CC BY
259
УДК 621.25
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПЕРЕДАЧ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ МАШИН
Г.А. Аврунин, доцент, к.т.н., И.И. Мороз, С.В. Поникаровская, ст. преподаватели, А.С. Чирочкин, студент, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрен краткий исторический путь развития и современный технический уровень объемных гидроприводов для мобильных машин. В основе проведенного анализа лежат достижения передовых отечественных и западных производителей компонентов для объемных гидроприводов, используемых в современных строительно-дорожных, подъемно-транспортных, сельскохозяйственных, специальных и других типах машин мобильного сектора применения..
Ключевые слова: насос, гидромотор, КПД, удельные показатели технического уровня.
Введение
Технический прогресс объемного гидропривода проявляется в непрерывном повышении его возможностей с точки зрения приобретения гидрофицированными машинами и механизмами более прогрессивных свойств и характеристик, таких как энергоемкость (под которой обычно понимается минимизация массы и габаритов при заданной выходной мощности), КПД, реализация режимов энергосбережения, надежность, быстродействие и точность позиционирования, функционирование в критических эксплуатационных условиях и др.
Достижение требуемых от гидропривода параметров зависит от возможностей его работы на повышенных нагрузках (давлениях), частотах вращения и температурах, что в значительной мере определяется уровнем технологии изготовления, методик расчета, материалов и комплектующих узлов (антифрикционных материалов, уплотнений, электроники, датчиков, подшипников, рукавов высокого давления и др.).
Объемный гидропривод является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей машиностроения как с точки зрения количественных показателей, так и повышения технического уровня. Современный этап раз-
вития гидропривода характеризуется прежде всего массовостью его производства во многих странах мира, автоматизацией производственных процессов гидрофицированных машин за счет использования достижений электрогидроавтоматики, поиском энергосберегающих решений на основе использования насосов и гидромоторов с регулируемым рабочим объемом, расширением температурного диапазона, широкой стандартизацией гидравлических компонентов, снижением уровня шума и, конечно, снижением металлоемкости гидромашин и гидроаппаратов. Поэтому систематизация и анализ достижений и проблем современного гидропривода должны оказать влияние на формирование актуальных задач для отечественных конструкторов и ученых в области гидропривода, откроют для потребителей более широкие возможности подбора гидрооборудования, и, безусловно, будут являться стимулом для развития отечественной конкурентоспособной промышленности.
Анализ публикаций
В основе написания настоящей статьи лежат источники информации, включающие почти столетний период развития объемного гидропривода, а также данные каталогов отечественных производителей гидрооборудования и инофирм, занимающих передовые позиции на современном этапе развития техники.
Цель и постановка задачи
Целью настоящей статьи является анализ развития и характеристика современного технического уровня объемных гидропередач вращательного движения для мобильных машин.
Достижения отечественных и западных производителей
Мировая история развития гидропривода и гидравлических передач насчитывает немногим более 100 лет. Уже в 30-х гг. прошлого века фирмой «Армстронг» были созданы объемные аксиально-поршневые гидропередачи конструкции «Дженни», нашедшие применение в британском флоте. Мощность гидропередач достигала 400 кВт, рабочее давление до 20 МПа, КПД до 78-81% [1].
Последующие 30 лет дали существенный скачок в развитии гидравлических передач. Так к 60-м гг. объемный гидропривод за рубежом достиг следующих показателей [2]: рабочие давления аксиально- и радиально-поршневых гидромашин возросли до 40-50 МПа; долговечность гидромашин повышена с 500 часов до 2000-3000 часов; достигнута мощность аксиально-поршневых гидромашин более чем в 3000 кВт (например, уникальный аксиально-поршневой насос типа 300 AHD фирмы «Vickers» при рабочем объеме 22 дм3 и частоте вращения 400 об/мин имел подачу в 8615 л/мин и мощность 4478 кВт при давлении 21 МПа, масса насоса -19500 кг, отношение массы к мощности -4,35 кг/кВт); частота вращения аксиально-поршневых гидромашин достигла 200012000 об/мин в зависимости от значения рабочего объема; дальнейшее развитие получили высокомоментные низкооборотные ра-диально-поршневые гидромоторы однократного и многократного действия, рабочий
объем которых достиг 6 - 45 дм 3 ; особое внимание стало уделяться очистке рабочей жидкости, как одному из основных факторов высокой долговечности и надежности гидропривода.
том числе: 122 аксиально-поршневых; 65 шестеренных наружного зацепления и 24 шестеренных внутреннего зацепления (геро-торных); 46 радиально-поршневых однократного и многократного действия; 12 пластинчатых и 33 прочих типов. К основным достижениям современного объемного гидропривода следует отнести создание: аксиально-поршневых насосов и гидромоторов линейной схемы (с соосным валу блоком цилиндров или имеющих название - «с наклонным диском») на давление до 48-52 МПа; быстроходных аксиально-поршневых гидромоторов с шатунной кинематикой (наклонным блоком цилиндров), углом наклона блока цилиндров до 45° на давление до 48 МПа; малогабаритных шестеренных высокомо-ментных гидромоторов героторного (орбитального) типа; радиально-поршневых насосов и гидромоторов однократного действия (эксцентриковых) с бесшатунной («телескопической») кинематикой поршневых групп и достижением давления до 70 и 45 МПа соответственно (пиковое давление для гидромоторов достигает даже 80 МПа); высокомо-ментных тихоходных радиально-поршневых гидромоторов многократного действия на давление до 35-45 МПа с миниатюрными поршневыми группами, включающими опорные ролики, работающие одновременно в режиме трения скольжения по поршням и качения по профилированным направляющим задающего элемента (копира). Рабочий объем гидромоторов достиг феноменального значения в 250 дм3 (фирма «Hagglunds», серия «Maraton», гидромотор MB 4000, развивающий крутящий момент в 1400 кН/м и при максимальной частоте вращения в 12 об/мин имеющий выходную мощность в 1580 кВт, масса - 10750 кг). Ресурс работы практически всех типов гидромашин достиг 5-8 тыс. часов и до 20 тыс. часов для гидромашин авиационной техники. Для сравнительной оценки технического уровня гидромоторов наиболее распространены следующие показатели:
- масса, приходящаяся на единицу развиваемого гидромотором крутящего момента (удельный весовой показатель момента)
Нынешнее состояние гидропривода может характеризоваться периодом интенсивного развития. Например, только в Европе гидромоторы производят более 80 фирм [3]. Номенклатура гидромоторов включает более 300 типов (не считая типоразмерные ряды), в
т
М,
кг/Н.м,
(1)
кр
- масса, приходящаяся на единицу развиваемой гидромотором мощности (удельный весовой показатель мощности)
- с помощью коэффициента быстроходности Сп, гидромоторы могут быть разделены на четыре группы в порядке возрастания скоростных возможностей: радиально-поршневые многократного действия; роторные и радиально-поршневые однократного действия; шестеренные; аксиально-поршневые;
- наибольший уровень давлений достигнут в поршневых гидромоторах;
- наименьшие значения удельного момента км достигнуты в гидромоторах многократного действия - 0,007 - 0,02 кг/Н.м;
- наименьшие показатели удельной мощности кр достигнуты в аксиально-поршневых гидромоторах - 0,08 - 0,43 кг/кВт;
- в среднем значения общего КПД в поршневых гидромоторах выше, чем в героторных и шестеренных. Именно отличия в удельных показателях являются основным критерием применяемости гидромоторов в различных приводах (быстроходных или тихоходных в зависимости от требуемых значений выходной частоты вращения и крутящего момента, наличия редуктора между гидромотором и валом выходного звена гидрофицируемой машины).
Таблица 1 Технический уровень гидромоторов различных конструкций ведущих мировых фирм (гидромоторы с постоянным рабочим объемом)
Параметры, размерность Гидромоторы:
Аксиально-поршневые Радиально-поршневые Героторные Шестеренные
О.Д М.Д
Рабочий объем, см3 32-1000 11-23000 260-251000 100-478 26-147,5
Давление, МПа 35;42/ 42;48 25/35;42 28/45 16-25/27-40 20-28/28;30
Крутящий момент, Нм 229-5565 56-91560 1860-1399000 315-2735 124-528
Частота вращения, -1 мин 1600-6900 25-3600 12-265 320-750 2400-3500
Мощность, кВт 110-915 11- 494 29-1580 21-49 39-118
Масса, кг 9,5-336 12-3100 40-10750 10-27,8 9,5-33
км, кг/Н.м 0,04-0,060 0,03-0,2 0,007-0,02 0,013-0,04 0,04-0,1
кр, кг/кВт 0,08-0,43 0,8-6,2 1,4-6,8 0,44-0,65 0,2-0,31
Сп, мин-1 -см-10-3 16,5-23,7 2,0-7,9 0,8-3,6 2,4-4,4 7,4-13,3
КПД, % 92-93 90-95 88-97 85-90 86-89
Примечания. 1. Обозначения: О.Д и М.Д - гидромоторы однократного и многократного принципа действия соответственно. 2. Над чертой приведены номинальные (допускаемые для работы без ограничения по времени), под чертой - максимальные (пиковые) кратковременные значения давления. 3. Данная таблица построена на основании технических характеристик гидромоторов ведущих западных фирм: «REXROTH» («BOSCH GROUP», ФРГ ), «PARKER» (США), «SAUER - DANFOSS» (ФРГ), «SAI» (Италия), «HAGGLUNDS» (Швеция) и «POCLAIN» (Франция).
ш
кр = —, кг/кВт, (2)
- скоростной показатель (коэффициент быстроходности)
Сп=пи V;13, мин"1-см, (3)
где т - масса гидромотора, кг; М - крутящий момент гидромотора, Н.м; Р - мощность гидромотора, кВт; им - частота вращения, мин 1, ¥р - рабочий объем гидро-
3
мотора, см .
При подборе оптимальной конструкции гидромотора важны относительные или удельные показатели гидромотора, приведенные выше, а также отношение массы к единице объема и рабочего объема (показатель удельной массы). Систематизированная информация о современном техническом уровне гидромоторов передовых западных фирм приведена в табл. 1, анализ которой позволяет сделать следующие выводы:
В табл. 2 представлен перечень и техниче- каемых в настоящее время заводами в ские характеристики гидромоторов, выпус- Украине.
Таблица 2 Технические характеристики гидромоторов, выпускаемых в Украине
Модель Рабочий объем, 3 см Частота вращения, мин-1 Крутящий момент, Нм (МПа) Р, кВт т , кг кы, кг/ Нм кр, кг/ кВт
Аксиально-поршневые с наклонным диском
МП 33 33,3 1500/3590 191 (22,5;36) 14,5 30 0,16 2,1 12,1
МП 71 69,8 1500/2810 400 (22,5;36) 30,4 40 0,10 1,32 12,2
МП 90 89,0 1500/2590 509 (26,5;36) 48,9 47 0,09 0,96 12,1
МП 112 110,8 1500/2590 634 (27;36) 60,8 50 0,08 0,82 13,1
ГМ 14 14 3000/3750 71,2 (21;32) 15 9,5 0,13 0,63 9,5
ГМ 28 28 3000/3750 142,5 (21;32) 30 9,5 0,07 0,32 11,9
ГМ 37 37 3000/3750 188,3 (21;32) 27,6 9,5 0,05 0,34 13,1
ГМ 70 71 3000/3750 260 (21;23) 77 18 0,07 0,23 16,3
Д1А-1 13 /5000 46,5 (17;22,5) 26 6,5 0,14 0,25 12,3
НМ-30 32,6 2000/ 109 (16;21) 14,3 7 0,06 0,5 6,7
Аксиально-поршневые с наклонным блоком цилиндров
410.56 56 1500/3750 312 (25;35) 32,9 26 0,08 0,79 15,1
410.112 112 1500/3000 623 (25;35) 65,2 60 0,10 0,92 15,2
310.224 224 1200/2000 1140 (25;32) 103,3 95 0,08 0,82 12,7
ГМ 44А 2,1 /4000 6,0 (18) 2,5 3,3 0,55 1,32 5,4
ГМ 36 11,5 2500/3000 58,5 (21;32) 9,4 4 0,07 0,42 7,1
ГМ 40 13,5 /2700 38,6 (18) 10,9 4,4 0,11 0,40 12,5
ГМ 35П 37 2500/3000 188,3(21;32) 30 8 0,04 0,27 10,5
Радиально-поршневые однократного действия
МР 1100 1126 100/280 5729 (21;32) 34,7 150 0,026 4,32 3,1
МР 1800 1806 80/220 9189 (21;32) 44,7 220 0,024 4,92 2,8
ГРВ 420 425 200/455 1689 (21;25) 26,3 32 0,019 1,22 3,6
ГРВ 600 565 200/420 2246 (21;25) 34,9 32 0,014 0,92 3,7
АТЭК1340 1340 /100 3729 (17,5) 39 150 0,040 3,85 1,2
Радиально-поршневые многократного действия
ДП 510И 3600 32/ 8014(10;14) 16,3 149 0,019 9,14 0,52
1ДП 4 4000 28/50 10812 (17) 31,7 262 0,024 8,26 0,83
4ПП2М.85 2500 60/ 9938 (16;25) 36,0 175 0,018 4,86 0,64
Шестеренные
ГМШ 32 32 1500/3000 107 (16;21) 11,0 6,4 0,060 0,58 9,9
ГМШ 50 50 1500/3000 167 (16;21) 17,0 7,1 0,043 0,42 11,5
ГМШ100 100 1500/3000 334 (16;21) 33,0 16,29 0,049 0,49 14,6
ГМШ10В 10 1500/3000 33,4 (16;21) 4,0 2,35 0,070 0,59 6,8
ГМШ32В 31,7 1500/3000 106 (16;21) 12,7 4,3 0,041 0,34 10,0
ГМШ50В 49,1 1500/3000 164/(16;21) 19,6 5,31 0,032 0,27 11,5
Примечания. 1. Изготовители гидромоторов МП и ГМШ 32(50; 100) - ОАО «Гидросила» (г. Кировоград); ГМШ 10(32;50)В - Винницкий завод тракторных агрегатов; ГМ - ОАО «Вол-чанский агрегатный завод (Харьковская обл.); Д1А-1 - НПК «Первомайский механический завод» (Луганская обл.); НМ-30 - ЗАО Корпорация «ФЭД» (г. Харьков); 310, 410, МР - ОАО «Стройгидравлика»(г.Одесса); ГРВ-Совместное предприятие «САИ ОД» ООО (г. Одесса); АТЭК1340 - ОАО «АТЭК» (г. Киев); ДП 510И и 1ДП4 - ОАО «Горловский машиностроительный завод» (Донецкая обл.); 4ПП2М.85 - ЗАО Ясиноватский машиностроительный завод (Донецкая обл.).
Сравнение отечественных и зарубежных гидромоторов явно не в пользу отечественных. Ограниченность номенклатуры, более низкий уровень давлений и частот вращения, отсутствие регулируемых исполнений, ограниченный диапазон рабочих температур и низкие удельные и скоростные показатели -все это позволяет сделать вывод о низком техническом уровне выпускаемых в Украине гидромоторов. Только шестеренные гидромоторы находятся на достаточно высоком техническом уровне, однако уступают лучшим зарубежным аналогам по максимальному давлению и частоте вращения. В Украине отсутствует производство героторных гидромоторов, имеющих большую потребность в различных отраслях народного хозяйства (в частности, в сельхозмашинах) благодаря уникальным габаритно-массовым показателям и сравнительно низкой стоимости по отношению к аксиально- и радиально-поршневым гидромоторам.
В Украине отсутствует также производство гидромотор-колес, включающих высокомо-ментный радиально-поршневой или геротор-ный гидромотор, оснащенный всеми необходимыми атрибутами мобильной машины: ступицей для монтажа ведущих колес машины, встроенным тормозом, механизмом движения в режиме «накат», регулятором изменения рабочего объема и др. Создание мотор-колес возможно также на базе комплексов «гидромотор - редуктор», где в качестве гидромотора обычно используют быстроходные аксиально-поршневые гидромоторы.
В связи с ограниченностью выбора отечественных гидромоторов для комплектации гидрофицированных машин и ремонта технологического оборудования отечественные машиностроители вынуждены производить значительные по объему закупки импортных образцов. В то же время в проблеме совершенствования мобильных гидропередач следует отметить создание КП ХКБМ им. А.А. Морозова и НИИГидроприводом впервые в СНГ радиально-поршневой гидропередачи с шариковыми поршнями типа ГОП-900 c рабочими объемами гидромашин 2 х 680 см3, имеющей рекордные скоростные характеристики (частота вращения достигает 3000 мин-1) среди известных конструкций гидропередач для мобильных машин аксиально-поршневого и радиально-поршневого
типов, и адаптированной для работы при температуре рабочей жидкости до 130°С [4].
О перспективах использования шарико-поршневых гидропередач в отечественной технике можно судить, исходя из успешного их применения за рубежом в составе гидромеханических трансмиссий гусеничных машин за счет реализации параллельных потоков гидравлической и механической мощности [5]. Конструктивно гидропередача представляет собой моноблок (рис. 1), содержащий две радиально-поршневые гидромашины (насос с регулируемым рабочим объемом и гидромотор) и гидроаппаратуру, обеспечивающую защиту от перегрузок и функционирование в замкнутой цепи циркуляции рабочей жидкости.
3 7 6 1 7 5 А
950
Рис. 1. Гидропередача Г0П-900№1-Д с шариковыми поршнями: 1 - корпус; 2 -блок цапфенных распределителей; 3 -блок цилиндров насоса; 4 - блок цилиндров гидромотора; 5 - шарик-поршень; 6 - статор насоса; 7 - обоймы (реактивные кольца) насоса и гидромотора; 8, 9 -входной и выходной валы гидропередачи соответственно
Основные технические характеристики
гидропередач типа ГОП-900, полученные
при стендовых испытаниях в КП ХКБМ им.
А.А. Морозова:
- выходная мощность до 370 кВт;
- частота вращения до 3100 мин-1;
- давление до 32 МПа;
- крутящий момент до 2800 Н.м;
- температура рабочей жидкости до 130 °С;
- КПД до 80 %;
- диаметр 560 мм, длина 215 мм, масса 260 кг.
Выводы
Современный технический уровень объемных гидропередач характеризуется повышением энергоемкости, быстроходности, КПД и надежности, реализацией режимов энергосбережения, расширением температурного диапазона, применением систем электрогид-роавтоматики для обеспечения дистанционного управления гидромашинами. В то же время номенклатура выпускаемых в Украине гидромашин крайне ограничена и имеет более низкий технический уровень по сравнению с ведущими инофирмами.
Одной из наиболее значительных и перспективных разработок последних лет является создание отечественных и впервые в СНГ конструкций объемных радиальных гидропередач шарикопоршневого типа, обладающих высокими техническими параметрами.
Приведенный обзор и анализ объемных гидропередач может служить ориентиром для специалистов при исследовании и разработке отечественных аналогов современного технического уровня.
Литература
1. Куколевский И.И. Гидравлические трансформаторы (редуктора) гидромуфты
(доклад НТО гидравликов 09.05.1932 г.). Издание Московского механико-машиностроительного института им. Н.Э. Баумана. - М., 1933. - 47 с.
2. Савин И.Ф. Объемные гидроприводы (Об-
зор). - М.: ЦИНТИМАШ, 1961 - 87 с.
3.Свешников В.К. Обзор Российского рынка гидрооборудования. Гидромоторы // Приводная техника. - 1997. - №6. - С. 3-5.
4. Аврунин Г.А., Кабаненко И.В., Хавиль
ВВ., Истратов А.В., Богачев СВ., Лизунов К.М. Объемная гидропередача с шариковыми поршнями ГОП-900: Характеристики и технический уровень // Мехашка та машинобудування // Науко-во-техшчний журнал.- Харюв: НТУ «ХПИ». - 2004. - № 1. - С. 14-21.
5. Бабаев О.М., Глушенков В.А., Голубев
В.И., Гуревич Е.Л., Густомясов А.Н. и Кондратьев А.Б. Гидромеханические трансмиссии - средство повышения конкурентоспособности колесных и гусеничных машин // Приводная техника, 1998. - №9. - С. 36-39.
Рецензент: Л.В. Назаров, д.т.н., профессор, ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 6 июня 2007 г.
