Гидроприводы с дроссельным регулированием

Дроссельный способ регулирования скорости гидроприводов с нерегулируемым насосом основан на том, что часть жидкости, подаваемой насосом, отводится в сливную гидролинию и не совершает полезной работы. Простейшим регулятором скорости является регулируемый дроссель, который устанавливается либо последовательно с гидродвигателем, (рис. 3.1 – а, б), либо в гидролинии управления параллельно гидродвигателю (рис. 3.1 – г). Последовательное включение дросселя может осуществляться: на входе гидродвигателя, на выходе гидродвигателя, на входе и выходе гидродвигателя. При этом излишки рабочей жидкости поступают в сливную гидролинию через переливной клапан, поддерживающий давление на выходе из насоса постоянным.

Гидропривод с дросселем на входе (рис. 3.1 а) допускает регулирование скорости гидродвигателя путем изменения проходного сечения дросселя только в том случае, если направление действия нагрузки противоположно направлению движения выходного звена (отрицательная нагрузка). Когда направление нагрузки совпадает с направлением движения выходного звена, гидроцилиндр перемещается под действием этой нагрузки, преодолевая только силу трения и противодавления в сливной гидролинии. Скорость движения выходного звена гидроцилиндра определяется следующим соотношением (при допущении, что сливное давление близко к нулю):

(3.1)

где G — проводимость дросселя, зависящая от величины проходного сечения дросселя S₀: ; S — эффективная площадь поршня; F_H—нагрузка на выходном звене, Р_н – давление на выходе насоса.

Гидропривод с дросселем на выходе (рис. 3.1 б) допускает регулирование скорости гидродвигателя при знакопеременной нагрузке, так как при любом направлении действия силы F_H изменению скорости препятствует сопротивление дросселя, через который рабочая жидкость поступает из полости гидродвигателя на слив. Для такой схемы включения дросселя скорость движения выходного звена v выражается формулой

(3.2)

Рисунок 3.1 – Схемы дроссельного регулирования гидропривода:

а – дроссель в линии нагнетания, б – дроссель в линии слива,

в – дросселирующий распределитель в линиях нагнетания и слива,

г – параллельное включение дросселя.

При установке дросселя в гидролинии слива тепло, выделившееся при дросселировании потока рабочей жидкости, отводится в бак без нагрева гидродвигателя, как это имеет место в схеме с дросселем на входе. В результате гидродвигатель работает в более выгодном режиме.

Существенным недостатком рассмотренных схем последовательного включения дросселя является нестабильность скорости v при изменении нагрузки, как это следует из формул (3.1) и (3.2) В этом отношении более выгодным оказывается гидропривод с дросселем на входе и выходе (рис. 3.1 в) причем в качестве регулятора скорости целесообразно использовать дросселирующий гидрораспределитель, сочетающий функции дросселя и распределителя. Для такой схемы регулирования скорость движения v определяется соотношением

(3.3)

Как следует из выражения (3.3), влияние изменения нагрузки на скорость движения выходного звена меньше, чем в схемах с дросселем только на входе или только на выходе, однако нагрев рабочей жидкости в такой схеме больше за счет двойного дросселирования потока.

При параллельном включении дросселя (рис3.1, г) рабочая жидкость, подаваемая насосом, разделяется на два потока. Один поток проходит через дроссель, другой - через гидродвигатель. Регулирование скорости производится изменением величины проводимости дросселя, т.е. увеличением или уменьшением расхода рабочей жидкости через гидролинию управления. Для этой схемы величина v определяется выражением

(3.3)

где Q_H — подача насоса.

При таком способе включения дросселя регулировать скорость можно только при отрицательной нагрузке, и кроме того, как следует из выражения (3.4), точность регулирования скорости и ее стабильность при изменении нагрузки ниже, чем в предыдущих схемах с р_н =const. Достоинством схемы является наименьший нагрев рабочей жидкости, поскольку давление р_н зависит от нагрузки F_н и лишь при максимальном ее значении достигает величины, на которую отрегулирован переливной клапан. Следовательно, дросселирование происходит при меньшем перепаде давлений, и жидкость нагревается меньше. К тому же нагретая жидкость поступает прямо на слив.

Все рассмотренные схемы дроссельного регулирования в той или иной степени не обеспечивают постоянства скорости выходного звена гидропривода при изменении нагрузки и потому применяются только в гидроприводах различных вспомогательных устройств (при мало меняющихся нагрузках). В основных гидроприводах машин применяют специальные гидроаппараты - регуляторы потока, обеспечивающие стабильность установленной скорости вне зависимости от колебаний нагрузки.

Стабилизация скорости движения. На рис. 3.2, а приведена схема гидропривода поступательного движения с регулятором потока на выходе гидродвигателя. Регулятор 1 состоит из регулируемого дросселя и редукционного клапана, который при изменении нагрузки F_н, а следовательно и давления p₁, поддерживает постоянным давление перед дросселем р_д, обеспечивая тем самым постоянное значение расхода через дроссель и постоянную скорость v.

Рисунок 3.2 – Гидроприводы с регуляторами потока на выходе (а) и на входе (б) гидродвигателя

В гидроприводах станков и других машин при такой схеме стабилизации скорости используют серийно выпускаемые регуляторы типа Г55-3, конструкция которого представлена на рис. 3.3. Рабочая жидкость от гидродвигателя с давлением р₁ подводится в полость В и через полость Е направляется к дросселю 2; перейдя дроссель, она поступает на слив. Полость Е каналами Б и Г соединена с полостями А и Д, благодаря чему давление рабочей жидкости перед дросселем, воздействуя на золотник 1, стремится переместить его вправо, преодолевая усилие пружины 3. При увеличении давления перед дросселем проходное сечение от полости В к полости Е уменьшается, а при уменьшении давления — увеличивается, за счет чего в полости Е устанавливается постоянное значение давления р_д, при р₁> р_д равное , где Р_п — сила пружины; D — диаметр золотника в полости А. Регуляторы этого типа работают на минеральном масле вязкостью 18—60 сСт при температуре до 50° С и обеспечивают стабилизацию скорости с точностью ±15% установленного значения. Технические характеристики регуляторов типа Г55-3 представлены в табл. 3.1 [3]

Рисунок 3.3 – Конструкции регуляторов потока типа Г55-3

Таблица 3.1 – Технические характеристики регуляторов потока типа Г55-3

Параметр	Типоразмер
Г55-31В	ГБ5-3Ш	Г55-31А	Г55-31	Г55-32А	Г55-32	Г55-33	ГБ5-34	Г55-35А	ГБ5-35	Г55-36А
Номинальный расход, л/с (л/мин)	0,02 (1,2)	0,05 (3,0)	0,08 (4,8)	0,13 (7,8)	0,2 (12)	0,3 (18)	0,6 (36)	1,2 (72)	1,7 (102)	2,3 (138)	3,3 (198)
Минимальный расход, л/с (л/мин)	0,001 (0,06)	0,002 (0,012)	0,0025 (0,015)	0,004 (0,024)	0,016 (0,096)
Диапазон изменения входного давления, МПа (кгс/см2)	0,5—12,5 (5—125)	0,7—12,5 (7—125)

На pис.3.2, б приведена схема гидропривода поступательного движения с регулятором потока на входе гидродвигателя. Регулятор Р состоит из регулируемого дросселя 1, редукционного клапана 2 и предохранительного клапана 3, ограничивающего величину давления. Поток рабочей жидкости от насоса поступает в регулятор и разветвляется на два потока: один проходит через регулируемый дроссель 1 к гидродвигателю; другой — через редукционный клапан 2 на слив. При изменении давления p₁ редукционный клапан 2, управляемый этим давлением, соответственно изменяет давление Р_н и перепад давления на дросселе, следовательно, расход рабочей жидкости и скорость v остаются постоянными.

При такой схеме стабилизации в гидроприводах в машиностроении используют серийно выпускаемые регуляторы типа Г55-4, конструкция которого приведена на рис.3.4. Рабочая жидкость от насоса поступает в полость Б, затем в полость К и далее: один поток через канал Г идет к дрос

Рисунок 3.4 – Конструкция регуляторов типа Г55-4

селю 1 в полость А и к гидродвигателю; другой поток поступает в полость В и на слив через отверстие, проходное сечение которого зависит от положения золотника 4. Так как полость К (давление р_н) соединена каналами М и И с полостями Л и Ж, а полость А (давление p₁) через дроссель Д — с полостью Е, то золотник находится в равновесии под действием давлений р_н и p₁ и пружины 3. В результате , где D — диаметр золотника в полости Е. В случае увеличения давления р₁ выше допустимого открывается предохранительный клапан 2, давление в полости Е падает, золотник перемещается вправо, соединяет полости К и В, открывая проход потоку рабочей жидкости от насоса на слив.

Регуляторы типа Г55-4 работают на минеральном масле вязкостью 18 — 60 сСт при температуре до 50° С, обеспечивая точность стабилизации скорости ±15% установленного значения. Технические характеристики регуляторов этого типа приведены в табл. 3.2 [3]

Таблица 3.2 – Технические характеристики регулятора потока типа Г55-4

Параметр	Типоразмер
Г55-42А	Г55-42	Г55-43	ГБ5-44
Номинальный расход, л/с (л/мин)	0,2 (12)	0,3 (18)	0,6 (36)	1,2 (72)
Минимальный расход, л/с (л/мин)	0,004 (0,24)
Диапазон рабочих давлений, МПа (кгс/см2)	0,5—12,5 (5—125)
Давление разгрузки насоса, МПа (кгс/см2)	0,35 (3,5)	0,45 (4,5)

Синхронизация движения. В процессе работы гидроприводов различных машин возникает необходимость одновременного действия нескольких исполнительных гидродвигателей, к которым рабочая жидкость подается от одного насоса. В общем случае выходные звенья гидродвигателей не будут перемещаться синхронно: звено менее нагруженного двигателя перемещается быстрее, чем звено двигателя с большей нагрузкой, а при некоторых сочетаниях нагрузки выходное звено одного из двигателей совсем не будет перемещаться. Для синхронизации скорости движения нескольких гидродвигателей применяют различные устройства, наиболее распространенным из которых является делитель потока — гидроаппарат, предназначенный для разделения одного потока на два.

На рис. 3.5 приведена конструктивная схема делителя потока типа Г75-6, принцип действия которого основан на дроссельном регулировании потока (скорости). Рабочая жидкость подводится к отверстию А и через калиброванные дросселирующие отверстия в шайбе 1 поступает в полости Б к В, а затем по каналам Г и Д в торцевые камеры золотника 2. При равенстве давлений в отводных каналах Ж и Е деление потока обеспечивается отверстиями 1 в соотношении , где S₁ и S₂—площади отверстий в шайбе 1. При S₁= S₂ Q_ж = Q_E.

В случае неравенства давлений в каналах Ж и Е рабочая жидкость из гидролинии с большим давлением стремится сместить золотник со среднего положения, изменив проходные сечения в отводных каналах, и тем самым выравнять сопротивления потокам рабочей жидкости в обоих отводах, а следовательно, и расходы Q_ж и Q_E. Делители потока типа Г75-6 работают на минеральном масле вязкостью 18—60 сСт при температуре до 50°С, обеспечивая ошибку, деления потока не более 3% и отклонение установ-

Рисунок 3.5 – Конструктивная схема делителя потока типа Г75-6

ленного расхода при изменении температуры рабочей жидкости от 10°С до 50°С не более 10%. Рабочее давление на входе в делитель составляет 12,5 МПа. При перепаде давления на входе и выходе делителя ∆р=0,3— 0,4 МПа делитель в зависимости от типоразмера и настройки обеспечивает расход рабочей жидкости от 0,1 л/с (тип Г75-62) до 6 л/с (тип Г75-63). При помощи нескольких делителей этого типа можно разделить поток на любое количество равных частей.

На рис.3.6 приведена упрощенная схема гидропривода грузоподъемника, в котором с помощью делителей потока обеспечивается синхронное движение штоков четырех гидроцилиндров при любом распределении нагрузки на каждый шток. При подаче управляющего сигнала на электромагниты гидрораспределителей 3 и 4 штоки гидроцилиндров, преодолевая нагрузки F₁, F₂, F₃, F₄, перемещаются вверх с одинаковыми скоростями благодаря включению в схему делителей потока 2. При снятии сигнала с распределителя 3 происходит закольцовка насоса, и поршни останавливаются в любом промежуточном положении, так как бесштоковые полости гидроцилиндров оказываются запертыми обратными клапанами 1. Для спуска штоков вниз необходимо снять управляющий сигнал с распределителей 4, в результате чего бесштоковая полость соединится со сливной гидролинией.

Рисунок 3.6 – Синхронизация движения

4-х гидроцилиндров с помощью делителей потока

Рисунок 3.7 – Зависимость КПД гидропривода (η) от нагрузки φ=F/(S·p_н)

при дроссельном регулировании

Основным недостатком гидроприводов с нерегулируемым насосом и дроссельным регулированием скорости является низкий КПД, обусловленный самим принципом дроссельного регулирования. Для гидроприводов с последовательным включением дросселя; максимальное теоретическое значение КПД составляет 0,385. График теоретической зависимости КПД от нагрузки на выходном звене гидропривода представлен на рис. 3.7 На графике по оси абсцисс отложена безразмерная величина (см. рис. 3.1 – 3.2). При параллельном включении дросселя КПД пропорционален отношению расхода, проходящего через гидродвигатель к подаче насоса [3].