13.9.2. 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.

Рис.13.25

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

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра:

.

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.