Гидроприводы с последовательным расположением дросселя

Последовательное расположение дросселя соответствует установке дросселя в напорной или сливной гидролиниях привода, т.е. «на входе» или «на выходе» из гидродвигателя.

Рассмотрим принцип действия и основные статические характеристики гидропривода с регулируемым дросселем, установленным «на входе» в гидродвигатель. В качестве двигателя возьмем, например, гидроцилиндр, понимая, что вид гидродвигателя не оказывает влияния на характеристики гидропривода, связанные с регулированием скорости.

Принципиальная схема такого гидропривода показана на рис. 4.1. Регулируемый дроссель ДР установлен в напорной гидролинии насоса Н перед направляющим распределителем Р. Скорость движения поршня гидроцилиндра Ц определяется расходом рабочей жидкости, поступающим в него, т.е. расходом, прошедшим через дроссель. При изменении площади проходного сечения дросселя происходит регулирование скорости движения поршня. Так как пропускная способность дросселя ограничена перепадом давления на нем и его проходным сечением, а подача насоса постоянна, излишки расхода направляются на слив через клапан давления К, работающий в режиме переливного, клапана. Поэтому с целью уменьшения потерь мощности в клапане необходимо чтобы подача насоса не превышала максимальной пропускной способности дросселя.

Рис. 4.1. Принципиальная схема гидропривода с дросселем «на входе»

Рассмотрим основные статические характеристики гидропривода. Вначале установим соответствие между давлениями в отдельных точках гидросистемы и нагрузкой, преодолеваемой гидроприводом.

Из уравнения равновесия поршня гидроцилиндра без учета механических потерь следует, что

, (4.1)

где р₁ и р₂ — давления в полостях гидроцилиндра; F, F₁ - рабочие площади. Перейдя от полной нагрузки R на штоке гидроцилиндра к удельной r = R/F, имеем

, (4.2)

Давление р₂ определяется сопротивлением сливной гидролинии. С целью акцентирования внимания на потерях энергии за счет способа регулирования скорости в дальнейшем не учитываются потери давления в гидролиниях и направляющей аппаратуре. Поэтому можно положить р₂ ~0. Тогда из выражения (3.9) следует, что давление в рабочей полости гидроцилиндра определяется нагрузкой и прямо пропорционально ей.

Перепад давления на дросселе

, (4.3)

также определяется нагрузкой на штоке гидроцилиндра, так как давление в напорной линии насоса р_н определяется настройкой клапана К.

Поэтому если учесть, что давление перед напорным клапаном, работающим в режиме переливного клапана, мало меняется в зависимости от идущего на слив расхода жидкости [4], то можно считать

Характер изменения давлений от нагрузки с учетом принятых допущений показан на рис. 4.2, а. Из графика следует, что наибольшая удельная нагрузка, которую привод может преодолеть, с учетом перечисленных выше допущений равна

Рис. 4.2. Статические характеристики гидропривода с дросселем «на входе»

Следует также отметить, что перепад давления на дросселе, особенно при малых нагрузках, достигает больших значений. Тем самым создаются благоприятные условия для возникновения облитерации в рабочей щели дросселя [1].

Скорость движения поршня гидроцилиндра v определяется расходом жидкости через дроссель

Предположив, что применен турбулентный дроссель, [17], и с учетом зависимостей (4.2) и (4.3), имеем

, (4.4)

где — площадь проходного сечения дросселя, — плотность рабочей жидкости.

Выражение (4.4) определяет нагрузочную характеристику привода (рис. 4.2, б). Зависимость v = (r) является параболой и свидетельствует о малой жесткости гидропривода с дроссельным управлением. При r = r_mах происходит торможение поршня гидроцилиндра, в связи с чем эта нагрузка называется нагрузкой торможения. Характеристики построены при "< '< _mах. Максимальное значение скорости при = _mах называется скоростью холостого хода v_xx, так как нагрузка на приводе в этом режиме работы равна нулю.

Мощность, потребляемая насосом, без учета потерь или входная мощность в гидроприводе

(4.5)

есть постоянная величина, не зависящая ни от нагрузки на штоке, ни от скорости его перемещения.

Мощность, развиваемая гидроцилиндром, или выходная мощность гидропривода, определяется выражением

(4.6)

Подставив в (4.6) уравнение (4.4), получим

(4.7)

При удельных нагрузках r = 0 и r = r_мах выходная мощность равна нулю.

Определим нагрузку r₀, при которой выходная мощность будет максимальной, из условия

,

,

откуда имеем

(4.8)

Мощность потока жидкости, подводимого к дросселю, равна

(4.9)

На рис. 4.2, в показаны графические зависимости перечисленных мощностей от удельной нагрузки.

Рассмотрим потери в гидроприводе, связанные с самим принципом дроссельного управления, т.е. без учета потерь в насосе, гидроцилиндре, напорной и сливной гидролиниях. КПД привода в этом случае составит

(4.10)

Введем две составляющие КПД привода (КПД дросселя и КПД системы питания )

КПД дросселя с учетом (3.15), (3.17) и (3.10) равен

(4.11)

Таким образом, КПД дросселя численно равен отношению перепада давления в полостях гидродвигателя, необходимого для преодоления нагрузки, к давлению в напорной линии насоса. Этот КПД равен нулю при r = 0 и достигает единицы при заторможенном двигателе (рис. 4.2, г). При максимальной мощности, развиваемой гидродвигателем, = 0,67.

КПД системы питания с учетом (4.5), (4.9) и принятого выше условия выбора подачи насоса равен

откуда

(4.12)

Таким образом, КПД системы питания показывает, насколько полезно используется подача насоса, он численно равен отношению скорости перемещения выходного звена гидродвигателя к его максимальной скорости, определяемой подачей насоса, и зависит от нагрузки на гидродвигателе.

Общий КПД привода составляет

(4.13)

Так как входная мощность N_н не зависит от нагрузки, наибольшее значение КПД привода будет иметь при r = r₀

,

что говорит о том, что наибольшее значение КПД при полностью открытом дросселе равно примерно 38%.

Рассматривая характеристики гидропривода с дроссельным управлением с дросселем «на входе» в целом следует отметить следующие его преимущества:

1) простота используемых устройств и системы управления, их низкая стоимость;

2) возможность регулирования скорости в широком диапазоне ее изменения;

3) возможность питания от одного насоса нескольких гидродвигателей;

4) плавное трогание с места выходного звена ввиду демпфирующих свойств дросселя.

К недостаткам привода следует отнести:

1) низкий КПД и, следовательно, большие тепловыделения;

2) зависимость скорости выходного звена гидропривода от нагрузки;

3) невозможность осуществления движения с устойчивыми малыми скоростями при небольших нагрузках из-за заращивания дроссельной рабочей щели;

4) возможность восприятия только встречных нагрузок на гидродвигателе из-за отсутствия подпора в сливной гидролинии.

Если требуется восприятие знакопеременных или попутных нагрузок, направленных по направлению скорости движения выходного звена гидродвигателя, применяют гидроприводы с дросселем устанавливаемым на «выходе» (рис. 4.3, а).

В таком гидроприводе регулируемый дроссель ДР устанавливается в сливной гидролинии гидродвигателя, например, цилиндра Ц, за направляющим распределителем Р.

Рис. 4.3. Принципиальная схема и характеристики гидропривода с дросселем «на выходе»

Как и в приводе с дросселем «на входе» насос Н работает при постоянном давлении, поддерживаемом и определяемом клапаном К.

Из уравнения равновесия поршня гидроцилиндра получим

, (4,14)

где r ₁= R / F₁.

В графическом виде зависимости давлений в гидросистеме от удельной нагрузки на штоке показаны на рис. 4.3 б. При попутной нагрузке давление р₂ растет и теоретически неограниченно. Максимальная встречная нагрузка r_мах, которую может преодолеть гидропривод, имеет место при p₂ = 0

Скорость движения поршня гидроцилиндра определяется расходом, проходящим через дроссель Q_др, который определяет расход, поступающий в гидроцилиндр Q_ц. В общем виде они связаны выражением

С учетом (4.14) перепад давления на дросселе равен

а скорость определяется по формуле

(4.15)

Нагрузочная характеристика гидропривода показана на рис. 4.3, в. Характеристики мощности и КПД имеют тот же вид, что и в гидроприводе с дросселем «на входе».

Таким образом, установка дросселя «на выходе» из гидродвигателя позволила получить двухстороннюю жесткость привода. Кроме того, обеспечивается более плавное движение выходного звена гидродвигателя, так как в его сливной полости существует высокое давление, и, следовательно, сжимаемость жидкости из-за наличия нерастворенного воздуха будет меньше. Благоприятным моментом является и то, что тепло, выделяемое в дросселе, отводится непосредственно в гидробак, т.е. не нагревает гидродвигатель и соединенный с ним рабочий орган машины. Вместе с тем страгивание с места выходного звена гидродвигателя не будет плавным, так как подводящая гидролиния не содержит дросселя, обеспечивающего демпфирование.

Небольшой подпор в сливной гидролинии двигателя может быть создан и в гидроприводе с дросселем «на входе» за счет установки в ней подпорного клапана. При этом возможно восприятие и некоторых попутных нагрузок. Однако надо учитывать, что КПД привода будет уменьшен на величину, определяемую потерями в клапане.