2. Дроссельное регулирование скорости выходного звена гидропривода.

На рис.1.6 представлена упрощенная схема исполнительного механизма гидропривода с дроссельным регулированием скорости выходного звена, состоящего из золотникового гидрораспределителя и гидроцилиндра. К гидрораспределителю подключаются магистрали от источника гидравоической энергии с постоянным давлением подачи Рп и давлением слива – Рс. К выходным отверстиям гидрораспределителя подключен силовой гидроцилиндр. Расход жидкости в первую полость гидроцилиндра Q1 и из второй полости гидроцилиндра в сливную магистраль Q2 соответственно равны:

.

В этих выражениях G1(xз) и G2(хз) – проводимости входного и выходного окон гидрораспределителя. В симметричных гидрораспределителях они практически одинаковые и определяются следующими выражениями:

.

Здесь хз – открытие окна золотника (предполагается, что в идеальных гидрораспределителях оно совпадает с перемещением золотника);

 - коэффициент расхода дросселирующего прямоугольного окна с острыми кромками.

Очевидно, что в симметричном гидрораспределителе при отсутствии утечек жидкости в статических режимах Q1=Q2. Следовательно, и

Рп-Р1=Р2-Рс =Р.

Здесь Р – перепад давления на дросселирующем окне гидрораспределителя.

Поскольку скорость поршня определяется отношением Q/Aп, то зависимость установившейся скорости поршня от перепада давления на дросселирующем (рабочем) окне гидрораспределителя может быть представлено следующим образом:

.

Здесь bз – суммарная ширина окна гидрораспределителя. Например, если в гильзе распределителя два окна, каждое из которых равно b, то bз=2b.

Из рассмотрения баланса суммы потерь давления на элементах гидрораспределителя и на поршне гидроцилиндра следует, что:

Здесь: - перепад давления на поршне или давление нагрузки.

Таким образом, выражение для установившейся скорости поршня, как функции открытия рабочего окна и величины внешней нагрузки примет вид:

.

Для того, чтобы сделать это выражение справедливым для идеального золотника при помогающей и противодействующей нагрузок и при смещении золотника в обе стороны от нейтрального положения, можно умножить давление нагрузки (Рн) на функцию sign(Xз). В этом случае выражение для характеристики V(Xз, Fн) примет вид:

.

Внешний вид этой характеристики для положительных значений положения золотника при противодействующей (+Fн) и отрицательной, помогающей движению поршня нагрузки (-Fн) показан на рис.1.7.

Следует отметить, что приведенное выражение справедливо только при условии .

Регулировочная характеристика исполнительного механизма определяется приведенным выше выражением, но при Fн=0, т.е имеет следующий вид:

.

Вид регулировочной характеристики исполнительного механизма с идеальным гидрораспределителем показан на рис.1.8 толстой сплошной линией. На этом же рисунке показаны тонкими линиями регулировочные характеристики исполнительного механизма с гидрораспределителем, в котором имеются некоторые начальные перекрытия рабочих окон, которые приводят к появлению зоны нечувствительности привода, и с начальным открытием рабочих окон (открытым центром).

Рис.1.7

Механические характеристики привода с дроссельным регулированием скорости.

Рис.1.8

Регулировочная характеристика привода с дроссельным регулированием.

В последнем случае в области малых сигналов крутизна скоростной характеристики удваивается, поскольку в формировании потока жидкости в гидроцилиндр участвуют все четыре рабочих окна.

Энергетика привода с дроссельным регулированием скорости.

На рис.1.9 показана упрощенная схема привода с дроссельным регулированием скорости, в который входит нерегулируемый источник гидравлической энергии. Этот источник гидравлической энергии состоит из нерегулируемого насоса и напорного клапана, который поддерживает постоянное давление подачи на входе в гидрораспределитель - Рп. При этом избыток расхода рабочей жидкости перепусается в сливной бак. Ротор насоса приводится во вращение мотором М. Подача насоса выбрана таким образом, что она соответствует максимальной скорости поршня.

Для такого привода можно записать следующие соотношения:

.

При Хз = Хз max и при Fн = 0

Qн =Vп max*Aп, Qк = 0.

При Хз = 0 или при Fн = Ап*(Рп – Рс)

Qv = 0, Qн = Qк.

В безразмерной форме механическую характеристику привода можно представить так, как это показано на рис.1.10 (кривая V(Fн)/Vmax). На этом же рисунке показана зависимость развиваемой приводом мощности – кривая V*Fн/Nmax. Здесь Nmax – максимальная мощность потребляемая приводом, которая определяется одним из следующих выражений:

Своего максимума выходная мощность достигает при Fн = (2/3)Fmax .

Геометрическая интерпретацией максимальной выходной мощности исполнительного механизма привода сдроссельным регулированием скорости является площадь области А под кривой механической характеристики.

Точка Fopt – оптимальная нагрузка на привод.

Рис.1.10

Механическая характеристика привода с дроссельным регулированием и распределение энергии в элементах привода:

Величина максимальной выходной мощности привода равна:

При этом величина оптимальных, но неизбежных потерь мощности, которые образуются на двух гидравлических сопротивлениях (рабочих окнах гидрораспределителя) определяется площадью области В. Эти оптимальные потери мощности равны:

Область С характеризуется расходом жидкости, который направляется в бак через напорный клапан для поддержания постоянным давления подачи. Этот расход равен нулю при Fн = 0, а при Fн = Fmax равен полному расходу насоса – Qн. Указанный расход формируется при перепаде давления на напорном клапане равном Рк = Рп – Рс. Оптимальные потери мощности на этом напорном клапане равны:

.

Потребляемая приводом мощность определяется следующим выражением:

Таким образом, максимальный коэффициент полезного действия (кпд) рассмотренного привода с дроссельным регулированием скорости не превышает оценки 0.385.

Повысить кпд такого привода можно только одним способом – уменьшить или исключить расход через напорный клапан на слив. Это можно сделать путём использования в приводе регулируемого по давлению насоса. На рис.1.11 показана схема привода с дроссельным регулированием скорости выходного звена и с регулированием по давлению насосом.

В таком приводе расход через напорный клапан может появиться только в случае возникновения избыточного давления Рmax, при котором срабатывает клапан. Коэффициент полезного действия такого привода не превышает 0.66. Напорный клапан в таком приводе выполняет функции предохранительного элемента, защищающего привод от перегрузки по давлению (Рmax >Pп).

На практике, на самолетах от одного источника гидравлической энергии с регулируемым по давлению насосом питаются несколько гидравлических приводов, которые работают в различные интервалы времени и с различными нагрузками.