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, м³/с;  S_п – рабочая (эффективная) площадь поршня гидроцилиндра, м², 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, м²;  – перепад давления на дросселе, Па,  = р₁ – р₂, здесь р₁ – давление перед дросселем, р₂ – давление за дросселем; r - плотность рабочей жидкости, кг/м³.

 

Давление р₁ 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 р₂ – давление в поршневой полости (за дросселем), Па; S_п – рабочая (эффективная) площадь поршневой полости гидроцилиндра, м², , 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, м², , 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 р₂ 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 р₁ – 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, м²; 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_др1 > S_др2). 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_др1 > S_др2). 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.