Hydraulický pohon ( hydraulický pohon ) je soubor dílů a zařízení určených k uvádění strojů a mechanismů do pohybu pomocí hydraulické energie (energie proudění kapaliny).
Hydraulický pohon tvoří spolu s pomocnými mechanismy (zpravidla s mechanickou převodovkou ) hydraulický převod .
V roce 1795 vynalezl anglický vynálezce Bramah hydraulický lis .
Hlavní funkcí hydraulického pohonu, stejně jako mechanického převodu, je transformace mechanických charakteristik hnacího motoru v souladu s požadavky zátěže (transformace typu pohybu výstupního článku motoru, jeho parametrů , dále regulace, ochrana proti přetížení atd.). Další funkcí hydraulického pohonu je přenos výkonu z hnacího motoru na pracovní orgány stroje (např. u jednolopatového rypadla přenos výkonu ze spalovacího motoru na lopatu nebo na pohon výložníku hydromotory , na otočné motory plošiny atd.).
Obecně řečeno, přenos síly v hydraulickém pohonu probíhá následovně:
Hydraulické pohony mohou být dvou typů: hydrodynamické a objemové.
Objemový hydraulický pohon je hydraulický pohon využívající objemové hydraulické stroje ( čerpadla a hydromotory ). Objemový se nazývá hydraulický stroj , jehož pracovní proces je založen na střídavém plnění pracovní komory kapalinou a její vytlačování z pracovní komory. Mezi objemové stroje patří například pístová čerpadla , axiální pístová , radiální pístová , ozubené hydraulické stroje atd.
Jednou z vlastností, která odlišuje objemový hydraulický pohon od hydrodynamického, jsou vysoké tlaky v hydraulických systémech. Jmenovité tlaky v hydraulických systémech rypadel tak mohou dosahovat 32 MPa , v některých případech může být provozní tlak i více než 300 MPa , přičemž hydrodynamické stroje obvykle pracují při tlacích nepřesahujících 1,5-2 MPa .
Objemový hydraulický pohon je mnohem kompaktnější a lehčí než hydrodynamický, a proto je nejrozšířenější.
V závislosti na konstrukci a typu prvků obsažených v hydraulické převodovce lze objemové hydraulické pohony klasifikovat podle několika kritérií.
když je jako hydromotor použit hydromotor , ve kterém hnaný článek (hřídel nebo skříň) vykonává neomezený rotační pohyb;
Hydraulický progresivní pohybve kterém je jako hydromotor použit hydraulický válec - motor s vratným pohybem hnaného článku ( pístnice , plunžru nebo skříně);
Hydraulický rotační pohybkdyž je jako hydromotor použit rotační hydromotor , ve kterém hnaný článek (hřídel nebo skříň) vykonává vratnou rotaci o úhel menší než 270°.
Pokud jsou otáčky výstupního táhla (hydraulický válec, hydromotor) řízeny změnou otáček motoru, který pohání čerpadlo, pak je hydraulický pohon považován za neregulovaný.
Nastavitelný hydraulický pohonu kterého lze při jeho provozu měnit otáčky výstupního táhla hydromotoru dle požadovaného zákona. Na druhé straně může být regulace:
Regulace může být: manuální nebo automatická .
V závislosti na řídicích úlohách může být hydraulický pohon:
automaticky mění dodávku kapaliny podle aktuální potřeby hydraulického systému v reálném čase (bez zpoždění).
ve kterém se pracovní kapalina z hydromotoru vrací do sacího hydraulického potrubí čerpadla.
Hydraulický pohon s uzavřeným oběhem pracovní kapaliny je kompaktní, má malou hmotnost a umožňuje vysoké otáčky rotoru čerpadla bez rizika kavitace , protože v takovém systému je tlak v sacím potrubí vždy vyšší než atmosférický tlak. Mezi nevýhody patří špatné podmínky pro chlazení pracovní kapaliny, dále nutnost vypouštění pracovní kapaliny z hydraulického systému při výměně nebo opravě hydraulického zařízení;
Hydraulický pohon s otevřeným oběhovým systémemve kterém je pracovní tekutina neustále ve spojení s hydraulickou nádrží nebo atmosférou.
Výhodou takového schématu jsou dobré podmínky pro chlazení a čištění pracovní tekutiny. Takové hydraulické pohony jsou však objemné a mají velkou hmotnost a otáčky rotoru čerpadla jsou omezeny přípustnými (z podmínek nekavitačního provozu čerpadla) rychlostmi pohybu pracovní tekutiny v sacím potrubí.
U hydraulického pohonu čerpadla, který je v technice nejrozšířenější, se mechanická energie přeměňuje čerpadlem na energii hydraulickou, nosičem energie je pracovní tekutina , ta je čerpána přes tlakové potrubí do hydromotoru, kde se energie proudění tekutiny se přeměňuje na mechanickou energii. Pracovní kapalina se po odevzdání energie hydromotoru vrací buď zpět do čerpadla (uzavřený okruh hydraulického pohonu) nebo do nádrže (otevřený nebo otevřený okruh hydraulického pohonu). V obecném případě zahrnuje pohon hydraulického čerpadla hydraulickou převodovku, hydraulická zařízení, kondicionéry pracovních kapalin, hydraulické nádrže a hydraulická vedení.
Nejpoužívanějšími hydraulickými pohony jsou axiální pístová , radiální pístová , lamelová a zubová čerpadla.
Hlavní hydraulický pohonV hlavním hydraulickém pohonu je pracovní kapalina čerpána čerpacími stanicemi do tlakového potrubí, na které jsou napojeny spotřebiče hydraulické energie. Na rozdíl od hydraulického pohonu čerpadla, který má zpravidla jeden (zřídka 2-3) generátor hydraulické energie (čerpadlo), může být takových generátorů v hlavním hydraulickém pohonu velké množství a může být i docela mnoho spotřebitelů hydraulické energie.
Bateriový hydraulický pohonU akumulátorového hydraulického pohonu je kapalina přiváděna do hydraulického vedení z předem nabitého hydraulického akumulátoru . Tento typ hydraulického pohonu se používá především u strojů a mechanismů s krátkodobými provozními režimy.
Hydraulické pohony jsou elektrické , poháněné spalovacími motory , turbínami atd.
U hydraulického pohonu tohoto typu vykonává výstupní článek hydromotoru vratné nebo vratné rotační pohyby s vysokou frekvencí (až 100 pulzů za sekundu).
Povinnými prvky hydraulického pohonu jsou čerpadlo a hydromotor . Čerpadlo je zdrojem hydraulické energie a hydromotor je jeho spotřebitelem, to znamená, že přeměňuje hydraulickou energii na mechanickou energii. Pohyb výstupních článků hydromotorů je řízen buď pomocí ovládacích zařízení - škrticích klapek , hydraulických rozvaděčů apod., nebo změnou parametrů hydromotoru a/nebo samotného čerpadla.
Povinnou součástí hydraulického pohonu jsou také hydraulická vedení , kterými se kapalina pohybuje v hydraulickém systému .
Pro hydraulický pohon (především objemový pohon) je kritické čištění pracovní kapaliny od abrazivních částic v ní obsažených (a neustále vznikajících během provozu). Hydraulické pohonné systémy proto nutně obsahují filtrační zařízení (například olejové filtry ), i když v zásadě může hydraulický pohon nějakou dobu fungovat i bez nich.
Protože provozní parametry hydraulického pohonu výrazně závisí na teplotě pracovní kapaliny, jsou v některých případech, ale ne vždy, v hydraulických systémech instalovány systémy regulace teploty (topná a / nebo chladicí zařízení).
Počet stupňů volnosti v hydraulickém systému lze určit jednoduchým spočítáním počtu nezávisle ovládaných hydromotorů .
Objemový hydraulický pohon se používá u důlních a silničních strojů . V současné době je více než 50 % z celkového vozového parku mobilních silničních stavebních strojů ( buldozery , bagry , autogrejdry atd.) hydrofobizováno. Tím se výrazně liší od situace ve 30. a 40. letech 20. století, kdy se v této oblasti používaly především mechanické převody.
V průmyslu obráběcích strojů je hydraulický pohon také široce používán, ale v této oblasti zažívá vysokou konkurenci ostatních typů pohonů [1] .
Hydraulický pohon se v letectví rozšířil . Nasycení moderních letadel hydraulickými pohonnými systémy je takové, že celková délka potrubí moderního osobního dopravního letadla může dosáhnout několika kilometrů. V poslední době je v letectví trend přejít u hydraulických pohonů na elektronické řídicí systémy ( EDSU ) nahrazující hydraulickou logiku a obvody elektronickými.
V automobilovém průmyslu je nejrozšířenější posilovač řízení , který výrazně zvyšuje pohodlí při řízení . Tato zařízení jsou druhem servohydraulických pohonů . Hydraulické posilovače nacházejí uplatnění i v mnoha dalších oblastech techniky (letectví, konstrukce traktorů, průmyslová zařízení atd.).
V některých nádržích, například v japonské nádrži typu 10 , se používá hydrostatický převod , což je ve skutečnosti objemový hydraulický pohonný systém . Stejný typ převodovky je instalován v některých moderních buldozerech .
Obecně jsou hranice působnosti hydraulického pohonu určeny jeho výhodami a nevýhodami.
Mezi hlavní výhody hydraulického pohonu patří:
Mezi nevýhody hydraulického pohonu patří:
Hydraulická technická zařízení jsou známá již od starověku. Například čerpadla pro hašení požárů existovala již ve starověkém Řecku [2] .
Hydraulický pohon se však jako integrální systém zahrnující čerpadlo , hydromotor a zařízení pro distribuci kapaliny začal vyvíjet v posledních 200-250 letech.
Jedním z prvních zařízení, které se stalo prototypem hydraulického pohonu, je hydraulický lis . V roce 1795 získal patent na takové zařízení Joseph Bramah [ 3] , za pomoci Henryho Maudsleyho a v roce 1797 byl postaven vůbec první hydraulický lis [4] .
Na konci 18. století se objevila první hydraulicky poháněná zdvihací zařízení , ve kterých sloužila jako pracovní tekutina voda . První jeřáb s hydraulickým pohonem byl uveden do provozu v Anglii v letech 1846-1847 [5] , od druhé poloviny 19. století se hydraulický pohon hojně používal u zdvihacích strojů.
Vznik prvních hydrodynamických převodů je spojen s rozvojem stavby lodí na konci 19. století. V té době se v námořnictvu začaly používat rychloběžné parní stroje . Kvůli kavitaci však nebylo možné zvýšit počet otáček vrtulí. To vyžadovalo použití dalších mechanismů. Protože tehdejší technologie neumožňovala výrobu vysokorychlostních ozubených kol, bylo nutné vytvořit ozubená kola zásadně nová. Prvním takovým zařízením s relativně vysokou účinností byl hydraulický transformátor vynalezený německým profesorem G. Fötingerem (patent z roku 1902) [6] , což bylo čerpadlo, turbína a pevný reaktor spojený v jednom krytu. Nicméně, první hydrodynamická převodovka uvedená do praxe byla vytvořena v roce 1908 a měla účinnost asi 83 %. Později našly hydrodynamické převodovky uplatnění v automobilech. Zvýšily plynulost rozjezdu. V roce 1930 Harold Sinclair , pracující pro společnost Daimler , vyvinul převodovku pro autobusy, včetně kapalinové spojky a planetového převodu [7] . Ve 30. letech 20. století byly vyrobeny první dieselové lokomotivy pomocí kapalinových spojek [8] .
V SSSR byla první hydraulická spojka vytvořena v roce 1929.
V roce 1882 představila společnost Armstrong Whitworth rypadlo , které mělo poprvé hydraulicky poháněnou lžíci [9] . Jedno z prvních hydraulických rypadel vyrobila francouzská společnost Poclain v roce 1951 . Tento stroj však nedokázal otočit věž o 360 stupňů. První plně otočné hydraulické rypadlo představila stejná společnost v roce 1960. Počátkem 70. let hydraulická rýpadla, která měla větší produktivitu a snadnou obsluhu, v podstatě vytlačila z trhu své předchůdce, kabelově tažená rýpadla [10] .
První patent hydraulického posilovače získal Frederick Lanchester ve Velké Británii v roce 1902. Jeho vynálezem byl „zesilovací mechanismus poháněný hydraulickou energií“ [11] . V roce 1926 Pierce Arrow, inženýr v divizi nákladních automobilů společnosti , předvedl dobrý výkon posilovače řízení u General Motors, ale automobilka se domnívala, že uvedení těchto zařízení na trh by bylo příliš drahé [12] [13] . První komerční posilovač řízení vyrobil Chrysler v roce 1951 a většina nových vozů nyní přichází s posilovačem řízení.
Honda poté, co v roce 2001 představila hydrostatickou převodovku pro svůj model terénního vozidla FourTrax Rubicon , v roce 2005 oznámila motocykl Honda DN-01 s hydrostatickou převodovkou , včetně čerpadla a hydromotoru. Model se začal prodávat na trhu v roce 2008. Byl to první model silničního vozidla, který používal hydrostatickou převodovku [14] .
Perspektivy rozvoje hydraulického pohonu jsou z velké části spojeny s rozvojem elektroniky. Zlepšení elektronických systémů tedy umožňuje zjednodušit řízení pohybu výstupních článků hydraulického pohonu. Zejména v posledních 10-15 letech se začaly objevovat buldozery , jejichž ovládání je uspořádáno na principu joysticku .
Pokrok v oblasti diagnostiky hydraulického pohonu je spojen s vývojem elektroniky a výpočetních nástrojů. Proces diagnostiky některých moderních strojů lze jednoduchými slovy popsat následovně. Specialista připojí přenosný počítač ke speciálnímu konektoru na stroji. Prostřednictvím tohoto konektoru získává počítač informace o hodnotách diagnostických parametrů z různých senzorů zabudovaných v hydraulickém systému. Program nebo specialista analyzuje přijatá data a vydá závěr o technickém stavu stroje, přítomnosti nebo nepřítomnosti závad a jejich lokalizaci. Podle tohoto schématu se provádí diagnostika například některých moderních lopatových nakladačů . Vývoj výpočetních nástrojů zlepší proces diagnostiky hydraulického pohonu a strojů jako celku.
Důležitou roli ve vývoji hydraulického pohonu může hrát tvorba a zavádění nových konstrukčních materiálů. Rozvoj nanotechnologií přinese zejména zvýšení pevnosti materiálů, čímž dojde ke snížení hmotnosti hydraulického zařízení a jeho geometrických rozměrů a ke zvýšení jeho spolehlivosti. Na druhé straně vytvoření odolných a zároveň elastických materiálů umožní například snížit nedostatky mnoha hydraulických strojů, zejména zvýšit tlak vyvíjený membránovými čerpadly .
V posledních letech došlo k výraznému pokroku ve výrobě těsnících zařízení . Nové materiály poskytují úplnou těsnost při tlacích do 80 MPa , nízké koeficienty tření a vysokou spolehlivost [1] .