Hydraulinen käyttö ( hydraulinen käyttö ) on joukko osia ja laitteita, jotka on suunniteltu saattamaan koneet ja mekanismit liikkeelle hydraulisen energian (nesteen virtausenergian) avulla.
Hydraulivoimansiirto yhdessä apumekanismien kanssa (yleensä mekaanisella voimansiirrolla ) muodostaa hydraulisen voimansiirron .
Vuonna 1795 englantilainen keksijä Bramah keksi hydraulipuristimen .
Hydraulisen voimansiirron ja mekaanisen voimansiirron päätehtävä on käyttömoottorin mekaanisten ominaisuuksien muuttaminen kuormituksen vaatimusten mukaisesti (moottorin lähtölinkin liiketyypin, sen parametrien muutos sekä säätö, ylikuormitussuoja jne.). Toinen hydraulikäytön toiminto on voiman siirto käyttömoottorista koneen työkappaleisiin (esimerkiksi yksikauhaisessa kaivinkoneessa voiman siirto polttomoottorista kauhaan tai puomin käyttölaitteeseen hydraulimoottorit , työlavan kääntömoottoreihin jne.).
Yleisesti ottaen voimansiirto hydraulikäytössä tapahtuu seuraavasti:
Hydraulisia toimilaitteita voi olla kahta tyyppiä: hydrodynaamisia ja volyymia.
Volumetrinen hydraulikäyttö on hydraulikäyttöä, joka käyttää tilavuushydraulikoneita ( pumppuja ja hydraulimoottoreita ). Volumetriaa kutsutaan hydraulikoneeksi , jonka työprosessi perustuu työkammion vuorotellen täyttämiseen nesteellä ja sen syrjäyttämiseen työkammiosta. Tilavuuskoneita ovat esimerkiksi mäntäpumput , aksiaalimäntä , radiaalimäntä , hammaspyörähydraulikoneet jne.
Yksi ominaisuuksista, joka erottaa tilavuushydraulikäytön hydrodynaamisesta, on korkeat paineet hydraulijärjestelmissä. Siten kaivinkoneiden hydraulijärjestelmien nimellispaineet voivat olla 32 MPa ja joissakin tapauksissa käyttöpaine yli 300 MPa , kun taas hydrodynaamiset koneet toimivat yleensä paineissa, jotka eivät ylitä 1,5-2 MPa .
Volumetrinen hydraulitoimilaite on paljon kompaktimpi ja painoltaan kevyempi kuin hydrodynaaminen, ja siksi sitä käytetään eniten.
Hydrauliseen voimansiirtoon sisältyvien elementtien suunnittelusta ja tyypistä riippuen tilavuushydrauliset käyttölaitteet voidaan luokitella useiden kriteerien mukaan.
kun hydraulimoottoria käytetään hydraulimoottorina , jossa käytettävä lenkki (akseli tai kotelo) suorittaa rajoittamattoman pyörimisliikkeen;
Hydraulinen progressiivinen liikejossa hydraulisylinteriä käytetään hydraulimoottorina - moottori, jossa on edestakainen käyttölenkki ( männänvarsi , mäntä tai kotelo);
Hydraulinen pyörivä liikekun pyörivää hydraulimoottoria käytetään hydraulimoottorina , jossa käytettävä lenkki (akseli tai kotelo) pyörii edestakaisin alle 270° kulmassa.
Jos lähtölinkin (hydraulisylinterin, hydraulimoottorin) nopeutta ohjataan muuttamalla pumppua käyttävän moottorin nopeutta, hydraulikäyttöä pidetään säätelemättömänä.
Säädettävä hydraulikäyttöjossa sen toiminnan aikana voidaan muuttaa hydraulimoottorin lähtölenkin nopeutta vaaditun lain mukaan. Säännös voi puolestaan olla:
Säätö voi olla: manuaalinen tai automaattinen .
Ohjaustehtävistä riippuen hydraulikäyttö voi olla:
muuttaa nesteen syöttöä automaattisesti hydraulijärjestelmän todellisen tarpeen mukaan reaaliajassa (ilman viivettä).
jossa työneste hydraulimoottorista palaa pumpun imuhydraulilinjaan.
Suljetulla käyttönesteen kierrolla varustettu hydraulikäyttö on kompakti, sen massa on pieni ja mahdollistaa pumpun roottorin suuren nopeuden ilman kavitaatioriskiä , koska tällaisessa järjestelmässä paine imulinjassa on aina korkeampi kuin ilmakehän paine. Haittoja ovat huonot olosuhteet käyttönesteen jäähdyttämiselle sekä tarve tyhjentää työneste hydraulijärjestelmästä hydraulilaitteita vaihdettaessa tai korjattaessa;
Hydraulinen käyttö avoimella kiertojärjestelmälläjossa käyttöneste on jatkuvasti yhteydessä hydraulisäiliöön tai ilmakehään.
Tällaisen järjestelmän edut ovat hyvät olosuhteet käyttönesteen jäähdyttämiseksi ja puhdistamiseksi. Tällaiset hydraulikäytöt ovat kuitenkin tilaa vieviä ja niillä on suuri massa, ja pumpun roottorin nopeutta rajoittavat sallitut (pumpun ei-kavitaatiotoiminnan olosuhteissa) käyttönesteen liikenopeudet imuputkessa.
Tekniikassa yleisimmin käytetyssä pumpun hydraulikäytössä mekaaninen energia muunnetaan pumpussa hydrauliseksi energiaksi, energian kantajana on työneste , se pumpataan painejohdon kautta hydraulimoottoriin, jossa pumpun energia nestevirtaus muunnetaan mekaaniseksi energiaksi. Käyttöneste, joka on luovuttanut energiansa hydraulimoottorille, palaa joko takaisin pumppuun (hydraulikäytön suljettu piiri) tai säiliöön (hydraulikäytön avoin tai avoin piiri). Yleisessä tapauksessa hydraulipumpun käyttö sisältää hydraulisen voimansiirron, hydraulilaitteet, käyttönesteen käsittelylaitteet, hydraulisäiliöt ja hydrauliletkut.
Yleisimmin käytetyt hydrauliset käyttölaitteet ovat aksiaalimäntä- , radiaalimäntä- , siipi- ja hammaspyöräpumput .
PäähydraulivoimansiirtoPäähydraulikäytössä työneste pumpataan pumppuasemien avulla painelinjaan, johon on kytketty hydraulienergian kuluttajat. Toisin kuin hydraulipumppukäytössä, jossa on pääsääntöisesti yksi (harvemmin 2-3) hydraulisen energian generaattori (pumppu), päähydraulikäytössä voi olla suuri määrä tällaisia generaattoreita, ja niitä voi olla myös melko paljon hydraulienergian kuluttajia.
Akun hydraulikäyttöAkun hydraulikäytössä nestettä syötetään hydrauliletkuun esiladatusta hydraulisesta akusta . Tämän tyyppistä hydraulikäyttöä käytetään pääasiassa koneissa ja mekanismeissa, joissa on lyhytaikaisia toimintatapoja.
Hydrauliset toimilaitteet ovat sähköisiä , niitä käyttävät polttomoottorit , turbiinit jne.
Tämän tyyppisessä hydraulikäytössä hydraulimoottorin lähtölenkki suorittaa edestakaisin tai edestakaisin pyöriviä liikkeitä korkealla taajuudella (jopa 100 pulssia sekunnissa).
Hydraulikäytön pakollisia elementtejä ovat pumppu ja hydraulimoottori . Pumppu on hydraulisen energian lähde, ja hydraulimoottori on sen kuluttaja, eli se muuntaa hydraulisen energian mekaaniseksi energiaksi. Hydraulimoottorien ulostulolinkkien liikettä ohjataan joko ohjauslaitteiden avulla - kuristimet , hydrauliset jakajat jne., tai muuttamalla itse hydraulimoottorin ja/tai pumpun parametreja.
Hydraulikäytön pakollisia osia ovat myös hydrauliletkut , joiden kautta neste liikkuu hydraulijärjestelmässä .
Kriittistä hydraulikäytölle (ensisijaisesti tilavuuskäytölle) on käyttönesteen puhdistaminen sen sisältämistä (ja käytön aikana jatkuvasti muodostuvista) hankaavista hiukkasista. Siksi hydraulikäyttöjärjestelmät sisältävät välttämättä suodatuslaitteita (esimerkiksi öljynsuodattimet ), vaikka periaatteessa hydraulikäyttö voi toimia ilman niitä jonkin aikaa.
Koska hydraulikäytön toimintaparametrit riippuvat merkittävästi käyttönesteen lämpötilasta, joissakin tapauksissa, mutta ei aina, hydraulijärjestelmiin asennetaan lämpötilansäätöjärjestelmiä (lämmitys- ja/tai jäähdytyslaitteita).
Hydraulijärjestelmän vapausasteiden lukumäärä voidaan määrittää yksinkertaisesti laskemalla itsenäisesti ohjattujen hydraulimoottorien lukumäärä .
Volumetrista hydraulikäyttöä käytetään kaivos- ja tienrakennuskoneissa . Tällä hetkellä yli 50 % liikkuvien tienrakennuskoneiden ( puskutraktorit , kaivinkoneet , tiehöylät jne.) kokonaiskannasta on hydrofioituja. Tämä eroaa merkittävästi 1930- ja 1940-lukujen tilanteesta, jolloin tällä alueella käytettiin pääasiassa mekaanisia voimansiirtoja.
Työstökoneteollisuudessa hydraulikäyttö on myös laajalti käytössä, mutta tällä alueella se kilpailee kovaa muuntyyppisten käyttölaitteiden kanssa [ 1] .
Hydraulinen käyttö on yleistynyt ilmailussa . Nykyaikaisten lentokoneiden kylläisyys hydraulisilla käyttöjärjestelmillä on sellainen, että nykyaikaisen matkustajalentokoneen putkistojen kokonaispituus voi olla useita kilometrejä. Viime aikoina ilmailussa on ollut suuntaus siirtyä hydraulikäyttöjen elektronisiin ohjausjärjestelmiin ( EDSU ) korvaamalla hydraulilogiikka ja piirit elektronisilla.
Autoteollisuudessa yleisimmin käytetty ohjaustehostin , joka lisää merkittävästi ajonmukavuutta . Nämä laitteet ovat eräänlaisia servohydraulikäyttöjä . Hydraulivahvistimia käytetään myös monilla muilla tekniikan alueilla (ilmailu, traktorin rakentaminen, teollisuuslaitteet jne.).
Joissakin säiliöissä, esimerkiksi japanilaisessa tyypin 10 säiliössä , käytetään hydrostaattista voimansiirtoa , joka itse asiassa on tilavuushydraulinen käyttövoimajärjestelmä . Samantyyppinen voimansiirto on asennettu joihinkin nykyaikaisiin puskutraktoreihin .
Yleensä hydraulisen käyttöalueen rajat määräytyvät sen eduista ja haitoista.
Hydraulisen käytön tärkeimmät edut ovat:
Hydraulisen käytön haittoja ovat:
Hydrauliset tekniset laitteet on tunnettu muinaisista ajoista lähtien. Esimerkiksi tulipalojen sammuttamiseen tarkoitettuja pumppuja on ollut olemassa antiikin Kreikasta lähtien [2] .
Kuitenkin kiinteänä järjestelmänä, joka sisältää pumpun , hydraulimoottorin ja nesteen jakelulaitteet , hydraulikäyttö alkoi kehittyä viimeisten 200-250 vuoden aikana.
Yksi ensimmäisistä laitteista, josta tuli hydraulisen käyttölaitteen prototyyppi, on hydraulipuristin . Vuonna 1795 patentin tällaiselle laitteelle sai Joseph Bramah [ 3] Henry Maudsleyn avustamana , ja vuonna 1797 rakennettiin ensimmäinen hydraulipuristin [4] .
1700-luvun lopulla ilmestyivät ensimmäiset hydraulikäyttöiset nostolaitteet , joissa vesi toimi työnesteenä . Ensimmäinen hydraulikäyttöinen nosturi otettiin käyttöön Englannissa vuosina 1846-1847 [5] , ja 1800-luvun toiselta puoliskolta lähtien hydraulikäyttöä on käytetty laajalti nostokoneissa.
Ensimmäisten hydrodynaamisten vaihteiden luominen liittyy laivanrakennuksen kehitykseen 1800-luvun lopulla. Tuolloin laivastossa alettiin käyttää nopeita höyrykoneita . Kavitaatiosta johtuen potkureiden kierrosten määrää ei kuitenkaan voitu lisätä. Tämä vaati lisämekanismien käyttöä. Koska tuolloin tekniikka ei sallinut nopeiden vaihteiden tuotantoa, oli tarpeen luoda täysin uusia vaihteita. Ensimmäinen tällainen suhteellisen korkea hyötysuhde oli saksalaisen professorin G. Fötingerin (1902 patentti) [6] keksimä hydraulimuuntaja , joka oli pumppu, turbiini ja kiinteä reaktori yhdistettynä samaan koteloon. Ensimmäinen käytännössä toteutettu hydrodynaaminen voimansiirtomalli luotiin kuitenkin vuonna 1908 , ja sen hyötysuhde oli noin 83 %. Myöhemmin hydrodynaamisia voimansiirtoja käytettiin autoissa. Ne lisäsivät käynnistymisen sujuvuutta. Vuonna 1930 Harold Sinclair , joka työskenteli Daimler - yhtiössä , kehitti linja-autoille voimansiirron, mukaan lukien nestekytkimen ja planeettavaihteen [7] . Ensimmäiset dieselveturit valmistettiin 1930-luvulla nestekytkimillä [8] .
Neuvostoliitossa ensimmäinen hydraulinen kytkin luotiin vuonna 1929.
Vuonna 1882 Armstrong Whitworth Company esitteli kaivinkoneen , jossa oli ensimmäistä kertaa hydraulikäyttöinen kauha [9] . Ranskalainen Poclain valmisti yhden ensimmäisistä hydraulisista kaivukoneista vuonna 1951 . Tämä kone ei kuitenkaan pystynyt kääntämään tornia 360 astetta. Sama yritys esitteli ensimmäisen täysin pyörivän hydraulisen kaivukoneen vuonna 1960. 1970-luvun alussa hydrauliset kaivukoneet, joilla oli suurempi tuottavuus ja helppokäyttöisyys, pakottivat edeltäjänsä, kaapelivedetyt kaivukoneet, markkinoilta [10] .
Ensimmäisen hydraulisen tehostimen patentin sai Frederick Lanchester Isossa-Britanniassa vuonna 1902. Hänen keksintönsä oli "hydraulisella energialla toimiva vahvistusmekanismi" [11] . Vuonna 1926 Pierce Arrow, yrityksen kuorma-autojaoston insinööri , osoitti hyvän suorituskyvyn ohjaustehostimen General Motorsissa, mutta autonvalmistaja katsoi, että nämä laitteet olisivat liian kalliita saattaakseen markkinoille [12] [13] . Ensimmäisen kaupallisen ohjaustehostimen valmisti Chrysler vuonna 1951, ja useimmissa uusissa autoissa on nyt ohjaustehostin.
Honda esitteli hydrostaattisen voimansiirron vuonna 2001 FourTrax Rubicon -maastoajoneuvomallissaan , ja se julkisti vuonna 2005 Honda DN-01 -moottoripyörän , jossa on hydrostaattinen voimansiirto, mukaan lukien pumppu ja hydraulimoottori. Mallia alettiin myydä markkinoilla vuonna 2008. Se oli ensimmäinen maantieajoneuvomalli, jossa käytettiin hydrostaattista voimansiirtoa [14] .
Hydraulisen käytön kehitysnäkymät liittyvät pitkälti elektroniikan kehitykseen. Siten elektronisten järjestelmien parantaminen mahdollistaa hydraulikäytön ulostulolenkkien liikkeen ohjauksen yksinkertaistamisen. Erityisesti viimeisten 10-15 vuoden aikana alkoi ilmestyä puskutraktoreita , joiden ohjaus on järjestetty ohjaussauvan periaatteen mukaan .
Hydraulisen käytön diagnosoinnin edistyminen liittyy elektroniikan ja laskentatyökalujen kehitykseen. Joidenkin nykyaikaisten koneiden diagnosointiprosessia yksinkertaisilla sanoilla voidaan kuvata seuraavasti. Asiantuntija yhdistää kannettavan tietokoneen koneen erityiseen liittimeen. Tämän liittimen kautta tietokone saa tietoa diagnostisten parametrien arvoista useista hydraulijärjestelmään rakennetuista antureista. Ohjelma tai asiantuntija analysoi vastaanotetut tiedot ja tekee johtopäätöksen koneen teknisestä kunnosta, vikojen olemassaolosta tai puuttumisesta ja niiden sijainnista. Tämän kaavion mukaan diagnostiikka suoritetaan esimerkiksi joidenkin nykyaikaisten kauhakuormaajien osalta . Laskentatyökalujen kehitys parantaa hydraulisen käyttölaitteen ja koneiden diagnosointia kokonaisuutena.
Tärkeä rooli hydraulikäytön kehittämisessä voi olla uusien rakennemateriaalien luomisella ja käyttöönotolla. Erityisesti nanoteknologioiden kehitys lisää materiaalien lujuutta, mikä vähentää hydraulilaitteiden painoa ja geometrisia mittoja sekä lisää sen luotettavuutta. Toisaalta kestävien ja samalla joustavien materiaalien luominen mahdollistaa esimerkiksi monien hydraulikoneiden puutteiden vähentämisen, erityisesti kalvopumppujen kehittämän paineen lisäämisen.
Viime vuosina tiivistyslaitteiden valmistuksessa on tapahtunut merkittävää edistystä . Uudet materiaalit tarjoavat täydellisen tiiviyden jopa 80 MPa :n paineissa , alhaiset kitkakertoimet ja korkean luotettavuuden [1] .