапаны, которые позволяют плавно регулировать скорость и направление движения исполнительного органа на основе управляющего сигнала.

Схемы регулирования

• Регулирование давления. Используется для поддержания заданного уровня давления в системе. Включает предохранительные, редукционные и противодавления клапаны.
  

• Регулирование расхода. Регулирует принципиальную скорость потока жидкости и, соответственно, скорость движения исполнительного органа. Применяются дроссели, расходомеры и регулируемые насосы.
  

• Регулирование объема. Контролирует объем жидкости, поступающей в цилиндр или гидромотор, что позволяет управлять точным перемещением исполнительного органа.

Циркуляционные схемы

• Замкнутая. Жидкость постоянно циркулирует по замкнутому контуру, проходя через насос, исполнительные органы и возвращаясь обратно в бак. Такая схема часто используется в системах с реверсивными гидромоторами.
  

• Открытая. Жидкость поступает в систему из бака и после прохождения через исполнительные органы возвращается в бак через фильтр. Это наиболее распространенный тип схемы, используемый в большинстве гидравлических систем.

Схемы защиты

• С предохранительным клапаном. Включает основные предохранительные клапаны, которые защищают систему от избыточного давления, сбрасывая излишки жидкости обратно в бак.
  

• С байпасным клапаном. Позволяет избежать принципиальной перегрузки насосов или других компонентов путем открытия обходного канала для жидкости при достижении критического давления.

Смесительные и раздельные схемы

• Смесительная. Используется для смешивания потоков жидкости из разных источников в один общий поток. Это может быть необходимо для создания определенной смеси по температуре, давлению или составу.

• Раздельная. Позволяет разделять поток жидкости на несколько каналов — для одновременного питания нескольких исполнительных органов.

Сложные комбинированные схемы

• Включают в себя комбинации вышеописанных схем для выполнения сложных функций: управление несколькими гидравлическими приводами с различными требованиями по скорости, давлению и синхронизации (гидравлические схемы трубопроводов).

Как правильно читать гидравлические схемы

Как обозначаются гидравлические схемы и как их читать? Чтение схем требует понимания  условно графического обозначения гидравлических схем, которые обычно рисуются в соответствии с международными стандартами. Эти стандарты определяют символы, которые используются для обозначения гидравлических элементов на схемах. 

Условное обозначение гидравлических элементов на схемах

Насосы и моторы: обозначение насоса на гидравлической схеме обычно довольно просто: они изображаются кругами с треугольниками, показывающими направление потока.

Цилиндры: представлены прямоугольниками с линиями, указывающими поршень и шток.

Клапаны: изображаются в виде квадратов или прямоугольников, содержащих стрелки, кресты, буквы или линии, указывающие на тип и функцию клапана.

Фильтры и охладители: обычно изображаются кругом с горизонтальной линией, охладители — аналогично, но с дополнительными символами для воды или воздуха.

Чтение гидравлических схем — сложный процесс, поэтому нужно сперва нужно научиться читать изображения.

Схемы гидроприводов

Используя регулирующую и направляющую аппаратуру и приме­нив один из известных способов регулирования скорости, можно соз­давать различные приводы, выполняющие необходимые условия ра­боты. Так, на рис.2.124 показан привод, обеспечивающий жесткую ос­тановку гидродвигателя с использованием гидрозамка 3. При включе­нии распределителя 5 с помощью электромагнитов Э1 и Э2 в левую или правую позицию жидкость своим потоком открывает гидрозамок, и совершается ход гидроцилиндра 4 влево или вправо со скоростью, оп­ределяемой открытием дросселя 6, подсоединенного «на выходе» гид­роцилиндра. При включении распределителя 5 в среднюю позицию (оба электромагнита Э1 и Э2 отключены) подача насоса 1 прекращает­ся, а обе полости гидроцилиндра 4 соединяются с баком. Гидрозамок запирается и предотвращает выход рабочей жидкости из обеих полос­тей гидроцилиндра, вследствие чего происходит остановка поршня. Клапан механизма давления 2 обеспечивает поддержание постоянного макси­мального давления в напорной гидролинии насоса.

Рис.2.124. Гидропривод с гидравлическим замком

На графическом рисунке 2.125 показан принцип работы гидравлической схемы привода, обеспечивающего последова­тельную работу двух гидроцилиндров. При выключенном электромаг­ните Э распределитель 2 типа 4/2 находится в левой позиции. Рабочая жидкость от насоса 1 поступает в правую полость цилиндра 5, и его поршень перемещается влево, вытесняя жидкость из левой полости че­рез обратный клапан 4 и распределитель 2 в бак. Дойдя до жесткого упора (или до крышки цилиндра), он остановится, что приведет к рос­ту давления перед клапаном 8. При достижении давлением необходи­мого уровня, настраиваемого пружиной клапана давления 8, он откры­вается и начинает пропускать рабочую жидкость в правую полость гидроцилиндра 6. Его поршень станет двигаться влево, вытесняя жид­кость из левой полости в бак через распределитель 2. При переключе­нии гидравлического распределителя 2 в правую позицию (включени­ем электромагнита Э) первым начнет движение гидроцилиндр 6. Жид­кость из его правой полости будет направляться в бак через обратный клапан 7 и распределитель 2. Как только поршень цилиндра 6 остано­вится на жестком упоре, возросшее давление откроет клапан давления 3, и жидкость начнет поступать в левую полость цилиндра 5. Теперь начнет двигаться и поршень цилиндра 5. Таким образом, гидроцилин­дры совершают работу последовательно друг за другом. В отличие от предыдущей схемы (рис.2.124) клапан давления 9 ограничивает макси­мально допустимое давление в напорной гидролинии насоса 1 и в про­цессе работы привода закрыт, т.е. он предохраняет гидравлический привод от перегрузок (когда оба поршня стоят на жестком упоре).

Рис.2.125. Графическое изображение гидропривода последовательного действия

Схема на рис.2.126 представляет возмож­ности раздельного регулирования скорости гидродвигателя при движе­нии в обе стороны. Скорость движения изображенного поршня гидроцилиндра 3 с двус­торонним штоком регулируется дросселем 8. В этой схеме поршень ци­линдра 3 будет двигаться влево и вправо с одной скоростью v. Остановка поршня возможна в любом месте при переключении распределителя 2 в среднее положение (электромагниты Э1 и Э2 должны быть в этом случае выключены). Поршень же гидроцилиндра 4 с односторонним штоком может двигаться в обе стороны с разными скоростями v1 и v2 благодаря различной настройке дросселей аппаратов 5 и 6 при переключении рас­пределителя 7 электромагнитами Э3 и Э4 из левой позиции в правую и об­ратно. Причем здесь применен дроссельно-последовательный способ ре­гулирования скорости «на выходе». Недостаток этой схемы заключается в том, что поршень цилиндра 4 совершает движение в обе стороны на всю длину своего хода. Чтобы обеспечить промежуточную остановку поршня следовало бы вместо распределителя 7 типа 4/2 применить трехпозиционный распределитель (аналогичный распределителю 2). Клапан давления 9 расположенный в данной схеме во время работы привода открыт и обеспечивает поддер­жание постоянного давления в напорном трубопроводе насоса 1. Порядок работы гидроцилиндров 3 и 4 может быть любым и определяется циклограммой этого привода, реализуемой систе­мой управления.

Рис.2.126. Графическое изображение гидропривода с независимым регулированием скорости

Часто в гидравлических приводах технологического оборудова­ния необходимо синхронное движение двух и более гидродвигателей. Под синхронным движением гидравлических двигателей понимают такое движение, при котором изменение условий работы на одном из двигателей вызывает одинаковую реакцию обоих двигателей. Если по каким-либо причинам скорость одного из двигателей уменьшится, то уменьшится и скорость движения другого устройства, и наоборот. Синхронное движение нескольких двигателей может достигаться раз­личными методами, к примеру, применением жестких механических связей, регуляторов расхода, сумматоров и делителей потоков. На рис.2.127 показана схема гидравлического привода, в котором синх­ронное движение двух цилиндров обеспечивается с помощью делителя потока дроссельного типа модели КД. Работа происходит следующим образом. При подаче жидкости к делителю потока 5 она входит внутрь плавающего плунжера 6, а оттуда через дроссели Др3 и Др1 попадает к цилиндру 1 и через дроссели Др4 и Др2 к цилиндру 3. Их поршни, прео­долевая нагрузку F1 и F2, движутся со скоростями v1 = Q1/S1 и v2 = Q2 /S2 . В цилиндрах устанавливаются давления P 1 и P2 , а у тор­цов плунжера - давления P 3 и P 4. На плунжере устанавлива­ется равенство сил слева и справа, а сам он занимает в корпусе положе­ние, при котором устанавливаются зазоры h 1 и h2. Для этого равновес­ного положения можно обозначить уравнения выделившихся из потока Qн расходов рабочей жидкости Q1 и Q 2:

где S3 и S4- обозначают площадь проходного сечения дросселей Др3 и Др4 в виде площади сопел плунжера 6, µ- коэффициент расхода дросселей (0,62-0,65), ρ - плотность рабочей жидкости.

Рис.2.127. Синхронизация движений двух гидроцилиндров с помощью делителя потока дроссельного типа: а – схема работы; б – условное обозначение делителя потока

Рассмотрим, как работает делитель при изменении простых условий на од­ном из двигателей. К примеру, если сила F1 (символ нагрузки) на гидроцилинд­ре 1 возросла. Тогда вырастет и давление P 1  (P 1 = F1 /S1). Разность дав­лений P 3 — P 1 уменьшится, уменьшится и поток Q1. Значит, рост силы F1 вызовет уменьшение и скорости 1 поршня 2 гидроцилиндра 1. Для поддержания синхронного движения необходимо, чтобы уменьшилась и скорость v2 поршня 4 цилиндра 3. Это условие выполняется так. Уменьшение потока Q1 вызовет рост давления P 3 между дросселями Др1 и Др3. Нарушится равновесие сил на плунжере 6, и он начнет сме­щаться вправо. Вследствие этого уменьшится и зазор h2, что приведет к уменьшению потока Q2 (см. уравнение потоков) и, соответственно, скорости v2 . Таким образом, рост силы F1 привел к уменьшению обеих скоростей v1 и v2, т.е. реакция двух гидроцилиндров на изменившиеся условия работы на одном из них оказалась одинаковой. Когда же за­кончится переходный процесс? Смещение плунжера 6 вправо вызовет также рост давления P4. Поэтому процесс перемещения плунжера вправо закончится тогда, когда снова наступит равновесие сил на нем. Зазоры h1 и h2 будут иными, давления P 1, P 3 и P4 тоже други­ми, а потоки Q1 и Q 2 несколько меньшими, чем до изменения нагрузки F1. Если меняется нагрузка на другом двигателе, то срабатывание ап­парата аналогично рассмотренному выше.

Анализируя работу делителя потока и уравнения расходов Q 1 и Q 2 , можно установить, что деление потока Qн на два Q1 и Q 2 зависит от подбора дросселей Др3 и Др4. Синхронное дви­жение двух гидравлических двигателей может осуществляться при раз­ных скоростях v1 и v2. А рассмотренный делитель потока пропускает жидкость лишь в одном направлении. Поэтому для ревер­сивных приводов такой делитель потока, устанавливаемый на входе в двигатели, должен шунтироваться обратными клапанами. Отечествен­ная промышленность выпускает делители потока модели КДК со встроенными обратными клапанами, которые позволяют решить зада­чу реверса без дополнительных обратных клапанов.

На основе реализации простейших приводов создаются более сложные схемы гидравлических приводов технологического оборудо­вания. Так, на рис.2.128 показана упрощенная возможная гидравлическая схема промышленного робота, обслуживающего ка­кой-либо технологический участок.

Привод содержит пять гидравлических двигателей, приводящих в движение исполнительные органы промышленного робота. Назначение вертикального гидроцилиндра 22 — подъем-опускание кон­соли промышленного робота с его рукой и схватом, имеющей общую массу m и смонтированную на гильзе цилиндра. Скорость подъема-о­пускания v1 настраивается дросселем 7. Распределитель 20 типа 4/3 обеспечивает возможность остановки цилиндра в любом положении при выключенных электромагнитах Э2 и Э3 по команде системы уп­равления. Гидрозамок 21 одностороннего типа предотвращает самоп­роизвольное опускание консоли робота при выключенном питании гидросистемы.

Рис.2.128. Примерная схема гидропривода технологического оборудования

Цилиндр 26 обеспечивает выдвижение - втягивание руки робота. Реверс и остановка его поршня осуществляется распределителем 23 по команде, поступающей на электромагниты Э7 и Э8. Дроссель 8, 9, 10 дает возможность заранее настроить привод руки на три разных ско­рости v2. Эти скорости будут переключаться автоматически по коман­дам системы управления, поступающим на электромагниты Э4, Э5, Э6 распределителей 13,12 и 14 типа 3/2 соответственно. Дроссель 11 явля­ется тормозным и подключается к работе в нужные периоды функцио­нирования руки робота.

Гидромотор 27 является двигателем, обеспечивающим поворот ко­лонны робота с рукой на необходимый по условиям работы угол со ско­ростью n1, настраиваемый дросселями 30 и 15. Эти дроссели зашунтированы обратными клапанами 31 и 32, позволяющими обеспечить не­зависимое дроссельное регулирование скорости «на выходе». По ко­манде системы управления электромагниты Э9 и Э10 переключают распределитель 4 в нужную позицию. Неполноповоротный гидромо­тор 28 поворачивает руку робота со схватом на необходимый по зада­нию угол. Скорость поворота n2 настраивается дросселем 16, а направ­ление - распределителем 18 типа 4/2 с помощью электромагнита Э11.

Цилиндр 29 одностороннего действия с односторонним штоком является приводом схвата робота, зажимающим деталь. Причем, за­жим может быть гидравлическим (выдвижение поршня), а разжим -пружиной цилиндра. Но зажим может осуществляться пружиной, тог­да разжим - гидравлический. Команду на зажим-разжим выполняет распределитель 19 с электромагнитом Э12, подавая в цилиндр рабо­чую жидкость под постоянным пониженным давлением, настраивае­мым редукционным клапаном 17. Питание всей гидросистемы осущес­твляется насосом 2. Фильтр грубой очистки 1 и нормальной очистки 3 обеспечивают получение нужного класса чистоты рабочей жидкости. Предохранительный клапан давления непрямого действия обеспечи­вает поддержание в напорной гидролинии насоса постоянного давле­ния. Контроль настройки необходимого давления питания и давления в цилиндре зажима 29 осуществляется манометром 25, включаемого вручную распределителем 4. С помощью гидрораспределителя 6 с электромагнитом Э1 производится разгрузка насоса в аварийных си­туациях или в наладочном режиме работы гидросистемы.

Аналогично гидравлическим приводам на базе регулирующей и направляющей пневмоаппаратуры могут быть созданы и пневматичес­кие привода различного назначения. Так, на рис.2.129а показан пнев­матический привод цилиндра 1 двустороннего действия с односторон­ним штоком. С помощью пневмораспределителя 13 ручного управле­ния типа 5/2 осуществляется реверс пневмоцилиндра. Дросселем 3 нас­траивается скорость выдвижения поршня со штоком. Его движение влево (втягивание штока) осуществляется с большой скоростью благо­даря работе клапана быстрого выхлопа 2. Сжатый воздух под давлени­ем Р подается в штоковую полость через обратный клапан 4, минуя дроссель 3.

На рис.2.129б представлен пневматический реверсивный привод цилиндра 1, в котором изменение направления движения производится переключением распределителя 5 типа 5/2 путем подачи давления уп­равления Pу1 или Pу2. С помощью дросселей 6 и 7 можно независимо настраивать различные скорости движения при выдвижении или втя­гивании штока цилиндра 1.

Рис.2.129. Схемы пневматических приводов: а – с клапаном быстрого выхлопа; б – с независимым регулированием скорости; в – с путевым торможением

Схема пневмопривода на рис.2.129в дает возможность тормозить движение при выдвижении штока. Сжатый воздух под давлением Р по­дается через левую позицию распределителя 12 в бесштоковую полость цилиндра 1. Вместе со штоком движется управляющий кулачок 8, а воздух вытесняется из штоковой полости через нижнюю полость расп­ределителя 11 типа 2/2. В необходимый по циклу работы привода мо­мент кулачок 8 наезжает на управляющий механизм распределителя 11 и переключает его в верхнюю позицию, в которой выход воздуха через распределитель закрывается. Поэтому воздух направляется в дрос­сель 9, который создает на пути вытесняемого воздуха сопротивление, вследствие чего происходит плавное торможение движущегося поршня. Переключив по команде электрической системы управления распреде­литель 12 в правую позицию, сжатый воздух подается через обратный клапан 10 в правую полость цилиндра, и происходит реверс двигателя.

На рис.2.130 показаны схемы реверсивных пневматических приво­дов, в которых приведены примеры применения различных пневмоаппаратов для решения одной и той же задачи изменения направления движения двигателя.

Для осуществления реверса пневмоцилиндра 1 или неполноповоротного пневмомотора (рис.2.130а) достаточно применить распреде­литель 6 типа 4/2. При включении системы управления электромагнита 1 распределитель занимает левую позицию и изменяет направление движения пневмодвигателей.

Эту же задачу можно решить с помощью пневмораспределителей типа 3/2 с пневматической системой управления (рис.2.130б). При от­сутствии команды системы управления в виде давления управления Pу1 распределитель 9 находится в правой позиции, в которой каналы уп­равления пневмораспределителей 7 и 8 связаны с атмосферой. Поэтому под действием пружин распределитель 7 находится в левой позиции, а распределитель 8 - в правой. В этом случае сжатый воздух под давле­нием питания Ð поступает в левую полость пневмоцилиндра 3 или неполноповоротную пневмотора 4, а из правой полости рабочая среда вытесняется через распределитель 8 в атмосферу. По команде систе­мы управления в виде давления Pу1 распределитель 9 переключается в левую позицию и соединяет полости управления распределителя 7 и 8 с трубопроводом питания Р. Распределитель 7 переключается в пра­вую позицию, соединяя левую полость цилиндра 3 (или пневмомото­ра 4) с атмосферой. Распределитель 8 переключается в левую позицию и соединяет напорный пневмопровод с правой полостью пневмодвигателя. Поэтому он изменяет направление движения.

Рис.2.130. Реверсивные пневмоприводы: а - с распределителем типа 4/2 электрической системы управления; б - с распределителями типа 3/2 и пневматической системой управления; в - с редукционными клапанами давления

Аналогично работает и пневмопривод на рис.2.130в, в котором для реверса пневмоцилиндра 5 используются пневмораспределители 10, 11 и 13 типа 3/2 и редукционные пневмоклапаны давления 12 и 14. Отличие состоит в том, что для возврата поршня пневмоцилиндра 5 в левую сторону (втягивание штока) сжатый воздух подается в ци­линдр при пониженном давлении P1 по сравнению с давлением пита­ния пневмопривода Р. Снижение давления обеспечивается редукцион­ным клапаном 12 и позволяет экономить расход энергии. Также для управления работой пневмораспределителей по команде Pу1 тоже используется пониженное редукционным клапаном 14 давление Pу , что также обеспечивает экономию энергии.