Способ регулирования объемного гидропривода

Способы регулирования объемных гидроприводов

Объемный гидропривод может выполнять функции самостоятельной системы управления каким-либо объектом, быть только исполнительным устройством в системе управления или входить в состав передачи, посредством которой энергия от двигателя транспортного средства (например, от двигателя внутреннего сгорания) подводится к гидродвигателям колес автомобиля.

В большинстве из перечисленных выше случаев необходимо осуществить управление объемным гидроприводом, которое по способу формирования управляющих воздействий разделяют на непрерывное и дискретное. При непрерывном управлении действия гидроаппарата описывают непрерывные функции времени, при дискретном гидроаппарат соединяет гидродвигатель с источником питания в отдельные моменты времени или прерывисто включает и выключает источник питания вместе с гидродвигателем. Скорость выходного звена гидродвигателя во время движения не регулируется, а действия гидроаппарата описывают дискретные функции времени. При непрерывном управлении применяют гидроаппараты, позволяющие осуществлять дроссельное, объемное или объемно-дроссельное регулирование скорости выходного звена гидродвигателя.

Дроссельное регулирование основано на применении гидроаппаратов (поз.4 или 5 на рис.1), в которых при управлении гидродвигателем изменяются площади проходных сечений каналов, соединяющих рабочие камеры гидродвигателя с напорной и сливной гидролиниями. Вследствие изменения проходных сечений каналов происходит изменение расхода жидкости, протекающей через гидроаппарат. Соответственно, уменьшается или увеличивается скорость выходного звена гидродвигателя. Обычно конструкция гидроаппарата позволяет изменять также направление движения выходного звена гидродвигателя. Дроссельное регулирование сопровождается изменением давлений в рабочих камерах гидродвигателя и частичной потерей энергии жидкости.

Рис.1 Схема системы с тремя гидроприводами.

Преимуществом этого способа регулирования по сравнению с другими способами является возможность одновременного управления несколькими гидродвигателями при одном централизованном источнике питания. Кроме того, дроссельное регулирование обеспечивает высокое быстродействие процесса управления гидродвигателем.

При объемном регулировании требуемая скорость выходного звена гидродвигателя достигается путем изменения подачи насоса источника энергопитания, что можно осуществить в гидроприводе, гидродвигатель которого непосредственно соединен с регулируемым насосом (рис.2). Чтобы изменять направление движения выходного звена гидродвигателя, насос должен быть реверсивным по отношению к направлению подаваемой им жидкости под давлением. В некоторых гидроприводах применяют гидродвигатели с регулируемыми рабочими объемами. Такие гидродвигатели могут иметь общий централизованный источник питания.

Рис.2 Схема гидропривода с объемным регулированием:
1 — насос с реверсивно-регулируемой подачей; 2 — гидродвигатель; 3 и 4 — гидролинии;
5 и 6 — предохранительные клапаны; 7 и 8 — обратные клапаны.

Недостаток регулируемых объемных гидродвигателей состоит в том, что при изменении рабочего объема изменяется не только скорость выходного звена, но и создаваемый жидкостью вращающий момент. Эта особенность регулируемого объемного гидродвигателя может быть причиной неустойчивости гидропривода в окрестности положения равновесия выходного звена. Объемное регулирование по сравнению с дроссельным сопровождается меньшими потерями энергии жидкости.

При объемно-дроссельном регулировании используют оба рассмотренных способа (рис.3). Такое регулирование позволяет уменьшить потери энергии по сравнению с дроссельным регулированием и может быть реализовано при подключении нескольких гидродвигателей к одному источнику питания. Конструктивно отдельные устройства гидропривода с объемно-дроссельным регулированием получаются сложнее, чем у гидропривода с дроссельным регулированием.

Рис.3 Схема гидропривода с объемно-дроссельным регулированием:
1 — насос с регулируемой подачей (нереверсивной); 2 — напорная гидролиния; 3 — сливная гидролиния;
4 — управляющий гидроаппарат; 5 — гидроцилиндр; 6 — автоматический регулятор насоса.

В объемных гидроприводах для управления потоками жидкости иногда применяют струйные и вихревые элементы без подвижных деталей. Эти элементы достаточно просты в изготовлении и менее чувствительны к загрязнению рабочей жидкости, чем золотники, клапаны, другие дроссельные устройства с подвижными деталями. Недостатком струйных и вихревых элементов является то, что при больших утечках жидкости под давлением они имеют малые коэффициенты усиления сигналов управления.

Способы регулирования объемных гидроприводов служат одним из главных признаков их классификации (рис.4).

Рис.4 Классификация объемных гидроприводов.

Источник: К.В.Фролов «Машиностроение. Энциклопедия».

Источник

Регулирование гидропривода

Скорость движения исполнительных органов объемного гидропривода зависит от расхода жидкости, поступающего в рабочую камеру, и от объема этой камеры, поэтому возможности регулирования скорости гидроприрвода основаны на различных способах изменения расхода, либо на изменении объема рабочей камеры. Рассмотрим подробнее каждый из возможных способов регулирования скорости движения исполнительных механизмов гидравлического привода.

Объемное регулирование

Данный способ регулирования основан на изменении объема рабочих камер гидромашин — насосов и гидромоторов.

Регулирование рабочего объема насоса

Подачу объемного насоса можно вычислить по формуле:

Q = q × n × η

где
• q — объем рабочей камеры насоса
• n — частота вращения вала насоса
• η — объемный КПД

Получается, что изменения объем рабочей камеры насоса, можно регулировать расход жидкости, подаваемой в напорный трубопровод при постоянной частоте вращения.

Насосы, конструкция которых позволяет изменять объем рабочей камеры называют регулируемыми. Наибольшее распространение получили регулируемые пластинчатые и аксиально-поршневые насосы.

Конструкция регулируемых машин значительно сложнее чем нерегулируемых, а значит регулируемые насосы значительно дороже. Высокая стоимость является одним из главных недостатков объемного регулирования гидропривода.

Объемное регулирование насоса часто применяется для изменения скорости движения гидроцилиндров.

Регулирование рабочего объема гидромотора

Скорость вращения вала гидромотора можно вычислить, используя зависимость:

Используя данную зависимость можно сделать вывод, что изменяя объем рабочей камеры гидромотора можно регулировать скорость вращения вала.

Регулируемым называют гидромотор, в конструкции которого предусмотрена возможность изменения объема рабочей камеры. Наиболее часто используются регулируемые аксиально-поршневые моторы, существуют конструкции регулируемых пластинчатых и радиально-поршневых гидромоторов.

На риунке показан регулируемый аксиально-поршневой насос, изменение узла наклона блока, в данном случае, осуществляется с помоью механической передачи. При изменении угла наклона меняется величина хода поршней, а значит и подача насоса, чем меньше уогл — тем меньше ход.

Достаточно часто используется схема объемного регулирования с одновременным использованием регулируемых насоса и гидромотора. Наибоольшее распространение получили регулируемые аксиально-поршневые моторы.

Преимущества объемного регулирования

• высокий КПД
• отсутствие нагрева жидкости в результате дросселирования

Недостатки объемного регулирования

• высокая стоимость
• сложность конструкции регулируемых машин
• медленное срабатывание

Дроссельное регулирование

Суть дроссельного регулирования заключаются в отводе части жидкости, подаваемой насосом. Подача насоса при дроссельном регулировании делится на два потока.

Qн = Qгд + Qсл

• где Qгд — расход, подводимый к гидродвигателям
• Qсл — расход отправляемый на слива

Изменяя соотношение этих расходов можно менять скорость движения исполнительных механизмов.

В зависимости от схемы установки регулируемого гидравлического сопротивления — дросселя, различают три типовых схемы дроссельного регулирования гидропривода:

• Последовательное
  • в линии нагнетания
  • в линии слива
• Параллельное

Рассмотрим подробнее каждый из этих способов регулирования.

Последовательное регулирование с установкой дросселя в линии нагнетания

Дроссель или регулятор расхода при данном способе регулирования устанавливается в линию нагнетания насоса, он необходим для создания необходимого перепада давления. Сброс части жидкости осуществляется через предохранительный клапан.

Рассмотрим принцип работы схемы с последовательным дроссельным регулированием.

При полном открытии дросселя весь поток жидкости направляется к гидроцилиндру, скорость его движения при переключении распределителя будет максимальной.

При уменьшении проходного сечения дросселя давление перед ним будет увеличиваться. При достижении давления начала открытия предохранительного клапана, часть жидкость через него будет отправляться на слив. Скорость перемещения штока гидроцилиндра будет уменьшаться.

При дальнейшем закрытии дросселя давление перед ним будет расти, а значит предохранительный клапан будет открываться сильнее отправляя большее количество жидкости на слив. Что позволит уменьшать скорость движения штока цилиндра.

Данный способ регулирования характеризуется простотой реализации и относительной дешевизной органов регулирования. Однако дросселирование обуславливает большие потери энергии, а значит низкий КПД и большое тепловыделение. Причем при последовательном регулировании, нагретая на дросселе жидкость будет поступать в полость исполнительного гидродвигателя.

Последовательное регулирование с установкой дросселя в линии слива

Дроссель может устанавливаться не только в линии нагнетания насоса, но и в линии слива гидродвигателя, такую схему называют последовательным регулированием гидравлического привода с установкой дросселя в линии слива.

В результате уменьшения проходного сечения дросселя давление в линии нагнетания будет возрастать, когда оно достигнет величины достаточной для открытия предохранительного клапана часть жидкости через него будет отправлена на слив. Получается что при дроссельном регулировании гидродвигатель постоянно будет находится под нагрузкой за счет противодавления на сливе, что может негативно сказаться на его ресурсе.

При установке дросселя в линии слива нагретая на гидравлическом сопротивлении жидкость поступает не к гидродвигателю, как в случае с установкой дросселя в линию нагнетания, а в накопительный бак, где накопленное тепло рассеивается.

Параллельное дроссельное регулирование скорости гидропривода

Схема параллельного регулирования с помощью дросселя показана на рисунке.

Дроссель установлен параллельно гидроцилиндру. При увеличении открытия дросселя поток жидкости, проходящий через него на слив будет увеличиваться, а поток жидкости направляемый к гидродвигателю будет уменьшаться. Изменяя открытие дросселя можно регулировать соотношение расходов этих потоков. Выделяемое при дросселировании тепло с помощью жидкости отводится в бак.

Достоинства дроссельного регулирования гидравлического привода

• простота реализации,
• низкая стоимость,
• возможность плавного регулирования в широком диапазоне.

Недостатки дроссельного регулирования

• большие потери энергии — низкий КПД,
• нагрев рабочей жидкости, необходимость использования теплообменников.

Частотное регулирование скорости гидропривода

В том случае, если для вращения вала насоса используется электродвигатель, для изменения подачи можно применить частотное регулирование.

Подача насоса определяется его рабочим объемом и частотой вращения вала, изменяя частоту можно влиять на подачу насоса.

Для регулирования частоты вращения вала электродвигателя, а значит и насоса, используется специальный регулятор частоты. Он позволяет изменять скорость вращения вала электродвигателя в широком диапазоне. При увеличении частоты вращения подача насоса будет расти, при уменьшении — снижаться.

Диапазон регулирования ограничен возможностями частотного регулятора, и величиной рабочего диапазона частот вращения насоса, например радиально-поршневые насосы устойчиво работают в диапазоне 1000 — 3000 об/мин.

Источник

Сайт Галдина Н.С.

5.2. Дроссельное регулирование

5. СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ

5.2. Дроссельное регулирование

При дроссельном регулировании скорости движения выходного звена гидропривода осуществляется изменение расхода жидкости, поступающей в гидродвигатель за счет изменения гидравлического сопротивления гидролинии и отвода части потока жидкости в гидробак, без совершения полезной работы.

Дроссельное регулирование применяется в гидроприводах поступательного, вращательного и поворотного движения небольшой мощности (до 3…5 кВт). Наиболее широкое применение этот способ регулирования получил в гидроприводах поступательного движения. Основными преимуществами дроссельного регулирования являются следующие:

— возможность плавного изменения скоростей;

— простота конструкции гидравлических устройств и невысокая их стоимость;

— малые усилия, требуемые для перемещения запорно-регулирующих элементов гидравлических устройств.

Однако гидроприводы с дроссельным регулированием имеют низкий КПД, обусловленный самим принципом дросселирования потока рабочей жидкости.

В гидроприводах с дроссельным регулированием применяются преимущественно нерегулируемые насосы. По схеме работы гидроприводы с дроссельным регулированием можно разделить на две группы: гидроприводы с постоянным и переменным давлением.

Для гидроприводов с постоянным давлением характерно наличие переливного клапана, который поддерживает в напорной гидролинии постоянное давление путем непрерывного слива рабочей жидкости в гидробак.

В гидроприводе с переменным давлением в напорной гидролинии давление изменяется в зависимости от нагрузки гидродвигателя, а часть рабочей жидкости сливается в гидробак через дроссель.

При дроссельном регулировании применяются три схемы установки дросселей (рис. 5.3):

а) на входе – дроссель установлен перед гидродвигателем на напорной гидролинии;

б) на выходе – дроссель установлен на сливной гидролинии после гидродвигателя;

в) на ответвлении – дроссель установлен на гидролинии, араллельно гидродвигателю.

Первые две схемы (а и б) относятся к гидроприводам с постоянным давлением, а третья схема (в) – к гидроприводу с переменным давлением.

Рис. 5.3. Схемы гидроприводов с дроссельным регулированием

В гидроприводе с дросселем на входе (рис. 5.3, а) скорость движения штока гидроцилиндра (выходного звена) регулируется следующим образом. Жидкость из гидробака Б нерегулируемым насосом Н подается по напорной гидролинии через дроссель ДР и распределитель Р поступает в одну из полостей гидроцилиндра Ц, например, в поршневую полость А.

Под действием давления жидкости поршень со штоком перемещаются вправо, вытесняя жидкость из штоковой полости Б в сливную гидролинию и гидробак. Направление движения штока гидроцилиндра изменяется с помощью распределителя Р, а скорость – с помощью расхода жидкости через дроссель ДР, который зависит от перепада давления на дросселе и площади рабочего проходного сечения дросселя.

Подача насоса делится в этой схеме на два параллельных потока, один из которых поступает в гидродвигатель (через дроссель), а другой через переливной клапан КП в гидробак. Поэтому можем записать следующее выражение:

, (5.6)

где Q _н – подача насоса; Q _др – расход жидкости через дроссель, поступающий в гидродвигатель; Q _б – расход жидкости, сбрасываемой через переливной клапан в гидробак.

Скорость движения штока гидроцилиндра определяется выражением:

, (5.7)

где Q _н – скорость движения штока гидроцилиндра, м/с; Q _др – расход жидкости через дроссель, м 3 /с; S _п – рабочая (эффективная) площадь поршня гидроцилиндра, м 2 , при поступлении жидкости в поршневую полость , здесь D – диаметр поршня; m – коэффициент расхода дросселя, m = 0,6…0,7; S _др – площадь рабочего проходного сечения дросселя, м 2 ; – перепад давления на дросселе, Па, = р ₁ – р ₂ , здесь р ₁ – давление перед дросселем, р ₂ – давление за дросселем; r — плотность рабочей жидкости, кг/м 3 .

Давление р ₁ перед дросселем устанавливается настройкой переливного клапана. В процессе работы оно практически остается постоянным. Давление же в напорной гидролинии за дросселем зависит от нагрузки, приложенной к штоку гидроцилиндра. Давление р₂ определяется (без учета потерь давления в гидролиниях, сил трения и инерции) из условия равновесия подвижных частей и в случае поршневой рабочей полости запишется следующим образом:

, (5.8)

где р ₂ – давление в поршневой полости (за дросселем), Па; S _п – рабочая (эффективная) площадь поршневой полости гидроцилиндра, м 2 , , здесь D – диаметр поршня; F – усилие нагрузки на штоке, Н; p_c – давление в сливной гидролинии, Па; S _шт – рабочая (эффективная) площадь штоковой полости гидроцилиндра, м 2 , , здесь d – диаметр штока.

Из формулы (5.8) найдем давление за дросселем, при этом давление в сливной гидролинии ввиду его малости примем равным нулю. Получим:

. (5.9)

Из формулы (5.9) видно, что давление за дросселем р ₂ прямо пропорционально нагрузке, приложенной к штоку гидроцилиндра.

С учетом формул (5.7), (5.9) можем записать выражение для скорости движения штока гидроцилиндра при рабочей поршневой полости:

. (5.10)

При увеличении нагрузки F давление р₂ возрастает, а перепад давления на дросселе уменьшается, что приводит к снижению скорости движения штока. Следовательно, в гидроприводе с дросселем на входе скорость движения выходного звена не постоянна, а изменяется в зависимости от нагрузки. Такие гидроприводы наиболее целесообразно применять в машинах с постоянной нагрузкой.

Гидроприводы с дросселем, установленным на входе гидродвигателя, не пригодны для работы в режимах с отрицательными нагрузками.

Принято считать нагрузку отрицательной, если ее направление совпадает с направлением движения штока гидроцилиндра. Под действием отрицательной нагрузки скорость штока может увеличиться настолько, что произойдет разрыв сплошности потока жидкости в рабочей полости гидроцилиндра, и движение поршня станет неуправляемым, так как в сливной гидролинии отсутствуют тормозные или демпфирующие устройства. Такие гидроприводы нельзя применять в грузоподъемных машинах.

К недостаткам рассматриваемого гидропривода можно отнести низкий КПД привода ( h 0,36) и нагрев гидродвигателя рабочей жидкостью, поступающей в него после дросселирования через дроссель.

На рис. 5.3, б показана принципиальная схема гидропривода с дросселем ДР, установленным на выходе из гидроцилиндра Ц. Давление р₁ в напорной гидролинии поддерживается постоянным с помощью переливного клапана КП. давление в штоковой полости определяется (без учета сил трения и инерции) из условия равновесия подвижных частей:

, (5.11)

где р ₁ – постоянное давление в поршневой полости, Па; p _шт – давление в штоковой полости, Па; S _п , S _шт – рабочие площади поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра соответственно, м 2 ; F – усилие на штоке, Н.

Из формулы (5.11) найдем давление перед дросселем p _шт :

(5.12)

Перепад давления на дросселе при отсутствии давления за дросселем (ввиду его малости) можно принять равным p _шт , т.е.

. (5.13)

С учетом формул (5.7), (5.12) и (5.13) запишем выражение для скорости движения штока гидроцилиндра при рабочей поршневой полости:

. (5.14)

Полученное уравнение (5.14) аналогично уравнению (5.10). Механические характеристики гидропривода с последовательным включением дросселя показаны на рис. 5.4, а. Характеристики построены для разных рабочих проходных сечений дросселя ( S _{др max} > S_{др 1} > S_{др 2} ). Общую точку F _Т для семейства характеристики определяют при максимальной нагрузке, когда скорость движения штока равна нулю.

Преимуществом гидропривода с дросселем на выходе является то, что обеспечивается его работоспособность при знакопеременной нагрузке благодаря двусторонней жесткости гидродвигателя.

Тепло, выделяющееся при дросселировании жидкости, отводится непосредственно в гидробак, минуя гидродвигатель и другие элементы гидропривода.

Однако гидропривод с дросселем на выходе менее экономичен по сравнению с дросселем на входе гидродвигателя, так как часть мощность гидропривода затрачивается на преодоление противодавления. По этой схеме также не обеспечивается постоянство скорости движения выходного звена при изменении нагрузки.

Рис. 5.4. Механические характеристики гидроприводов

с дроссельным регулированием

На рис. 5.3, в показана схема гидропривода с дросселем ДР, установленным на ответвлении (параллельно гидроцилиндру Ц). В этой схеме поток рабочей жидкости, создаваемый насосом, разделяется на два параллельных потока, один из которых поступает по напорной гидролинии через гидрораспределитель Р в гидроцилиндр, а второй поток жидкости через дроссель поступает в гидробак.

Для предохранения гидропривода от давления, превышающего допустимое, в напорной гидролинии установлен предохранительный клапан КП. Отличительной особенностью этого гидропривода является отсутствие переливного клапана, т.е. в этом случае давление в напорной гидролинии переменно и зависит от нагрузки на гидродвигатель.

Расход рабочей жидкости, подводимой к гидроцилиндру, можно определить по формуле:

, (5.15)

где Q _ц – расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр; Q _н – подача насоса; Q _др – расход жидкости через дроссель.

Скорость движения штока гидроцилиндра при поршневой рабочей полости определяется по формуле

, (5.16)

где – перепад давления на дросселе, = р_п – р_с здесь р_п – давление перед дросселем, р_с – давление за дросселем (в сливной гидролинии), р_с » 0.

Давление перед дросселем р_п зависит от внешней нагрузки F и определяется (давление в сливной гидролинии не учитывается) из выражения

. (5.17)

С учетом формул (5.16), (5.17) запишем выражение для определения скорости выходного звена с параллельным включением дросселя:

. (5.18)

Следовательно, скорость движения выходного звена зависит от настройки дросселя (площади его рабочего проходного сечения) и внешней нагрузки. При постоянной нагрузке скорость максимальна при полностью закрытом дросселе, т.е. при площади рабочего проходного сечения дросселя равной нулю S _др » 0.

По мере открытия дросселя (увеличения площади дросселя S _др ) скорость движения выходного звена будет уменьшаться. На рис. 5.4, б приведены механические характеристики гидропривода с параллельно установленным дросселем, построенные для разных рабочих проходных сечений дросселя ( S _{др max} > S_{др 1} > S_{др 2} ). Общую для семейства характеристик точку определяют при отсутствии нагрузки, т.е. F = 0 (режим холостого хода).

Скорость движения выходного звена при одной и той же площади рабочего проходного сечения дросселя уменьшается с увеличением внешней нагрузки. Эта зависимость является общим недостатком всех гидроприводов, в которых применяются регулируемые дроссели.

Гидроприводы с дросселем на ответвлении имеют выше КПД и более экономичны по сравнению с гидроприводами с последовательным включением дросселя, так как мощность такого привода зависит от нагрузки. Кроме того, меньше нагрев жидкости. Недостатком является пониженная жесткость и невозможность регулирования скорости при отрицательных нагрузках.

Источник