Насосная станция

Насосная станция — это агрегат, предназначенный для создании, поддержания и регулирования давления рабочей жидкости в гидравлической системе. Она является основным источником энергии в гидроприводах, обеспечивая движение исполнительных механизмов (гидроцилиндров, гидромоторов и др.).

Состав насосной станции (См. Рис. ZSK.6.1):

• Насос – Основной элемент, создающий поток жидкости. Применяются шестерённые, аксиально-поршневые, винтовые или лопастные насосы.
• Электродвигатель – Приводит насос в движение. Может быть асинхронным, реже — гидромотором (в мобильных системах).
• Гидробак – Ёмкость для хранения рабочей жидкости. Выполняет функцию теплообмена, отделения воздуха и осадков.
• Фильтры – Очищают жидкость от механических загрязнений, продлевая срок службы компонентов.
• Предохранительная и регулировочная аппаратура – Включает предохранительные клапаны, регуляторы давления, манометры, термометры.
• Охладители и теплообменники (при необходимости) – Используются для отвода избыточного тепла при интенсивной работе системы.
• Панель управления (шкаф или блок) – Обеспечивает включение/выключение насоса, регулировку параметров, защиту от перегрузок.

Рис. ZSK.6.1 Схема насосной станции

Принцип работы:
Насос всасывает жидкость из гидробака. Затем, через фильтры и клапаны жидкость подаётся в рабочую гидролинию. При достижении заданного давления система поддерживает его автоматически. Избыточная жидкость возвращается в бак через сливной контур.

Области применения:

• Промышленное оборудование (прессы, металлообработка)
• Строительная техника (экскаваторы, подъёмники)
• Сельское хозяйство (гидросистемы тракторов)
• Авиастроение, судостроение, автоматизация

Преимущества насосной станции:

• Высокая энергоёмкость
• Надёжность и автономность
• Возможность тонкой настройки давления и расхода
• Совместимость с различными типами приводов

Контрольно-измерительная аппаратура

Она включает в себя приборы, измеряющие давление рабочей среды, ее расход, температуру, а также клапаны выдержки времени и другие вспомогательные аппараты.

Основным прибором измерения давления гидравлических систем является манометр. Манометры являются приборами измерения давления. Они бывают жидкостными (пьезометры) и механическими (пружинные или мембранные). Именно механические приборы измерения давления и называют манометрами. Устройство простейшего манометра представлено на принципиальной схеме (рис. ZSK.6.2, а). Основным элементом манометра является дугообразно изогнутая трубка близкого к прямоугольной форме поперечного сечения с запаянным торцом, которая, по сути своей, и есть пружина. Благодаря такой форме при подаче в нее рабочей среды (жидкости или сжатого газа) под давлением возникает сила, пытающаяся разогнуть трубку. Вследствие этого торец трубки поворачивается на некоторый угол, прямо пропорциональный величине давления.

Рис. ZSK.6.2. Гидравлический манометр

Поворот торца упругой трубки передаётся на стрелку 4 с помощью рычажно-зубчатого механизма, состоящего из деталей 2 и 3. Эта стрелка, в свою очередь, указывает величину давления на шкале прибора. Шкала 5 градуируется в определённых единицах измерения, таких как паскали (Па), мегапаскали (МПа), килограммы на квадратный сантиметр (кг/см²), миллиметры ртутного столба и другие. На шкале также обычно указываются единица измерения, цена деления, диапазон измерений и класс точности прибора. В мембранных манометрах основным рабочим элементом служит мембрана, которая изгибается под действием давления рабочей среды. Степень её прогиба зависит от величины давления: чем выше давление — тем больше деформация. Этот прогиб передаётся на стрелочный механизм, который переводит механическое перемещение мембраны в показания на шкале прибора. Таким образом, стрелка указывает значение давления, соответствующее степени изгиба мембраны. Во время эксплуатации насосных станций манометры можно подключать по-разному. Один из вариантов — это постоянное подключение манометра к напорной линии, при котором он непрерывно показывает текущее давление. Однако в таком режиме прибор подвержен постоянным перепадам давления, что со временем снижает его точность и сокращает срок службы. Чтобы снизить влияние колебания давления на работу манометра, выражающееся в колебаниях его стрелки, часто сам манометр оснащается демпфером 8, установленным в подводящем патрубке (рис. ZSK.6.2, б), который соединяет полость с измеряемым давлением Р и пружинную трубку 2. Через тягу 3 ее деформация передается зубчатому сектору 4, который поворачивает шестерню 5 со стрелкой 6 относительно шкалы 7. Весь прибор измерения давления размещается в корпусе и с лицевой стороны закрывается прозрачной крышкой.

Второй способ подключения манометра считается более экономичным и бережным для прибора. В этом случае манометр включается только при необходимости — например, чтобы узнать текущее давление или настроить его на нужный уровень. Для этого в насосной станции используют специальное устройство — обычно это двухпозиционный трёхлинейный гидрораспределитель.

Если станция оснащена двумя насосами, то дополнительно может использоваться разделительная панель. Это гидравлическое устройство, которое автоматически соединяет или разъединяет подачи насосов, обеспечивая их совместную или независимую работу.

Сведения об уровне давления дают аппараты, называемые реле давления. Они нашли очень широкое применение благодаря своей простоте и возможности автоматизировать работу гидропривода. На рис. ZSK.6.3, б показана конструктивная схема реле давления, которое может применяться в гидравлических приводах (принципиальная схема и его условное обозначение приведены соответственно на рис. ZSK.6.3, а и рис. ZSK.6.3, в).

Рис. ZSK.6.3. Реле давления

Входное отверстие А в корпусе 1 реле подсоединяется к тому рабочему каналу гидросистемы, о давлении в котором необходимо получить информацию. Если давление рабочей жидкости достигает уровня, настроенного путем изменения натяга пружины 3, то оно, воздействуя через мембрану на поршень 2, создает силу, поворачивающую рычаг 5. При этом происходит замыкание (или размыкание) электрических контактов в контактной группе 4 и появляется электрический сигнал о том, что давление в этом канале достигло необходимого уровня. Появившийся сигнал подается в систему управления для подключения других гидравлических устройств или аппаратов или осуществления других действий гидросистемы.

Аналогично работает и реле давления, конструктивная схема которого показана на рис. 2.56, а.

Рис. ZSK.6.4. Реле давления

В этом реле использован в качестве воспринимающего давление элемента сильфон 4, установленный в корпусе 3. При достижении необходимого уровня давления Р в канале устройства, подсоединяемого к штуцеру 7, поршень 6 с толкателем 2 перемещается вверх, сжимая сильфон 4 и пружину 5 и воздействуя на толкатель микропереключателя 1. При этом контакты последнего размыкаются или замыкаются и выдают в систему управления электрический сигнал. Надо отметить, что реле давления с сильфонами обладают высокой чувствительностью к изменениям давления, но не могут работать при больших давлениях из-за возможного деформирования самого сильфона. Поэтому они обычно применяются при давлениях до 1 МПа и чаще всего в пневмопередачах.

Вспомогательная аппаратура в гидросистемах включает устройства, без которых гидропривод в теории может работать, но на практике они крайне важны. К таким элементам относятся:

• вакууммирующие устройства (удаляют газы из жидкости),
• диспергаторы (улучшают свойства жидкости),
• фильтры (очищают от загрязнений).

Из них фильтры — наиболее значимы, так как без них система быстро выходит из строя. Загрязнения ухудшают работу, повышают трение, изнашивают детали и могут вызывать заклинивания. Фильтры задерживают пыль и частицы, попадающие в жидкость как снаружи (например, через сапуны), так и образующиеся внутри — из-за износа и окисления компонентов. Особенно опасна атмосферная пыль, попадающая в бак при изменении уровня масла (например, при работе гидроцилиндров или аккумуляторов).

Для предотвращения попадания в рабочую среду этих загрязнений служит воздушный клапан сапун (рис. ZSK.6.4), пропускающий воздух в бак через фильтрующий элемент 3. Объем поступающего в бак воздуха будет определяться разностью объемов, подаваемой в цилиндр и вытесняемой из другой полости цилиндра жидкости. Если же одновременно работают несколько одношточных или несимметричных (с разными диаметрами штоков) двухшточных гидроцилиндров, то объем поступающего в бак или вытесняемого из бака воздуха будет равен сумме нескомпенсированных объемов вытесняемой и забираемой ими жидкости.

Рис. ZSK.6.4. Сапун

Загрязнение рабочей жидкости может произойти не только в процессе эксплуатации, но и во время её заправки или долива в гидросистему. Поэтому такие операции должны обязательно выполняться с применением заправочных фильтров, которые предотвращают попадание посторонних частиц и грязи внутрь системы.

Существует большое разнообразие фильтров, которые обычно классифицируются по степени очистки и по типу фильтрующего элемента. По степени очистки фильтры делятся на четыре категории. Фильтры грубой очистки задерживают частицы размером от 100 микрометров и более. К фильтрам нормальной очистки относят те, которые способны улавливать загрязнения в диапазоне от 10 до 100 микрометров. Тонкие фильтры обеспечивают фильтрацию частиц размером от 5 до 10 микрометров. Самые чувствительные — фильтры особо тонкой очистки — улавливают мельчайшие загрязнения размером от 1 до 5 микрометров.

Чтобы обеспечить нужный уровень очистки, применяются различные типы фильтрующих элементов. В зависимости от конструкции и принципа действия фильтры могут быть сетчатыми, щелевыми (или пластинчатыми), пористыми и силовыми. Сетчатые фильтры чаще всего применяются для грубой или нормальной очистки и представляют собой металлические или полимерные сетки с определённым размером ячеек. Щелевые фильтры имеют узкие зазоры между пластинами, через которые проходит жидкость, оставляя загрязнения снаружи. Пористые фильтры задерживают частицы внутри своей структуры, а силовые — используют физические или магнитные силы для дополнительной очистки. Выбор конкретного типа фильтра зависит от требований к чистоте жидкости и особенностей работы гидросистемы. Некоторые представители указанных групп фильтров представлены на рис. ZSK.6.5— ZSK.6.7.

Большое распространение получили сетчатые фильтры (рис. ZSK.6.5, а), которые могут быть как фильтрами грубой очистки, так и фильтрами нормальной и тонкой очистки. Фильтрующим элементом таких фильтров является сетка 3, изготовляемая из металлов или неметаллов. Благодаря современным технологиям размер ячейки сетки может быть получен равным нескольким микрометрам, что обеспечивает тонкую и даже особо тонкую очистку. Сетка 3 устанавливается на трубке 4, которая соединена с выходным каналом Б в крышке 5. Очищаемая жидкость поступает по входному каналу А в полость корпуса 2, проходит сетку 3, очищается на ней и далее идет на выход фильтра. Отстой загрязнений может быть удален из фильтра, вывернув пробку 1. На рис. ZSK.6.5, б показан сетчатый фильтр, который не имеет корпуса.

Рис. ZSK.6.5. Сетчатые фильтры

Он предназначен для подсоединения крышкой 4 к всасывающему трубопроводу насоса и опускается непосредственно под уровень рабочей жидкости в баке. Сетка 2 наматывается на каркас 3. В этом случае размер ячейки сетки не должен быть малым, чтобы не создавать на всасывании больших сопротивлений. Обычно во всасывающий трубопровод устанавливаются фильтры грубой очистки. Если же сетка с течением времени полностью загрязнится и не станет пропускать рабочую жидкость, то внутри фильтра создастся разрежение. Вследствие разности давлений (атмосферного и внутри фильтра) возникает сила, преодолевающая силу пружины и поднимающая затвор клапана 1. Тогда в гидравлическую систему начнет поступать неочищенная рабочая жидкость, что может привести или к выходу из строя самого насоса и других устройств, установленных в напорном трубопроводе, или к быстрому загрязнению фильтров, установленных после насоса. Поэтому важным является своевременная замена неработоспособного фильтра или его фильтрующего элемента.

Удобным в обслуживании является пластинчатый фильтр, показанный на рис. ZSK.6.6. Очищаемая жидкость поступает по входному каналу А в крышке 5 во внутреннюю полость корпуса 2. Там находится фильтрующий элемент в виде набора пластин 3, между которыми установлены прокладки 4, толщина которых определяет размер зазора (щели) между пластинами и, следовательно, размер задерживаемых частиц загрязнений. Пройдя щели между пластинами, очищенная жидкость проходит по внутренним каналам в пластинах и попадает на выход Б фильтра. Удобство обслуживания состоит в том, что поворотом рукоятки 6 осуществляется проворот пластин относительно друг друга и их самоочищение от грязи, которая оседает на дно фильтра и может быть удалена из него, вывернув пробку. Но такой фильтр, относящийся к группе щелевых фильтров, обеспечивает лишь грубую очистку жидкости, задерживая частицы размером 80—160 мкм.

Рис. ZSK.6.6. Пластинчатый фильтр

Лучшую очистку рабочей жидкости обеспечивают пористые фильтры, один из которых представлен на рис. ZSK.6.7, а. Они задерживают частицы размером 5—40 мкм, поскольку жидкость проходит по каналам в виде пор материала фильтрующего элемента, имеющих очень малые размеры.

Рис. ZSK.6.7. Пористые фильтры

Поэтому они относятся к фильтрам нормальной и тонкой очистки. Фильтрующим элементом таких фильтров могут быть фильтровальные бумага и ткани (капрон, например), а также керамика. Работа пористого фильтра происходит аналогично работе рассмотренных выше сетчатого и пластинчатого фильтров. Жидкость, попав по каналу А внутрь корпуса, просачивается через фильтровальный элемент 2 и выходит очищенной в канал Б. Из-за малости размеров пор такой фильтр нельзя ставить во всасывающий трубопровод, потому что он быстро засорится и создаст на всасывании большое сопротивление. Многие пористые фильтры оснащаются устройствами сигнализации его загрязненности 3 (рис. ZSK.6.7, б).

Работают такие сигнализаторы следующим образом. По мере засоряемности фильтрующего элемента нарастает сопротивление прохождению жидкости через фильтр. Поэтому поднимается давление жидкости во входном канале А, которое воздействует на поршень 9, находящийся в корпусе 3 сигнализатора (рис. ZSK.6.7, б). При достижении достаточной для преодоления пружины 7силы поршень 9 вместе со стержнем 8 и магнитом 6 перемещается вверх. Перемещение магнита вызовет замыкание электроконтактного устройства 10, которое выдает сигнал о загрязнении фильтрующего элемента и необходимости его смены.

Если же он не будет заменен новым, то дальнейший рост давления вызовет и больший подъем поршня 9, пока канал А не соединится напрямую с каналом Б. Тогда на выход фильтра начнет поступать неочищенная рабочая среда. Хотя такое и недопустимо для работы гидравлической системы, однако позволяет предотвратить выход из строя самого насоса или его приводного электродвигателя или разрыв трубопровода из-за чрезмерного роста давления. Но в сигнализаторе предусмотрено и вторичное указание на необходимость замены загрязненного фильтра. Вместе с магнитом перемещается и указатель 5, который при максимальном подъеме попадает в красную зону прозрачной втулки 4, что дополнительно визуально сигнализирует обслуживающему персоналу гидравлической системы о полной загрязненности фильтра. В пористом фильтре модели Г43-5 (рис. ZSK.6.7, в) предусмотрена лишь визуальная сигнализация степени загрязненности. По мере загрязнения фильтрующего элемента 1 возрастает давление у шарикового клапана 3, он начинает пропускать жидкость к магнитному поршню 4, который, смещаясь вправо, перемещает и красный флажок 6 под прозрачным окошком 5. При полном загрязнении фильтра поршень 4 и флажок 6 сместятся в крайнее правое положение, что символизирует необходимость немедленной замены фильтрующего элемента. В то же время сместившийся поршень 4 открывает проход неочищенной жидкости на выход сверху обратного клапана 2. При смене фильтрующего элемента этот обратный клапан предотвращает вытекание рабочей жидкости из гидросистема, разъединяя приемную полость фильтра и его выходной канал. Для смены фильтрующего элемента необходимо вывернуть корпус фильтра 7из его крышки.

К силовым фильтрам относятся те, в которых на частицы загрязнений оказывают воздействие силы различного физического происхождения, например, электростатические силы, магнитные, инерционные, гравитационные, и не дают частицам поступать вместе с рабочей жидкостью к устройствам гидравлической системы. К таким фильтрам относят электростатические, магнитные, центробежные и др. устройства очистки рабочей среды.

В электростатических фильтрах (рис. ZSK.6.8, а) используется физический эффект поляризации частиц загрязнений в электростатическом поле, возникающем между электродами 1. Вследствие этого частицы осаждаются на электродах при прохождении жидкости между ними от входа А на выход Б. Для достижения необходимого результата очистки электроды устанавливаются на расстоянии 0,1 — 0,3 мм, а напряжение постоянного тока на электродах может достигать величины в 300—500 В и более.

Рис. ZSK.6.8. Силовые фильтры

Принцип действия магнитных фильтров основан на эффект намагничивания частиц металлических загрязнений, проходящих сквозь магнитное поле, и их оседания на постоянных магнитах. Такие фильтры, часто называемые магнитными уловителями, обеспечивают задержание частиц размером от 0,5 мкм и более. На рис. ZSK.6.8, б показан простейший магнитный уловитель в виде пробки с вмонтированным в нее постоянным магнитом 2. На рис. ZSK.6.8, в изображен более эффективный уловитель в виде магнитного патронного сепаратора, представляющего собой набор постоянных магнитов, разделенных прокладками 2 и закрепленных на стержне 3. Магнитные уловители рекомендуется устанавливать в баках, отстойниках или в сливных трубопроводах с незначительной скоростью течения рабочей жидкости (рис. ZSK.6.8, б, г). Но эффективность очистки жидкости магнитными фильтрами значительно возрастает, если они применяются в сочетании с пористыми фильтрами. На рис. ZSK.6.8, д показан комбинированный фильтр, состоящий из магнитного и пористого фильтров. Войдя в корпус фильтра по каналу А, рабочая жидкость попадает на магнитные диски 3, на которых задерживаются намагничивающиеся частицы загрязнений, далее она проходит пористый фильтрующий элемент 4, на котором задерживаются другие загрязнения, и очищенной выходит по каналу на выход Б. В корпусе фильтра установлен прозрачный указатель, благодаря которому визуально можно наблюдать степень загрязненности фильтра. В случае его полной загрязненности предусмотрен клапан 2, который в этом случае открывает проход неочищенной жидкости напрямую из канала А на выход Б.

Принцип действия инерционных фильтров основан на создании центробежных сил, которые отделяют в жидкости твердые частицы. К ним относят центрифуги, с помощью которых достигается тонкость фильтрации 15—20 мкм. В зависимости от вида привода ротора различают центрифуги реактивные и активные. Более простыми по конструкции и компактными являются реактивные центрифуги, в которых вращение ротора 3 осуществляется за счет возникновения реактивных сил, возникающих при истечении очищаемой жидкости из форсунок 5 (рис. ZSK.6.9).

К центрифуге неочищенная жидкость подается по каналу А. При вращении ротора она вытекает из каналов Б в полость под колпак 4. Одна ее часть уходит вниз под маслоотражатель 2 и далее в гидросистему по каналу Д, пройдя неполную очистку. Другая часть жидкости под действием инерционных сил поднимается вверх, проходя полную очистку, попадает в каналы В и уходит в гидросистему по каналам Г в корпусе 1. Благодаря многократной очистке такая реактивная центрифуга обеспечивает тонкость фильтрации до 10 мкм.

Рис. ZSK.6.9. Центробежный фильтр

Гравитационные фильтры работают за счёт действия силы тяжести, которая способствует осаждению загрязняющих частиц на дно. К таким устройствам относятся, например, гидробаки и различные отстойники. Наиболее эффективно они задерживают крупные и тяжёлые частицы (чаще всего — размером более 25 микрометров). Однако у таких фильтров есть недостаток: если в баке происходит интенсивное перемешивание жидкости, осевшие загрязнения могут снова попасть в поток и вернуться в гидросистему. Поэтому важно конструктивно разделять зону всасывания и сливную часть в баке, чтобы уменьшить риск повторного загрязнения. Кроме того, большое значение имеет правильный выбор места установки фильтра в системе. Как уже упоминалось, размещение фильтра тонкой или средней очистки на линии всасывания может привести к нарушению стабильной работы гидропривода и даже повредить его элементы.

На рисунке ZSK.6.10 показаны различные варианты размещения гидравлических фильтров в системе. Обычно фильтры нормальной очистки устанавливаются в напорной линии насоса (рис. ZSK.6.10 а), а фильтры грубой очистки — на линии всасывания (рис. ZSK.6.10 в). Также нередко фильтры размещают в сливных линиях (рис. ZSK.6.10 б и г), где применяются фильтры грубой или нормальной степени очистки. Если же какое-либо гидравлическое устройство требует особенно чистой жидкости — например, если оно имеет высокую точность изготовления и очень малые зазоры, измеряемые в микрометрах, — то перед ним устанавливают фильтр тонкой очистки (рис. ZSK.6.10 д).

Рис. ZSK.6.10. Схемы установки фильтров

Важно учитывать, что фильтр, установленный в напорной гидролинии, работает под воздействием высокого давления. Поэтому его корпус должен быть достаточно прочным и устойчивым, что делает его изготовление и обслуживание более затратными. Если же фильтр размещается в сливной линии, можно использовать более простую и лёгкую конструкцию. Однако такой способ установки хуже защищает гидросистему от загрязнений. Кроме того, при загрязнении фильтрующего элемента в сливной линии может возникать избыточное противодавление, которое, если вовремя не заменить элемент, может достичь критического уровня.