Регулирование скорости гидропривода

При эксплуатации гидрофицированных машин, станков и механизмов возникает естественная необходимость в регулировании скорости выходного звена гидропривода. Известно, что эта скорость (угловая – вала гидромотора или линейная - штока гидроцилиндра) зависит от расхода подаваемой в гидродвигатель рабочей жидкости.

В зависимости от способа изменения этого расхода различают объемное и дроссельное регулирование. Тот и другой способы регулирования не зависят от кинематического признака гидропривода, но зависят от других факторов, в частности, от характера изменения нагрузки, выходной скорости гидродвигателя; определяются они и экономическими соображениями.

Рассмотрим объемный способ регулирования применительно к гидроприводу вращательного движения, а дроссельный – применительно к гидроприводу возвратно–поступательного движения.

Объемное регулирование

Расчетную частоту вращения вала гидромотора n₂ определяют из условий равенства подачи насоса Q₁ и расхода жидкости гидромотора Q₂, т.е. Q₁=Q₂ или W₁·n₁=W₂·n₂, откуда

,

где W₁, W₂ – рабочие объемы соответственно насоса и гидромотора.

Частота вращения вала насоса n₁ постоянна для гидроприводов с объемным регулированием, т.к. эта частота номинальна для приводящего двигателя, при которой к.п.д. двигателя будет максимальным.

Следовательно, регулирование частоты вращения гидромотора возможно тремя способами: изменением рабочего объема насоса (рис.13.10), гидромотора (рис. 13.11) или одновременно насоса и гидромотора (рис.13.12).

Рис.13.10 Рис.13.11 Рис.13.12

Первый способ применяют в гидроприводах поступательного, поворотного и вращательного движения, второй и третий – только в гидроприводах вращательного движения.

гидропривод с регулируемым насосом и нерегулируемым гидромотором является самым распространенным видом объемного регулирования (рис.13.10). Принцип работы гидропривода заключается в следующем. При включении приводящего двигателя насос 1 нагнетает рабочую жидкость по напорной линии в гидромотор 2, вал которого под действием крутящего момента вращается в определенном направлении. Из гидромотора 2 рабочая жидкость по сливной линии снова поступает в насос. Давление в гидросистеме р₁ зависит от нагрузки гидромотора:

,

где М₂ – крутящий момент гидромотора, Н·м; W₂ – рабочий объем гидромотора, м³; р_тр – потери давления в гидролиниях, Па.

Частоту вращения гидромотора регулируют, изменяя рабочий объем насоса, а направление вращения вала гидромотора изменяют благодаря реверсированию потока рабочей жидкости, создаваемого насосом. При этом сначала подачу насоса уменьшают до нуля, а затем увеличивают, но в противоположном направлении. В результате функции гидролиний меняются: сливная становится напорной, напорная – сливной.

Рис. 13.13

На рис.13.13 показаны характеристики такого гидропривода с учетом следующих условий: n₁=const; W₂=const; p₂=const. Основные параметры гидропривода определяют по следующим формулам:

гидропривод с регулируемым гидромотором и нерегулируемым насосом(рис.13.11) применяют значительно реже по сравнению с гидроприводами, которые имеют регулируемые насосы. На рис.13.14 показаны характеристики такого гидропривода с учетом следующих условий: n₁=const; W₁=const; р₂= const. Основные параметры гидропривода определяют по формулам

Рис. 13.14

Частота вращения гидромотора изменяется в рассматриваемом гидроприводе обратно пропорционально рабочему объему гидромотора. Например, чтобы увеличить частоту вращения гидромотора, необходимо уменьшить его рабочий объем (при этом уменьшается его крутящий момент). Теоретическая мощность привода (без учета потерь) в данном гидроприводе является постоянной. К недостаткам такого привода следует отнести сложность управления гидромоторами в случае их значительного удаления от операторов и ограничение минимального рабочего объема гидромотора, при котором момент, развиваемый гидромотором, становится равным или меньше момента внутреннего трения (самоторможение).

Гидропривод с регулируемым насосом и гидромотором.Для такого привода (рис.13.12) характерен больший диапазон регулирования частоты вращения и момента, развиваемого гидромотором. Обеспечение характеристики М₂=f(n₂), как показано на рис. 13.15, дает возможность использовать этот гидропривод в транспортных средствах, где необходимо осуществлять трогание машины с моментом M_max при очень малой скорости (n₂≈0). По мере разгона момент должен снижаться, а частота вращения увеличиваться. Это достигается уменьшением (регулированием) рабочего объема гидромотора. Применение регулируемого насоса увеличивает диапазон регулируемого привода, но из-за сложности двойного регулирования такой гидропривод пока не нашел широкого применения.

Рис.13.15

Дроссельное регулирование

Дросселем называют гидравлическое сопротивление, которое устанавливают для регулирования потока жидкости, следовательно, и скорости выходного звена гидропривода. Конструкции дросселей будут рассмотрены ниже.

Скорость перемещения поршня в цилиндре или частоту вращения вала гидромотора можно регулировать, изменяя сопротивление дросселя.

В зависимости от места установки дросселя в схеме гидропривода по отношению к гидродвигателю различают три способа дроссельного регулирования:

- дроссель «на входе» (рис.13.16);

- дроссель «на выходе» (рис.13.17);

- дроссель «на ответвлении» (рис.13.18).

Рис.13.16 Рис.13.17 Рис. 13.18

дроссельные устройства.По конструкции дроссели подразделяются на нерегулируемые (обозначение ) и регулируемые (обозначение ), а по виду гидравлических потерь в дросселях - на линейные и нелинейные.

В линейных дросселях движению жидкости препятствует сопротивление трения жидкости о стенки канала. Для получения больших сопротивлений сечение канала уменьшают, а длину увеличивают. В дросселях такого типа устанавливается ламинарный режим движения жидкости, при котором перепад давления прямо пропорционален первой степени скорости или расхода и может быть вычислен по формуле

,

где d – диаметр, например, капилляра; - коэффициент динамической вязкости; l - длина; - перепад давления на дросселе.

Примером линейного нерегулируемого дросселя может служить, капилляр. встроенный в основной трубопровод (рис.13.19). Для увеличения расхода устанавливают пакет капилляров (рис.13.20).

Рис.13.19

Рис.13.20

Примером линейного регулируемого дросселя может служить пробка с винтовой нарезкой, помещенной в хорошо пригнанный по наружному диаметру корпус (рис.13.21). Длину нарезки можно менять, следовательно, будет меняться и расход через дроссель.

Рис.13.21

Следует отметить нестабильность работы системы с линейным дросселем, так как его сопротивление зависит от вязкости жидкости, которая изменяется с изменением температуры.

В нелинейных дросселях широко используют местные сопротивления в виде диафрагм и насадков. В дросселях такого типа устанавливается турбулентный режим движения жидкости, при котором перепад давлений пропорционален второй степени скорости или расхода; последний может быть вычислен по формуле

,

где - коэффициент расхода; - площадь отверстия дросселя; - перепад давления на дросселе.

Примером нелинейного нерегулируемого дросселя является калиброванное отверстие (диафрагма) 1, установленное в основной поток жидкости (рис.13.22), или пакет пластичных дросселей.

Рис.13.22

Примерами нелинейных нерегулируемых дросселей могут быть золотники и краны различных конструкций (рис.13.23).

Рис.13.23

Так как в нелинейном дросселе потери энергии связаны с отрывом потока и вихреобразованиями, а потери от трения минимальны, то гидравлическое сопротивление такого дросселя практически не зависит от вязкости жидкости и изменения температуры. Нелинейные дроссели обеспечивают стабильность характеристики Q=f(Δp) в большом диапазоне чисел Re.

анализ работы гидропривода с дроссельным регулированием.В системах дроссельного регулирования характерным условием является неравенство

,

а применительно к гидроприводу поступательного движения

(13.2)

где Q_н – подача насоса; - эффективная площадь гидроцилиндра; V^max- максимальная скорость штока гидроцилиндра.

При таком условии избыточная часть жидкости от насоса отводится через переливной клапан в гидроемкость не выполнив никакой работы.

Система с дросселем «на входе» (рис.13.24).

Рис.13.24

В гидросистеме между насосом 1 и гидрораспределителем 3 установлен дроссель А, от настройки которого зависит скорость поршня в цилиндре 4. если сохранено условие (13.2), то избыток жидкости отводится через переливной клапан 2, при этом в нагнетательной полости насоса и перед дросселем удерживается постоянное давление, соответствующее настройке клапана 2.

Рассмотрим работу этой системы и выясним, как влияет на скорость поршня изменение полезной нагрузки Р при неизменной настройке дросселя.

Допустим, что поршень со штоком перемещается вправо. Давление рабочей жидкости в левой полости обозначим р_раб, в правой – р_пр (противодавление), силу трения – Т, полезную нагрузку – Р.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра:

.

В этом уравнении силу трения Т и силу от противодавления можно принять постоянными.

Следовательно, если изменится внешняя нагрузка Р, то должно измениться давление p_раб. Так как дроссель А установлен последовательно к гидроцилиндру, то Q_др = Q_гц. Расход, например, через нелинейный дроссель

;

.

Так как р_п.к.= const, то расход через дроссель, следовательно, и скорость поршня гидроцилиндра будут меняться с изменением внешней нагрузки Р.

Система с дросселем на входе допускает регулирование скорости гидродвигателя только в том случае, если направление действия нагрузки не совпадает с направлением движения выходного звена. Действительно, если нагрузка направлена в ту же сторону, что и движение выходного звена системы, то при уменьшении подачи жидкости через дроссель поршень может перемещаться быстрее, чем будет заполняться полость цилиндра. Произойдет разрыв потока в магистрали перед поршнем.

Кроме того, например, в грузоподъемных машинах поднятый груз при опускании может упасть, так как внешняя нагрузка – груз – будет преодолевать при опускании только силу трения поршня о цилиндр и противодавление в сливной линии. Поэтому для стабилизации сил трения на сливной магистрали устанавливается подпорный клапан 5 (или демпфер), создающий противодавление р_пр в нерабочей полости цилиндра. Давление подпора не должно быть больше 0,2…0,3 МПа.

Система с дросселем на выходе. В гидравлической системе (рис.13.25) дроссель В подключен на сливной магистрали после распределителя 3. скорость поршня здесь определяется объемом жидкости, который вытесняется из штоковой полости цилиндра 4 через дроссель В в гидроемкость.

Проанализируем работу этой системы и установим влияние изменения нагрузки Р на скорость поршня.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра:

.

Рис.13.25

Если сохраняется условие, при котором > , то давление р_раб в процессе не изменяется и соответствует настройке переливного клапана 2 р_п.к, т.е. . Силы трения Т для данного механизма почти неизменны. Так как по условию нагрузки Р величина переменная, то из уравнения равновесия следует, что противодавление р_пр тоже будет переменным.

Давление перед дросселем «В» при некотором допущении может быть принято равным р_пр, а после дросселя – почти атмосферному р_ат. Поэтому перепад давления в дросселе при подключении последнего на выходе является величиной переменной. Следовательно, переменным будет расход жидкости через дроссель и скорость поршня.

Система с дросселем «на выходе» более предпочтительна, чем система с дросселем «на входе». Во-первых, тепло, выделяющееся при прохождении через дроссель, отводится в гидроемкость, не нагревая гидродвигатель. Во-вторых, эту систему целесообразно, применять в монтажных механизмах, т.к. перекрывая дроссель В, можно мгновенно останавливать в нужном положении поднятый груз.

В рассмотренных выше системах дроссельного регулирования мощность, потребляемая насосом, постоянна и независима от внешней (полезной) нагрузки Р.

Система с дросселем на ответвлении.Рассмотрим третий возможный способ подключения дросселя в систему – на ответвлении (рис.13.26).

Поток жидкости, идущий от насоса 1, разделяется по двум направлениям: к гидроцилиндру 4 через распределитель 3 и через дроссель С, который установлен в ответвлении параллельно силовому цилиндру. Скорость поршня как и в предыдущих системах, определяется настройкой дросселя С.

Рис.13.26

При закрытом дросселе скорость поршня максимальна. По мере открытия его часть жидкости начинает циркулировать в гидроемкость, а скорость поршня соответственно уменьшается. Если при полном открытии дросселя сопротивление, оказываемое им и магистралью после дросселя, меньше, чем в цилиндропоршневой группе и подпорном клапане 5, то вся жидкость от насоса будет отводиться через дроссель в гидроемкость, а поршень остановится.

При указанном расположении золотника в распределителе 3 к насосу подключена поршневая полость гидроцилиндра 4, давление в которой р_раб определяется нагрузкой Р+Т. Если нагрузка в процессе работы изменяется, то перепад давления в дросселе зависит от нагрузки. Следовательно, расход жидкости через дроссель и скорость выходного звена меняются.

Клапан 2 в системе включается в работу эпизодически в момент перегрузок, выполняя, таким образом, только функцию предохранительного устройства.

Мощность, потребляемая насосом, и давление в полости нагнетания пропорциональны полезной нагрузке, поэтому гидросистема с дросселем, установленным параллельно силовому цилиндру, экономичней систем с дросселем «на входе» и «на выходе», так как к.п.д. ее выше.

Из анализа работы гидравлических систем с дроссельным способом регулирования скорости следует, что независимо от места расположения дросселя не обеспечивается постоянство скорости поршня при неизменной настройке дросселя, если нагрузка в процессе работы изменяется. Объясняется это нестабильным перепадом давления в дросселе.

Поэтому напрашивается само собой устройство, в котором автоматически поддерживался бы постоянным перепад давления на дросселе с изменением нагрузки на выходном звене. Такое устройство называется дроссель-регулятором. Этот аппарат состоит из дросселя и редукционного клапана, размещенных в общем корпусе. Расход жидкости устанавливается дросселем, а постоянство разности давления до и после дросселя обеспечивается автоматически редукционным клапаном.

Следящий гидропривод

В рассмотренном ранее гидроприводе возвратно–поступательного движения происходит простое перемещение поршня из одного крайнего положения в другое с преодолением нагрузки Р вдоль штока.

В тракторных, автомобильных системах управления, в гидрокопировальных станках и системах гидроавтоматики применяют следящие гидроприводы (бустеры), в которых шток силового цилиндра должен автоматически следовать за перемещением рукоятки управления.

В таких следящих системах исполнительный шток развивает большее усилие, чем приложено к органу управления. Поэтому следящий гидроприводов еще называют гидроусилителем.

Рассмотрим принцип действия такого привода (рис.13.27) золотникового типа.

Рис.13.27

Двигая ручку управления 1, например, вправо, мы перемещаем командный золотник 2, который через золотниковые окна и каналы 3 (гибкие шланги) направляет жидкость под давлением в левую полость силового цилиндра 4 и соединяет со сливом правую его полость. Под действием давления, создаваемого насосом, поршень 5 перемещается вправо вместе с корпусом золотника 6 до тех пор, пока не перекроются каналы золотника, по которым жидкость подается в цилиндр и отводится от него.

При перемещении ручки с золотником влево давление будет подведено в правую полость цилиндра, и поршень будет перемещаться влево.

Таким образом, исполнительный шток 7, связанный, например, с рулевой тягой трактора, следует за всеми движениями золотника 2, но развиваемое им усилие во много раз превышает то, которое прикладывается к золотнику.

Рассмотрим теперь основные характеристики гидроусилителя как силового привода. Выведем формулы для усилия на исполнительном штоке гидроусилителя, к.п.д. гидроусилителя и развиваемой им мощности.

Давление, подведенное к гидроусилителю р_о, расходуется на преодоление усилия вдоль исполнительного штока и на гидравлическое сопротивление:

,

где , - перепад давления в гидроцилиндре;

,

где Р – усилие на штоке; - площадь поршня, за вычетом площади штока; - суммарная потеря давления на пути движения жидкости от входа в гидроусилитель до выхода.

Гидравлические потери происходят в основном в двух частично перекрытых золотниковых окнах и подчиняются квадратичному закону в функции скорости (расхода):

,

где - коэффициент сопротивления золотникового окна; V – скорость течения жидкости в золотниковом окне.

Считая окно прямоугольным, шириной в, получим уравнение расхода

Q = Vω = Vвх;

,

где V – скорость перемещения поршня гидроцилиндра.

Тогда

, (13.3)

где .

Величину К можно принять постоянной.

Считая давление насоса постоянным и пренебрегая потерями в подводящих трубах, получим

.

При отсутствии нагрузки (Р=0, ) и полном открытии окон (х=х_max) определим К из выражения (13.3)

. (13.4)

Подставив (13.4) в (13.3) и решив относительно , получим

где ; ; ; - степень открытия золотниковых окон; - относительный расход (скорость).

Сила исполнительного штока (нагрузка)

.

Относительная нагрузка

.

Полученное уравнение позволяет построить сетку так называемых статических характеристик гидроусилителя, т.е. для разных значений .

График (рис.13.28) построен для положительных и отрицательных значений , т.е. для движения золотника и штока, следовательно, и жидкости как в одном, так и в другом направлении.

Рис.13.28

Из графика видно, что лишь при малых скоростях V перемещения исполнительного штока усилие на нем приближается к максимально возможному значению: . Чем быстрее перемещается исполнительный шток, тем меньшую нагрузку он преодолевает.

Там, где кривые пересекают ось абсцисс, нагрузка на штоке меняет свой знак, т.е. превращается в силу, тянущую шток в направлении движения. При этом происходит дальнейшее увеличение его скорости, а гидроцилиндр переходит в режим насоса.

Таким образом, на графике (рис.13.28) в квадрантах I и III гидроцилиндр работает в режиме гидродвигателя, совершающего работу преодоления нагрузки, а в квадрантах II и IV – в режиме насоса, нагнетающего жидкость в том же направлении, что и основной насос.

Статические характеристики гидроусилителя можно построить и в другой системе координат (рис.13.29).

Решим уравнение относительно :

и построим зависимость для разных значений . Мы получим ряд прямых, угол наклона которых к оси тем меньше, чем больше нагрузка на исполнительном штоке. При характеристика гидроусилителя совпадает с осью абсцисс, а это значит, что скорость исполнительного штока равна нулю.

Рис.13.29

На характеристики гидроусилителя влияет так называемое перекрытие золотника, т.е. соотношение ширины золотникового поршня h к ширине золотникового окна t (рис.13.30).

В связи с этим различают идеальный золотник, у которого h=t, золотник с положительным перекрытием h>t, золотник с отрицательным перекрытием h<t. За величину перекрытия принимают

.

Характеристика, приведенная на рис.13.28, 13.29, относится к идеальному золотнику (с=0).

Рис.13.30

В случае золотника с положительным перекрытием на его характеристике получается зона нечувствительности размером 2с, что является недостатком, но благодаря этому повышается герметичность.

В проточном золотнике имеют место утечки жидкости из напорной линии в сливную, следовательно, и потери мощности, но зона нечувствительности практически отсутствует, так как даже при очень малом смещении золотника от нейтрального положения в силовом цилиндре возникает перепад давления.

К.п.д. гидроусилителя - отношение секундной работы, совершаемой исполнительным штоком, к мощности потока жидкости, подаваемой на гидроусилитель:

.

Следовательно, к.п.д. гидроусилителя численно равен относительной нагрузке на штоке и меняется по тому же закону, что и .

Полезная мощность гидроусилителя , относительная мощность определяется отношением

.

Используя формулу и учитывая, что , получим

. (13.5)

Наибольшая мощность получается при определенном значении .

Найдем это значение.

При вместо выражения (13.5) получаем

.

После дифференцирования по приравниваем производную нулю:

.

Отсюда оптимальный относительный расход

;

максимальная относительная мощность

При этом максимальная относительная нагрузка на штоке и к.п.д. гидроусилителя равны (при ):

.

Теперь определим максимальную мощность по начальным параметрам

.

Характеристики при различных , построенные по выражению (13.5), представлены на рис.13.31.

Рис.13.31

В следящих системах, кроме гидроусилителей золотникового типа, широко применяют гидроусилители типа сопло-заслонка и со струйной трубкой.