Горные машины и комплексы
Рис.1.1. Функциональная схема объемного гидропривода
где: Q -объемный расход, м3/с; р -давление жидкости, Па.
Если давление выражено в Па, а расход в м3/с, то для опре­деления мощности N в кВт используют
формулу:
где St и S2 - рабочие площади поршней цилиндров 1 и 2.
Согласно формуле (1.8) сила, действующая на поршень ци­линдра 2:
где: Q2-расход рабочей жидкости, м3/с;  D -диаметр цилин­дра 2, м.
Равновесие сил, действующих в рассматриваемой схеме, можно сравнить с равновесием рычага (рис.
1.2, б). Длины плеч 1Х и /а рычага связаны соотношением
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ  ГИДРОПРИВОДОВ
В настоящее время объемные гидроприводы широко приме­няют во многих отраслях техники:
· в металлорежущих станках, автоматах и агрегатах -для зажима заготовок и подачи режущего
инструмента. Следящие гидроприводы копировальных станков позволяют обрабатывать детали с
применением копира. Применяют также следящие гидро­приводы с числовым программным
управлением;
· в кузнечно-прессовом оборудовании - в качестве силовых при­водов прессов и молотов;
· в водном транспорте - в качестве силовых приводов гребных установок, палубных лебедок, кранов и
других вспомогательных судовых механизмов, а также для поворота рулей судов;
· в шахтном и горнорудном оборудовании (в угледобывающих комбайнах, стругах, домкратах и
механизмах подачи);
· в транспортных машинах -для силовых трансмиссий, упра­вления скоростями движения и
поворотом руля автомобиля, опрокидывания кузова самосвалов;
· в дорожных и подъемно-загрузочных машинах (экскаваторах, грейдерах, скреперах, кранах и т. д.) -
для подъема и пере­мещения груза;
· в авиационной и ракетной технике -для управления аэроди­намическими и газовыми рулями, в
механизмах изменения гео­метрии крыла, в механизмах управления шасси и наземных установках
обеспечения и запуска летательных аппаратов;
· в сельскохозяйственных машинах - для управления навесными агрегатами, в уборочных комбайнах в
качестве силовых транс­миссий, как рулевое управление тракторов и комбайнов;
· в радиолокационной технике - для поворота антенн. При этом. практически не возникают ни
магнитные, ни электрические по­мехи;
· в манипуляторах - в качестве силовых приводов отдельных органов, которые довольно просто
обеспечивают обратную связь по усилиям, возникающим на рабочих органах манипулятора.
Широкое применение объемных гидроприводов во многих отраслях техники обусловлено тем,
что они обладают существенеными преимуществами перед электроприводами и механическими
передачами аналогичного назначения. Основные из них:
· возможность плавного бесступенчатого регулирования ско­ростей выходных звеньев;
· сравнительно широкий диапазон регулирования, например, передаточное отношение гидромотора
(отношение минимальной частоты вращения к максимальной) составляет во многих случаях 1 : 1000;
· быстродействие и высокая точность отработки сигналов упра­вления, а также легкость
реверсирования. Эти преимущества гидропривода объясняются тем, что подвижные части объемных
гидромашин обладают малой инерционностью. Например, частота реверсирования некоторых
гидромоторов может быть доведена до 150 реверсов в минуту;
· высокий коэффициент усиления мощности при малом числе каскадов усиления. Например, в
объемных гидроприводах коэф­фициент усиления мощности одного каскада (отношение мощности на
выходе к мощности на входе) может достигать 1000;
· передача больших мощностей при малых габаритных размерах и массе объемных гидромашин.
Наименьшие габаритные размеры объемных машин, как правило, определяются конструктивными
соображениями, в то время как наименьшие размеры электриче­ских машин обычно определяются
наибольшей допустимой плот­ностью магнитного потока и условиями нагрева и охлаждения.
Например, наиболее высокую энергоемкость (мощность, отне­сенную к единице объема) имеют
высокооборотные аксиально­поршневые гидромашины (6-7 кВт/дм3);
· большая жесткость нагрузочной (механической) характери­стики, т. е. объемные гидродвигатели
обладают стабильностью скорости выходных звеньев при изменении величины и знака нагрузки;
· простота преобразования одного вида движения в другое осо­бенно характерна для гидроцилиндров,
которыеобеспечивают поступательное движение выходных звеньев без каких-либо до­полнительных
устройств. В электромеханических же приводах поступательное движение выходных звеньев
обеспечивается лишь при помощи реечных передач, рычагов и тяг;
· надежное ограничение в заданных пределах величин нагрузок, возникающих в элементах машин.
Простота защиты оборудования от недопустимых нагрузок.

Недостатки объемных гидроприводов:

· зависимость характеристик гидропривода от изменения темпе­ратуры из-за изменения вязкости
рабочей жидкости;
· повышенные требования к точности изготовления отдельных устройств и промышленной чистоте
технологических процессов, что увеличивает стоимость гидропривода;
· относительная сложность монтажа и ремонта в условиях экс­плуатации.
· Критический анализ преимуществ и недостатков объемных гидравлических приводов позволяет
правильно выбрать тип привода. При.малых мощностях иногда предпочтительнее при­менять
электроприводы или пневмоприводы. Однако, когда тре­буются большие усилия и высокое
быстродействие, предпочтитель­нее объемные гидроприводы.
Под жидкостью понимают физическое тело, обладающее в от­личие от твердого тела текучестью и в
отличие от газа весьма ма­лой изменяемостью своего объема (при изменении давления или
температуры). Важнейшими физическими свойствами жидкости являются плотность, вязкость,
сжимаемость и тепловое расши­рение.
Плотностью однородной жидкости называют величину, рав­ную отношению массы жидкости к ее
объему:
где: т - масса жидкости, кг; V - объем жидкости, м3.
Размерность плотности dim р = Lˉ³M. Единица плотности в СИ кг/м3.
С повышением давления (при постоянной температуре) плот­ность жидкости увеличивается, а с
повышениемтемпературы (при постоянном давлении), как правило, уменьшается.
Удельный вес - физическая величина, равная отношению веса к объему, связана с плотностью
следующим соотношением:
где: G - вес жидкости, Н; V- объем жидкости, м3; g - ускоре­ние свободного падения, м/с2.
Размерность удельного веса  dim y = L-2 MT-2Единица удель­ного веса в СИ Н/м3.
Следует иметь в виду, что на разных географических широтах значения g различны. В
гидравлических расчетах принимают значение γ, определяемое при g=9,81м/с2.
Вязкость жидкости - свойство жидкости оказывать сопро­тивление сдвигу или относительному
смещению слоев. Вязкость проявляется в жидкости только при ее течении. Различают
динамическую и кинематическую вязкости жид­кости.
Рис. 1.3. Схема деформации элемента вязкой жидкости
где: v - скорость сдвига, м/с; I - расстояние между слоями жидкости, измеренное перпендикулярно
направлению ее движе­ния, м.
Градиент скорости показывает быстроту изменения при пере­ходе от одного слоя скорости жидкости,
отнесенного к расстоянию жидкости, к другому слою. Определяющее уравнение для динамической
вязкости выво­дится на основании гипотезы Ньютона, согласно которой при ламинарном течении
касательная сила внутреннего трения Т, возникающая между соседними слоями жидкости, пропорцио­
нальна площади трущихся слоев S и градиенту скорости в напра­влении, перпендикулярном
направлению течения жидкости:
где:  р -динамическая вязкость, Па с; τ -касательное напря­жение, Па.
Откуда:
т. е. чем больше вязкость жидкости, тем меньше ее текучесть.
Кинематическую вязкость жидкости определяют по формуле:
Рис. 1.4. Зависимость вязкости v рабочих жидкостей от температуры:
                        1 - МГЕ-4А;
                        2 - АГМ-10;
              3 - МГЕ-10А;
                                  4 - АУП.        
Количественно сжимаемость жидкости характеризуется модулем объемного сжатия:
где:  К0 - первоначальный объем жидкости, м3;
        Ар - изменение давления, действующего на жидкость, Па;
        ΔК  - изменение объ­ема жидкости, м3.
Единица модуля объемного сжатия в СИ - Па.
Из выражения (1.18) определяют изменение объема жидкости:
где: Q - количество теплоты, Дж;  т - масса жидкости, кг;  ΔТ - разность температур, К; -теплоемкость
жидкости, Дж/К.
Размерность удельной теплоемкости dim с = L2T_20_1. Еди­ница удельной теплоемкости в СИ: Дж/(кг·
К). Джоуль на кило­грамм-кельвин - удельная теплоемкость жидкости, имеющей при массе 1 кг
теплоемкость 1Дж/К.
Срединие значения удельной теплоемкости при температуре до 373 К (100 °С) для минеральных
масел см = 1880 ... 2090 Дж/(кг· К).
Теплопроводностью однородной жидкости называют вели­чину, равную отношению теплового
потока к площади поверхности, нормальной к тепловому потоку, и градиенту температур или
отношению поверхностной плотности теплового потока к гра­диенту температур:
                               1. ОСНОВЫ  ГИДРОПРИВОДА  ГОРНЫХ  МАШИН

      ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ  ОБЪЕМНЫХ   ГИДРОПРИВОДОВ

Объемным гидроприводом называют совокупность устройств, в число которых входит один или
несколько объемных гидродви­гателей, предназначенная для приведения в движения механизмов и
машин посредством рабочей жидкости под давлением. Основным определяющим устройством
гидропривода является его объемный гидродвигатель, выходное звено которого непосредственно или
через механическую передачу соединено с рабочим органом меха­низма или машиной (нагрузкой).
Помимо объемного гидродвига­теля в состав гидропривода могут входить следующие устройства: насосы
с приводящими двигателями, гидроаппараты, кондицио­неры рабочей жидкости, гидроемкости и
гидролинии. Каждое из входящих в состав гидропривода устройств выполняет опреде­ленные функции.
На рис. 1.1 показана функциональная схема объемного гидропривода.
Насосы (объемные или динамические) создают поток рабочей жидкости путем преобразования
механической энергии приводя­щих двигателей в гидравлическую.
Объемные гидродвигатели (гидроцилиндры, гидромоторы и по­воротные гидродвигатели)
преобразуют гидравлическую энергию рабочей жидкости в механическую энергию выходных звеньев
привода
Кондиционеры рабочей жидкости служат для получения необ­ходимых качественных показателей и состояния
рабочей жидкости. К ним относятся фильтры, теплообменные аппараты (охладители или нагреватели) и
воздухоспускные устройства.
Гидроемкости (гидробаки и гидроаккумуляторы) предназна­чены для содержания в них рабочей жидкости с
целью использо­вания ее в процессе работы гидропривода.
Гидролинии предназначены для движения рабочей жидкости от одного гидроустройства привода к другому или
внутри устрой­ства от одной полости к другой.
Все гидравлические устройства должны быть оснащены уплот­нительными устройствами, предназначенными для
герметизации соединений. Отдельные устройства могут быть объединены в агре­гаты, установки и блоки,
например насосный агрегат, насосная установка, рулевая машина, механизм управления и т. д.
В состав обычных гидроприводов могут входить электротехни­ческие изделия (управляющие электродвигатели,
электромагниты и т. п.), а также средства измерения и контроля.
Особо следует отметить роль рабочей жидкости в объемных гидроприводах. Рабочая жидкость в гидроприводе
является рабо­чей средой, т. е. носителем энергии. С помощью рабочей жидкости гидравлическая энергия от
источника передается к объемным гидродвигателям. В связи с выполнением указанной функции рабочую
жидкость рассматривают как один из основных элементов объемного гидропривода.
Основными силовыми и скоростными параметрами объемных гидроприводов являются давление и расход
рабочей жидкости, а также мощность гидропривода.
Давлением жидкости р называют физическую величину, рав­ную отношению силы dF, действующей на элемент
поверхности нормально к ней, к площади dS этого элемента:
При равномерном распределении силы F по поверхности пло­щадью S давление выражается формулой:
Размерность давления dim р = L_1Mr-2. Единицей давления в Международной системе единиц (СИ)
является паскаль (1 Па = = 1 Н/м2).  Паскаль - давление, вызываемое силой 1 Н, равно­мерно
распределенной по поверхности площадью 1 м2 и нормаль­ной к ней. При измерении давления
целесообразно применить единицу, кратную паскалю, -мегапаскаль (1 МПа = 106 Па Яй* 10 кгс/см2).
Объемный расход жидкости Q - физическая величина, равная объему жидкости V, протекающей через
поперечное сечение в единицу времени t, или произведению площади поперечного сечения S потока
на среднюю скорость течения жидкости:
Размерность объемного расхода dim Q - L2T-l. Единица объ­емного расхода жидкости в СИ м3/,с; 1 м3/с -
объемный расход, при котором через определенное сечение за 1 с перемещается жид­кость объемом 1 м3.
Допускается применять внесистемную еди­ницу расхода -л/мин (1 л/мин = 1,67-10~5 м3/с). Ряды номи­
нальных расходов жидкости для гидроприводов при­ведены в ГОСТ 13825-80. Объемный расход -
величина, харак­терная для всех гидравлических устройств, кроме насосов.
Для потока жидкости при установившемся режиме справед­ливо уравнение неразрывности:
Из уравнения (1.4) следует, что средние скорости потока жид­кости обратно пропорциональны площадям
поперечных сечений.
Мощность N -физическая величина, равная работе в еди­ницу времени. Размерность мощности dim N =
7ЛЛ4Г~3. Единица мощности в СИ Вт. Ватт -мощность, при которой работа 1 Дж совершается за время
1 с. При измерении мощности гидропри­водов целесообразно применять единицу, кратную ватту, -
кило­ватт (1 кВт = 103 Вт).
В области гидравлики определяющее уравнение для мощности, Вт, потока жидкости
Из выражения (1.5) следует, что расчетная мощность гидро­привода увеличивается при неизменном
расходе пропорционально повышению давления жидкости. При увеличении давления в усло­виях
обеспечения заданной мощности масса и габаритные размеры гидромашин уменьшаются. В
настоящее время номинальные да­вления достигли 16-32 МПа (160 -320 кгс/см2), а во многих с лучаях
и выше. Однако дальнейшее увеличение давления огра­ничено по конструктивным причинам.
Сравнение основных параметров гидроприводов и электропри­водов показывает аналогию между
давлением рабочей жидкости и электрическим напряжением, а также между расходом жидкости и
силой электрического тока, что позволяет представить эти раз­личные по своей природе приводы
одними и теми же по структуре дифференциальными уравнениями движения.
Принцип работы объемного гидропривода основан на законе Паскаля и высоком модуле объемного
сжатия рабочей жидкости. На рис. 1.2, а показана простейшая схема объемного гидропри­вода,
состоящего из двух гидромашин. Цилиндр 1 предназначен для работы в режиме насоса, цилиндр 2 - в
режиме объемного гидродвигателя (гидроцилиндра). На поршень цилиндра 1 действует сила Flt на
поршень цилиндра 2 - внешняя на­грузка F2.
Принцип работы гидропривода заключается в следующем. При принудительном перемещении поршня
цилиндра 1 вниз рабочая жидкость из него вытесняется в цилиндр 2, приводя его поршень в движение.
При этом давление рг, создаваемое в ци­линдре 1 силой Flt действует также и на поршень цилиндра 2
(по закону Паскаля). В цилиндрах устанавливается стати­ческое давление, которое без учета потерь
равно [см. формулу (1.2)1
Если давление выражено в кгс/см2, а расход в л/мин, то для мощности в кВт справедлива формула:
Следовательно, чем больше площадь S2, тем больше сила Ft. Согласно выражению (1.3) скорость
выходного звена-поршня цилиндра 2
Отсюда следует, что при соответствующем выборе размеров плеч представляется возможным
уравновесить большую силу F2 малой силой F1.
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ
Механизм возникновения динамической вязкости обусловлен тем, что при ламинарном
(прямолинейном слоистом) течении жидкости скорости частиц, расположенных в некотором
попереч­ном сечении трубы (рис. 1.3), различны, вследствие чего на по­верхностях
соприкасающихся слоев жидкости возникают силы трения. При этом слои жидкости, движущиеся
медленнее, тормо­зят течение слоев, движущихся быстрее, и, наоборот, слои жидко­сти,
движущиеся быстрее, увлекают за собой слои жидкости, движущиеся медленнее. При таком
движении происходит де­формация сдвига элементарного объема abed в a'b'c'd'.
Скорость сдвига количественно характеризуется градиентом скорости:
Размерность динамической вязкости dim м= LMT. Еди­ница динамической вязкости в СИ: Па·с. 
Паскаль-секунда - динамическая вязкость жидкости, касательное напряжение в которой при
ламинарном течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м по
нормали к направлению ско­рости, 1 м/с, равно 1 Па.
Величину, обратную динамической вязкости, называют теку­честью жидкости
Размерность кинематической вязкости dim v = L2Tˉ¹. Еди­ница кинематической вязкости в СИ - м2/с, в
системе СГС - стоке (Ст). 1 Ст = 100 сСт = 10ˉ4 м2/с = 1 см2/с.
Вязкость жидкости зависит от различных факторов. Особенно сильно на вязкость влияет изменение
температуры жидкости. Для разных жидкостей эта зависимость различна. С увеличением
температуры вязкость жидкости уменьшается (рис. 1.4) по нели­нейному закону.
Вязкость жидкостей на нефтяной и синтетической основе уве­личивается с увеличением давления. В
приближенных расчетах при давлении до 20 МПа (200 кгс/см2) зависи­мость вязкости от да­вления
обычно не учитывают.

На вязкость также влияет наличие воздуха­  в жидкости в растворен­ном и смешанном виде. При
увеличении содер­жания воздуха в жидко­сти вязкость ее умень­шается.
Сжимаемость жид­кости - свойство жидко­сти изменять объем под действием давления.
Модуль объемного сжатия увеличивается с увеличением давле­ния и уменьшением температуры.
Среднее значение модуля для масла АМГ-10 при давлении от 0 до 20 МПа и температуре 293 К
(20 °С) можно принять Е = 1430 МПа [7], т. е. относительное изменение объема жидкости при
этих условиях составляет при­близительно 1%. В тех случаях, когда таким изменением объема
можно пренебречь, рабочую жидкость считают несжимаемой, однако при динамических расчетах
гидросистем сжимаемость жидкости необходимо учитывать.
Тепловое расширение жидкости -свойство жидкости изменять объем в процессе ее
изобарического нагревания (при постоянном давлении). Количественно тепловое расширение
жидкости харак­теризуется температурным коэффициентом объемного расширения:
где: Т -разность температуры жидкости.
Размерность температурного коэффициента объемного рас­ширения dim b=@2 Единица температурного
коэффициента объемного расширения в СИ - Кˉ1. Кельвин в минус первой сте­пени - температурный
коэффициент объемного расширения, при котором изменения температуры на 1 К от принятой за
начальную вызывает относительное изменение объема жидкости, равное еди­нице.
Среднее значение температурного коэффициента объемного расширения при давлении от 0 до 15 МПа
для жидкостей на неф­тяной основе принимают $ = 7-10-4 Кˉ1.
Из теплофизических свойств жидкостей наибольшее практи­ческое значение имеют удельная
теплоемкость и теплопровод­ность.
Удельная теплоемкость однородной жидкости -отношение количества теплоты к массе жидкости и
разности температур (или отношение теплоемкости к массе жидкости):
где: Ф = Θ/t - тепловой поток, Вт; S - площадь поверхности, м2; grad Т = (T - T2)/j  - градиент
температуры, К/м;  q = Ф/S - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2.
Размерность теплопроводности dim λ = LМТ ˉ²Θˉ¹. Единица теплопроводности в СИ: Вт/(м·К) - Ватт
на метр-кельвин -тепло­проводность жидкости, в которой при стационарном режиме с поверхностной
плотностью теплового потока 1Вт/м2 устанавли­вается температурный градиент 1 К/м.
Среднее значение теплопроводности при 293 К (20 °С) для минерального масла λм = 0,128 Вт/(м·К).

РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРОПРИВОДОВ

Функции рабочей жидкости в объемных гидроприводах много­сторонни. Об основном назначении
рабочей жидкости как рабочей среды в объемном гидроприводе указывалось в § 1.1. Кроме того,
рабочая жидкость выполняет и другие важные функции [2].
Рабочая жидкость в гидроприводе является смазочной средой. Она осуществляет смазку трущихся
поверхностей деталей гидро­машин и других гидравлических устройств, поэтому в объемных
гидроприводах нет каких-либо специальных смазочных систем.
Рабочая жидкость в гидроприводе является теплоносителем: она переносит теплоту от нагретых
частей к холодным.
Рабочая жидкость в гидроприводе является промывочной средой: при движении она уносит с собой
продукты изнашивания и прочие загрязнения.
Рабочая жидкость в гидроприводе является одним из средств консервации: защищает поверхности
полостей гидромашин и дру­гих гидравлических устройств от коррозии.
Перечисленные функции рабочей жидкости играют важную роль в обеспечении функционирования
гидропривода, а также его надежности.
Условия эксплуатации рабочей жидкости, применяемой в гидро­приводах, могут быть весьма
сложными. На состояние рабочей жидкости прежде всего влияет широкий диапазон рабочих темпе­
ратур, а также наличие больших скоростей потока и высоких давлений. Так, температура рабочей
жидкости в некоторых гидроприводах может колебаться от -60 до 90 °С и более, а ско­рости потока
жидкости при дросселировании достигают 50 м/с и более. Давление жидкости в современных
гидроприводах дости­гает 32 МПа (320 кгс/см2) и выше. Необходимо также учитывать, что рабочей
жидкость находится в постоянном контакте с дета­лями, изготовленными из различных
конструктивных материалов.
Все многообразие применяемых в гидроприводах рабочих жидкостей можно разделить на две группы:
на минеральной (неф­тяной) и синтетической' основах. Рабочие жидкости на нефтяной основе имеют
сравнительно низкую верхнюю границу температур­ного диапазона и содержат
различныеантиокислительные и анти­коррозионные присадки. Синтетические рабочие жидкости
обла­дают высокотемпературными свойствами, негорючи. Один из основных недостатков
синтетических жидкостей -высокая стои­мость, поэтому их применяют крайне редко - при
необходимости обеспечить пожаробезопасную работу гидропривода при высо­ких температурах (до
350 °С).
В табл. 1.1 приведены характеристики основных рабочих жидкостей, применяемых в гидроприводах.
Существенное значение при выборе рабочей жидкости имеют вязкость, сжимаемость, температуры
вспышки и застывания.
Вязкость рабочей жидкости зависит от температуры и давле­ния. Уменьшение вязкости рабочей
жидкости увеличивает утечки в гидромашине, что ухудшает ее параметры. Для обеспечения работы
гидропривода с большими скоростями при низких давле­ниях следует выбирать рабочую жидкость с
меньшей вязкостью, так как вязкостные потери напора при больших скоростях потока значительны
При работе на больших давлениях - 32 МПа сле­дует выбирать рабочую жидкость с большой
вязкостью. Обычно вязкость ограничивает диапазон рабочих температур гидро­привода.
Следствием сжимаемости рабочей жидкости является снижение быстродействия гидропривода.
Сжимаемость жидкости ‘ следует учитывать при давлениях более 10 МПа, в диапазоне давлений от
0,1 до 10 МПа можно считать жидкость несжимаемой.
Температура вспышки - температура, при которой пары масла, нагреваемого в открытом или закрытом
тигле, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. За
температуру вспышки в открытом тигле при­нимают температуру появления первого синего пламени
над частью или всей поверхностью испытуемой рабочей жидкости. Температура вспышки является
показателем, позволяющим судить о пожарной безопасности.