23. Объёмное регулирование

В качестве регулируемых насосов и гидромоторов получили распространение роторно-поршневые и пластинчатые гидромашины. Введём в рассмотрение безразмерный параметр е регулирования гидромашины, равный отношению текущего значения рабочего объёма q^' к максимальному его значению q, т.е.

.

3.1. РЕГУЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕМ РАБОЧЕГО ОБЪЁМА НАСОСА

Данное регулирование заключается в плавном изменении скорости движения выходного звена гидродвигателя путём изменения параметра е_Н. Минимальное его значение соответствует минимальному рабочему объёму q^'_Н насоса и, следовательно, минимальной скорости выходного звена. Максимальная скорость последнего получается при е_Н=1, т.е. при q^'_Н= q_Н.

П ри закрытом предохранительном клапане скорость выходного звена гидропривода определяется размерами машин, их объёмными КПД и изменяется пропорционально параметру регулирования е_Н, т.е. для гидропривода поступательного движения в соответствии с формулой

можно записать: ,

Для гидропривода вращательного движения в соответствии с формулой

запишется:

,

где объёмный КПД гидропривода η_ОБ=η_ОБ.Н·η_ОБ.М является линейно убывающей функцией давления в системе, т.е. нагрузки на выходном звене. Кроме того, объёмный КПД несколько уменьшается с уменьшением параметра е_Н, т.к. расход утечек мало зависит от рабочего объёма, но этот расход относится к идеальной подаче насоса, убывающей с уменьшением параметра е_Н.

Таким образом, при постоянном е_Н и увеличении нагрузки на выходном звене гидродвигателя скорость этого звена несколько убывает из-за влияния утечек в насосе и гидродвигателе. Однако ввиду того, что объёмные КПД современных гидромашин достаточно высоки, это уменьшение скорости выходного звена невелико.

Нагрузочные характеристики показывают просадку гидропривода, т.е. снижение скорости выходного звена, обусловленное нагрузкой. При использовании гидромотора полная просадка гидропривода при закрытом предохранительном клапане равна отношению частот вращения при предельной и нулевой нагрузках и, следовательно, составляет:

ε_ГП= η_ОБ.Н.·η_ОБ.М.

На эту величину при значительных давлениях ощутимо влияет сжимаемость жидкости. Поэтому точнее:

ε_ГП= ε_Н.· ε_М,

где ε_Н – коэффициент подачи насоса, ε_М – коэффициент использования расхода гидромотором

.

Отношение действительной подачи Q к идеальной (теоретической) называется коэффициентом подачи:

,

где q_У – расход утечек, q_СЖ – расход сжатия.

Когда сжатие жидкости пренебрежимо мало, коэффициент подачи равен объемному КПД гидромашины:

.

Сжимаемость рабочей жидкости увеличивает просадку гидропривода и тем больше, чем выше давление.

Мощность, развиваемая гидроприводом при постоянном давлении в системе, возрастает при регулировании (увеличении рабочего объёма) насоса. Скорость выходного звена при этом возрастает, а усилие на штоке гидроцилиндра или момент на валу гидромотора остаются постоянными (рис.19,а).

Реверс гидродвигателя, т.е. изменение направления движения выходного звена гидродвигателя при регулируемом насосе, можно осуществить двумя способами: с помощью гидрораспределителей или изменением направления подачи (реверсом подачи насоса). Второй способ возможен лишь в гидроприводах с замкнутой циркуляцией жидкости и осуществляется сначала уменьшением рабочего объёма до нуля, а затем изменением знака эксцентриситета (в шиберных и радиальных роторно-поршневых насосах) или знака угла наклона блока β (в аксиальных роторно-поршневых насосах).

3.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕМ РАБОЧЕГООБЪЁМА ГИДРОМОТОРА

Данное регулирование возможно лишь в гидроприводах вращательного движения. Если насос работает при постоянных частоте вращения и давлении, то регулирование гидропривода осуществляется при постоянной мощности насоса (рис.19,б).

При уменьшении рабочего объёма q_М гидромотора от максимального его значения (е_М=1) до минимального (е_М= е_М.min) частота вращения его вала n_М будет увеличиваться. Крутящий момент М_ЭФ на валу гидромотора ввиду примерного постоянства развиваемой мощности, равной N_ЭФ=М_ЭФ·ω_М, будет убывать приблизительно обратно пропорционально рболического.

При таком регулировании частота вращения гидромотора: .

При уменьшении рабочего объёма гидромотора и увеличении момента М_ЭФ (давления р_М) объёмный КПД гидропривода η_ОБ.ГП=η_ОБ.Н·η_ОБ.М уменьшается. Поэтому нагрузочные характеристики гидропривода в данном случае (область АВЕД на рис.18) изображаются линиями, наклон которых в сторону оси абсцисс с уменьшением параметра е_М увеличивается. Кривая АВ ограничивает область возможных режимов работы, определяемую настройкой предохранительного клапана.

Чаще всего регулирование с помощью гидромотора применяется в системах, где регулируемым также является и насос.

3.3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЕМ РАБОЧИХ ОБЪЁМОВ НАСОСА И ГИДРОМОТОРА

24. ДРОССЕЛЬНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ

4.1. ДРОССЕЛЬНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА

ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ДРОССЕЛЯ

Принцип дроссельного регулирования заключается в том, что часть подачи нерегулируемого насоса отводится через дроссель или клапан на слив, минуя гидродвигатель.

При дроссельном регулировании возможны два принципиально разных способа включения регулирующего дросселя: последовательно с гидродвигателем и параллельно гидродвигателю.

Последовательное включение регулирующего дросселя может быть осуществлено в трёх вариантах: дроссель включён на входе в гидродвигатель, на выходе из него и на входе и выходе одновременно (рис.20). В схемах насос 1 нерегулируемый, гидродвигатель - гидроцилиндр 2 с двусторонним штоком, распределитель 3 двухпозиционный (на схемах а и б) или трёхпозиционный (на схеме в). Клапан 4 в данном случае является переливным. Дросселем 5 (или дросселирующим распределителем 3 на схеме в) можно регулировать скорость перемещения поршня.

При полном открытии дросселя скорость поршня получается максимальной. При уменьшении открытия давление перед дросселем повышается, клапан приоткрывается и пропускает часть подачи насоса. Скорость V_П поршня при этом уменьшается. При полном закрытии дросселя вся подача насоса направляется через клапан на слив в бак, а скорость поршня равна нулю. При постоянном открытии дросселя и увеличении преодолеваемой нагрузки, т.е. силы Р, давление насоса возрастает, расход через клапан увеличивается, а скорость поршня уменьшается.

Найдём зависимость между скоростью V_П поршня и нагрузкой Р, пренебрегая всеми гидравлическими сопротивлениями кроме дросселя (или окон дросселирующего распределителя).

V_П=Q/S_П ,

где Q – расход жидкости через гидроцилиндр, равный расходу через дроссель: ,

здесь μ – коэффициент расхода; S_ДР – площадь проходного отверстия дросселя; р_ДР – перепад давления на дросселе, равный

р_ДР =р_Н - р_Ц ,

где р_Ц – перепад давления в гидроцилиндре, определяемый нагрузкой и площадью поршня:

,

здесь S_П – эффективная площадь поршня.

Гидродвигатель, например, гидроцилиндр при расчёте гидропривода можно рассматривать как особое местное гидравлическое сопротивление, вызывающее потерю давления р_Ц. Выражая V_П с учётом вышеприведённых формул, будем иметь:

. (10)

Скорость V_П при этом не зависит от того, расположен ли дроссель на входе в гидродвигатель или на выходе из него.

Для симметричного дросселирующего золотникового распределителя (рис.20,в) и для гидроцилиндра с двусторонним штоком расходы в рабочих окнах и перепады давления в них одинаковы, поэтому для перепада давления на золотнике и V_П будем иметь:

Δр_ДР.З=0,5·(p_Н - р_Ц),

. (11)

Следовательно, при одинаковых нагрузках Р и скоростях V_П:

·μ_ДР∙S_ДР= μ_ДР.З∙S_ДР.З ,

а при μ_ДР= μ_ДР.З ,

∙S_ДР= S_ДР.З ,

т.е. площадь каждого из рабочих окон дросселирующего золотника в раз больше площади отверстия дросселя.

Как видно из формул (10) и (11), зависимость V_П=f(P), т.е. нагрузочная характеристика гидропривода, при одновременном дросселировании на входе и выходе такая же, как и при одном дросселе на входе или выходе, и изображается спадающей параболой (рис.21), каждая из парабол соответствует своей степени открытия дросселя.

.

Скорость выходного звена при её регулировании последовательно включённым дросселем пропорциональна и её максимальное значение получается при =1. Максимальная нагрузка Р_max , при которой выходное звено тормозится (V_П=0), от степени открытия дросселя не зависит.

В отношении потерь давления и КПД, при регулировании последовательно включённым дросселем, безразлично, где производится дросселирование потока: на входе в гидродвигатель, на выходе или на входе и выходе одновременно. Однако дросселирование потока на выходе имеет свои преимущества. При этом гидродвигатель работает более устойчиво, особенно при знакопеременной нагрузке. Имеется возможность регулирования гидропривода при отрицательных нагрузках, т.е. при направлении преодолеваемой силы Р в сторону перемещения поршня (рис.20,б). Кроме того, при установке дросселя в сливной гидролинии тепло, выделяющееся при дросселировании потока жидкости, отводится в бак без нагрева гидродвигателя, как это имеет место в схеме с дросселем на входе. В результате гидродвигатель работает в более благоприятных условиях.

При использовании в качестве гидродвигателя гидроцилиндра с односторонним штоком следует иметь в виду, что расход жидкости Q в напорной линии не равен расходу Q^' в сливной линии, так как эффективная площадь поршня с одной стороны меньше, чем с другой, на площадь сечения штока. При этом возможны следующие два случая (рис.22):

1) шток работает на сжатие (толкающий шток) и Q^'<Q

2) шток работает на растяжение (тянущий шток) и Q^'>Q

4.2. ДРОССЕЛЬНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ГИДРОПРИВОДА ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ДРОССЕЛЯ

Н а рис.23 дана схема объёмного гидропривода при включении регулирующего дросселя параллельно гидродвигателю. В точке М поток рабочей жидкости разветвляется: один поток через распределитель 2 направляется в гидроцилиндр 1, а другой – в регулирующий дроссель 3. Клапан 4 в данном случае является предохранительным. Он открывается лишь при чрезмерном повышении давления в системе.

Скорость V_П выходного звена – штока гидроцилиндра – регулируется изменением степени открытия дросселя. Чем она меньше, тем большая доля подачи насоса направляется в гидроцилиндр и тем больше скорость V_П. При полном закрытии дросселя скорость V_П наибольшая. При полном открытии дросселя скорость поршня уменьшается до нуля или до минимального значения в зависимости от нагрузки Р.

Для параллельного включения дросселя, предполагая, что потери давления в распределителе и гидролиниях отсутствуют, имеем:

Q_Н=Q_Ц+Q_ДР ,

р_Н=p_Ц=p_ДР=P/S_П .

Второе уравнение записано на основании равенства потерь давления в параллельных трубопроводах.

Скорость поршня:

;

расход через дроссель:

.

После подстановки последнего выражения в предыдущее уравнение получим:

.

На рис.24 показаны нагрузочные характеристики гидропривода при его регулировании параллельно включённым дросселем, построенные по последнему выражению для ряда постоянных значений

.

В отличие от характеристик при последовательном включении дросселя, они имеют противоположную кривизну и выходят из одной точки, соответствующей V_П.max и Р=0.

Нагрузка P_max , вызывающая торможение выходного звена, уменьшается с увеличением степени открытия дросселя и при →0 P_max→. При параллельном включении дросселя исключается возможность регулирования при направлении преодолеваемой силы вдоль штока в сторону его перемещения.

Регулирование осуществляется с целью расширения диапазона регулирования гидропривода. Регулирование выполняется последовательно. Если требуется постепенно увеличить скорость вращения вала гидромотора до п_М.max (например, при трогании с места и разгоне транспортного средства), то регулирование выполняется в следующем порядке:

1) насос устанавливают в положение нулевого рабочего объёма, а гидромотор – в положение максимального, приводящий двигатель выводят на заданную постоянную частоту вращения;

2) рабочий объём насоса постепенно увеличивают до максимума, вследствие чего скорость выходного звена возрастает до значения, соответствующего номинальной мощности привода;

3) увеличивают скорость выходного звена уменьшением рабочего объёма гидромотора до минимального значения, определяемого началом неустойчивой работы.

Первый этап разгона происходит при постоянном моменте М_ЭФ и возрастающей мощности привода. Для второго характерно уменьшение крутящего момента и постоянная мощность (рис.19,в).

При закрытых клапанах в общем случае объёмного регулирования из равенства Q_Н=Q_М получаем:

.

КПД объёмного гидропривода с объёмным регулированием определяют так же, как и в случае нерегулируемого привода. В отличие от нерегулируемого гидропривода КПД гидромашин помимо давления, частоты вращения и вязкости существенно зависят ещё и от параметров регулирования е_Н и е_М. Максимальный КПД гидропривода имеет место в области максимальных рабочих объёмов насоса и гидромотора, т.е. при е_Н= е_М=1.

гидродвигатель (на схеме б), гидромотор (на схеме в); 3 – гидрораспределитель двухпозиционный с управлением от кулачка и с пружинным возвратом (на схеме а), трёхпозиционный с управлением от электромагнитов (на схеме б), трёхпозиционный с ручным управлением (на схеме в); 4 – предохранительный клапан; 5 – бак.

Насос засасывает жидкость их бака и нагнетает её в гидродвигатель через распределитель. Из гидродвигателя жидкость движется через другой канал распределителя и сливается в бак. Предохранительный клапан отрегулирован на предельно допустимое давление и предохраняет систему гидропривода с приводящим двигателем от перегрузок.

Для улучшения условий всасывания жидкости из бака и предотвращения кавитации в насосе в гидроприводе вращательного движения (рис.6,в) применён бак с наддувом, т.е. с давлением газа над поверхностью жидкости выше атмосферного.

И зменение направления движения выходного звена гидродвигателя (реверсирование) осуществляется изменением позиции распределителя, а регулирование скорости этого движения – увеличением или уменьшением рабочего объёма насоса.

На рис.6 показаны принципиальные схемы гидроприводов с разомкнутой циркуляцией жидкости. Разрыв циркуляции происходит в баке, при этом исключается возможность реверсирования гидродвигателей путём изменения направления подачи насоса (реверса подачи). Для этой цели обязательно применение распределителей.

На рис.7 показана схема гидропривода вращательного движения с замкнутой циркуляцией жидкости.

На схеме изображены: регулируемый насос 1 с реверсом подачи; регулируемый гидромотор 2 с реверсом вращения; предохранительные клапаны 3, защищающие гидролинии а и в от чрезмерно высоких давлений; система подпитки, состоящая из вспомогательного насоса 4, переливного клапана 5 и двух обратных клапанов 6 и предохраняющая гидролинии а и в от чрезмерно низких давлений (в целях избежания кавитации в насосе).