7.2 Гидроприводы с дроссельным регулированием

В гидроприводах с дроссельным регулированием для управления скоростью исполнительного рабочего органа применяют регулируемые дроссели, краны, регуляторы потока.

Дроссельное регулирование используется в гидроприводах малой мощности (до 6 кВт) преимущественно с нерегулируемыми насосами. По схеме работы гидроприводы с дроссельным регулированием можно подразделить на два вида: с постоянным и переменным давлением.

Гидропривод с постоянным давлением состоит из насоса с приводным двигателем, распределителя, регулируемого дросселя, который может быть установлен на входе в линии нагнетания (перед распределителем) или в линии слива (после распределителя), гидродвигателя, переливного клапана, который поддерживает постоянное давление в линии нагнетания, и резервуара.

При работе к гидродвигателю поступит количество Q жидкости, равное расходу Q_д через дроссель, т.е.

Q = Q_д =μ s_д

где μ – коэффициент расхода дросселя; s_д – проходное сечение дросселя; ∆ρ – перепад давления на дросселя; ρ – плотность жидкости.

Максимальное количество жидкости, равное подаче насоса Q_н, соответствует полностью открытому дросселю. В процессе регулирования излишек жидкости, равный Q_н – Q, сливается в резервуар. Переливной клапан поддерживает постоянное давление р₁ = соnst в линии нагнетания, а давление в гидроцилиндре р₂ будет пропорционально нагрузке F_H, т.е.

р₂ = + р_c

где р_с – давление слива; s_п – площадь поршня.

Перепад давления на дросселе

∆р_д = р₁ – р₂ = р₁ – - р_с

Механические характеристики гидропривода с дросселем на входе отражает зависимость скорости движения υ исполнительного гидродвигателя от нагрузки F_Н.

Средняя скорость штока гидроцилиндра

υ =

При полностью открытом дросселе s_др.max и разных проходных сечениях s₁ и s₂ скорость штока зависит от нагрузки F_Н на поршне: максимальное значение скорости υ_хх наблюдается при отсутствии нагрузки, а при максимальной нагрузке, когда р₂ = р₁, скорость штока равна нулю.

При работе с источником постоянного давления характеристики гидропривода при дроссельном регулировании определяется параметрами элементов гидропривода, нагрузкой, а также жесткостью жидкости, трубопроводов и опор.

Сила, действующая на шток гидродвигателя или гидроцилиндра,

R_r == m + k_P + c_ну + |Р_тр| sign + P₀

где m - сила, вызываемая ускорением массы нагрузки; k_P - сила вязкого трения; c_ну – сила, вызываемая жесткостью навесной системы; Р_тр| sign - сила контактного трения; P₀ – постоянная составляющая силы.

Силы c_ну и Р_тр| sign направлены в сторону, препятствующую движению штока поршня площадью f_п.

Уравнение расхода жидкости

μbx = f_п + ,

где b – ширина дроссельного отверстия; х – перемещение дросселя.

Первый член определяет расход, необходимый для перемещения поршня гидродвигателя, а второй – расход, обусловленный сжимаемостью жидкости.

Параметры давления определяются нагрузкой R_r и эффективной площадью f_п, т.е.

р = R_r / f_п.

После совместного решения управлений, замены и преобразования

= k_V b = k_PV

получим общее уравнение динамики с дроссельным регулированием

хk_V c_r [m + + k_P + c_ну + |Р_тр| sign + P₀ = m

+ k_pv + (c_r + c_H) + Р_тр| sign ] + P₀.

Решение уравнения на ЭВМ позволяет получить статические, кинематические и динамические характеристики гидропривода с дроссельным регулированием.

Гидроприводы с дроссельным регулированием при постоянном расходе целесообразно использовать для систем с большими потоками.

Статические характеристики гидропривода (при 0 = const) ввиду значительных нелинейностей аналитически исследовать затруднительно, поэтому целесообразно применять графический метод расчета на основании экспериментальных исходных данных.

Рассмотренный гидропривод чувствителен к внешней нагрузке; со смещением золотника распределителя изменяется давление в линии нагнетания. К достоинствам гидропривода с источником питания постоянного расхода и параллельно-последовательным дроссельным регулированием относится высокий КПД, равный 0,8…0,9, а к недостаткам – сложность обеспечения параллельного подключения приводов, а также то, что существенное влияние на работу гидропривода оказывает сжимаемость рабочей жидкости. Динамические характеристики рассматриваемых систем необходимо изучать с учетом снижаемости рабочей жидкости и жесткости элементов. Гидравлическая жесткость гидроцилиндра

c_r = Ef_n² / V,

где Е – модуль объемной упругости; f_п – площадь поршня; V – объем жидкости; V=fy.

У двигателя возвратно-поступательного движения суммарная гидравлическая жесткость равна сумме жесткостей его рабочих камер. Наименьшая гидравлическая жесткость отмечается в том случае, когда объемы рабочих полостей равны V₁ = V₂ = V₀, тогда

c_r =2 Ef_n² / V₀.

Такой вид регулирования применяется в основном при управлении скоростью гидроцилиндра. Он имеет ряд недостатков – низкий КПД, нагрев жидкости при дросселировании и др.

Гидропривод с переменным давлением состоит из насоса с приводным двигателем, распределителя, исполнительного гидроцилиндра, предохранительного клапана и регулируемого дросселя, установленного параллельно гидроцилиндру.

Давление р₁ в линии нагнетания зависит от нагрузки F_Н на штоке гидроцилиндра

р₁ = F_Н / S_n,

а средняя скорость штока цилиндра без учета давления слива составляет

υ = = — ,

где s₃ – проходное сечение золотника.

Скорость штока максимальна при полностью закрытом дросселе, по мере открытия дросселя скорость штока уменьшается, так как часть жидкости сливается в резервуар. Основные недостатки такой схемы – непостоянство скорости движения штока при изменяющейся нагрузке и одном и том же положении дросселя, невозможность регулирования скорости при отрицательных нагрузках. Преимущественно гидроприводов с переменным давлением – более высокий КПД по сравнению с гидроприводом с постоянным давлением, а также то, что нагнетаемая жидкость при дросселировании отводится непосредственно в резервуар.

В гидроприводах с дроссельным регулированием применяются также регуляторы потока, в состав которых входят редукционные клапаны. Эти регуляторы в схеме гидропривода устанавливают на место дросселей.