Регулювання об'ємного гідропривода     

У гідроприводах із дросельним регулюванням швидкість руху вихідних ланок гідродвигунів змінюється за допомогою регулюючих гідроагрегатів, а в гідроприводах з об'ємним - за допомогою регульованих гідромашин.

У стабілізуючому гідроприводі швидкість руху вихідної ланки гідродвигуна підтримується постійною, у програмному гідроприводі - змінюється за заданою програмою, а в слідкуючому гідроприводі - змінюється за визначеним законом у залежності від заданого впливу, величина якого заздалегідь невідома.

У сільськогосподарських машинах найбільше застосування знаходять гідроприводи з дросельним регулюванням, а в самохідних машинах з гідротрансмісією застосовуються гідропередачі з об'ємним регулюванням.

Дросельний спосіб регулювання швидкості через великі втрати потужності менш ефективний, особливо при експлуатації гідроприводів великої потужності. Однак гідравлічні схеми з дросельним регулюванням простіші і дешевші.

У гідроприводах із дросельним регулюванням застосовують переважно нерегульовані насоси, гідросхеми виконуються з розімкнутою циркуляцією. Характерною для цього способу є нерівність Q _н > Q _д, тобто подача насоса Q _н більша, ніж витрата робочої рідини Q _д  через гідродвигуни, і частина робочої рідини постійно зливається в бак, не виконавши ніякої корисної роботи.

При дросельному регулюванні можливі два принципово різні способи включення регулюючого дроселя: послідовно з гідродвигуном і паралельно гідродвигуну.

Послідовне включення регулюючого дроселя може бути здійснене в трьох варіантах: дросель включений на вході в гідродвигун, на виході з нього й на вході і виході одночасно (рис. 3.54). У наведених схемах нерегульований насос 1, гідродвигун-гідроциліндр 2 із двостороннім штоком, розподільник 3 двопозиційний на схемаха і б, трипозиційний на схемі в. Клапан 4 у цьому випадку є переливним.

Дроселем 5 (чи дроселюючим розподільником на схемі в) можна регулювати швидкість переміщення поршня.                        

 

При повному відкритті дроселя швидкість поршня буде максимальна. При зменшенні відкриття тиск перед дроселем підвищується, клапан відкривається і пропускає частину подачі насоса. Швидкість V _п поршня при цьому зменшується. При повному закритті дроселя вся подача насоса направляється через клапан на злив у бак, а швидкість поршня дорівнює нулю. При постійному відкритті дроселя й збільшенні подоланого навантаження, тобто сили Р, тиск насоса зростає, витрата через клапан збільшується, а швидкість поршня зменшується.

Знайдемо залежність між швидкістю V _п поршня й навантаженням Р, зневажаючи всіма гідравлічними опорами, крім дроселя (чи вікон дроселюючого розподільника): V _п = Q / S, де Q - витрата рідини через гідроциліндр, дорівнює витраті через дросель:

Q _п= Q _др= μ S _др ,   (3.81)

де μ - коефіцієнт витрати; S _др - площа прохідного отвору дроселя; р _др -  перепад тиску на дроселі:

р _др= р _н+ р _ц.                  (3.82)

де р _ц - тиск у гідроциліндрі, обумовлений навантаженням і площею поршня:

р _ц = P / S,                  (3.83)

де S - ефективна площа поршня.

Гідродвигун, наприклад гідроциліндр, при розрахунку гідропривода можна розглядати як особливий місцевий гідравлічний опір, що викликає втрату тиску. Виражаючи його з урахуванням формул (3.81) - (3.83), будемо мати:

V _п= μ       (3.84)

Швидкість V _п при цьому не залежить від того, чи розташований дросель на вході в гідродвигун, чи на виході з нього.

Для симетричного дроселюючого золотникового розподільника і для гідроциліндра з двостороннім штоком витрати в робочих вікнах і перепади тиску в них однакові, тому для перепаду тиску на золотнику і V _п будемо мати

Δр _{др. з}= 0,5(р_н - р_з):

V _п= .       (3.85)

Отже, при однакових навантаженнях Р і швидкостях V _п

                 (3.86)

а при μ = μ _{др з}, , тобто площа кожного з робочих вікон дроселюючого золотника в  рази більше площі отвору дроселя.

Як видно з формул (3.84) і (3.85), залежність V _п = f (Р), тобто навантажувальна характеристика гідропривода при одночасному дроселюванні на вході і виході така ж, як і при одному дроселі на вході чи виході, і зображується спадаючою параболою (рис. 3.55). Кожна з парабол відповідає своєму ступеню відкриття дроселя .

 

 

Швидкість вихідної ланки при її регулюванні послідовно включеним дроселем пропорційна , і її максимальне значення виходить при =1. Максимальне навантаження Р _max при якому вихідна ланка гальмується (V _п = 0), від ступеня відкриття дроселя не залежить.

Стосовно втрат тиску і ККД при регулюванні послідовно включеним дроселем байдуже, де виконується дроселювання потоку: на вході в гідродвигун, на виході чи на вході і виході одночасно. Однак дроселювання потоку на виході має свої переваги. При цьому гідродвигун працює більш стійко, особливо при знакозмінному навантаженні. Мається можливість регулювання гідропривода при від'ємних навантаженнях, тобто при напрямку подоланої сили Р у сторону переміщення поршня. Крім того, при установці дроселя в зливальній гідролінії тепло, що виділяється при дроселюванні потоку рідини, відводиться в бак без нагрівання гідродвигуна, як це має місце в схемі з дроселем на вході. У результаті гідро двигун працює в більш сприятливих умовах.

При використанні в якості гідродвигуна гідроциліндра з однобічним штоком варто мати на увазі, що витрата рідини Q у напірній лінії не дорівнює витраті Q ' у зливальній лінії, тому що ефективна площа поршня з однієї сторони менша, ніж з іншої, на площу перерізу штока. При цьому можливі такі два випадки: шток працює на стискання (штовхаючий шток), і Q ' < Q; шток працює на розтягання (тягнучий шток), і Q ' > Q.

При дросельному регулюванні і будь-якому його включенні повний ККД гідропривода визначається як втратами енергії в насосі і гідродвигуні, так і втратами, обумовленими процесом керування. Через це доцільно ввести поняття ККД процесу керування η _{п к}, що являє собою відношення потужності потоку N _г = р _г Q _г, витраченої в гідродвигуні, до потужності потоку N _п.н = р _н Q _н, що подається насосом, тобто

η _{п к} =р _г Q _г /(р _н Q _н)              (3.87)

Величина η _{п к} оцінює втрати потужності на регулювання швидкості вихідної ланки гідропривода (ним же можна враховувати і втрати тиску в сполучних трубопроводах).

Повний ККД гідропривода η _пк дорівнює добутку ККД насоса на ККД процесу керування й на ККД гідродвигуна. Наприклад, при використанні гідроциліндра

η _пк= .      (3.88)

У [4] викладений доказ того, що навіть при ККДнасоса і гідродвигуна, рівних одиниці, ККД регульованого гідропривода з послідовним включенням дроселя не може бути більше 0,385.

Настільки низьке значення η _{п к} пояснюється тим, що на оптимальному режимі роботи гідропривода тільки 58% подачі насоса направляється в гідродвигун (інша частина йде через клапан), і лише 2/3 тиску насоса використовується в гідродвигуні (інша губиться в дроселі), тобто втрати потужності відбуваються одночасно і в дроселі, і в клапані.

Варто мати на увазі, що загальний ККД гідропривода буде ще нижчим за рахунок втрат потужності в насосі і гідродвигуні.

Об'ємне регулювання здійснюється при наявності в схемі гідропривода регульованого насоса чи гідродвигуна. Нерідко використовується регулювання як насосом, так і гідродвигуном.

Як регульовані насоси і гідромотори, одержали поширення роторно-поршневі і пластинчасті гідромашини.

Введемо в розгляд безрозмірний параметр е регулювання гідромашини, який дорівнює відношенню поточного значення робочого об'єму  до максимального його значення q ₀, тобто е = / q ₀.

Регулювання зміною робочого об'єму насоса (рис. 3.59, а) полягає в плавній зміні швидкості руху вихідної ланки гідродвигуна шляхом зміни параметра е _н. Мінімальне його значення відповідає мінімальному робочому об'єму насоса і, отже, мінімальній швидкості вихідної ланки. Максимальної швидкості гідропривод досягатиме при е _н =1, тобто при = q _он.

При закритому запобіжному клапані швидкість вихідної ланки гідропривода визначається розмірами машин, їхніми об'ємними ККД і змінюється пропорційно параметру регулювання, тобто для гідропривода поступального руху - за формулою

V _п= ,               (3.94)

для гідропривода обертального руху - за формулою

n _г= .             (3.95)

де об'ємний ККД гідропривода η_о = η_онη_ог, є лінійно спадаючою функцією тиску в системі, тобто навантаження на вихідній ланці.

Крім того, об'ємний ККД трохи зменшується зі зменшенням параметра е _н, тому що витрата витоків мало залежить від робочого об'єму, але ця витрата відноситься до ідеальної подачі насоса, що йде на спад зі зменшенням параметра е _н.

Таким чином, при постійному е _н і збільшенні навантаження на вихідній ланці гідродвигуна швидкість цієї ланки трохи йде на спад через вплив витоків у насосі і гідродвигуні. Однак через те, що об'ємні ККД сучасних гідромашин досить високі, це зменшення швидкості вихідної ланки невелике.

При установці декількох значень е _н = const навантажувальні характеристики гідропривода, тобто залежності V _п від Р для поступального руху поршня гідроциліндра чи n _г від М _{кр г} для обертального руху вала гідромоторамають вигляд, показаний на рис. 3.58 (область ОЕВС).

 

При деякому граничному значенні навантаження (максимальному тиску в системі) спрацьовує запобіжний клапан або автомат зміни робочого об'єму насоса, і швидкість вихідної ланки круто зменшується до нуля (гілка ВС), тому що відбувається гальмування гідродвигуна під навантаженням.

Навантажувальні характеристики показують так зване осідання гідропривода, тобто зниження швидкості вихідної ланки, обумовлене навантаженням.

При використанні гідромотора повне осідання гідропривода при закритому запобіжному клапані дорівнює відношенню частот обертання при граничному й нульовому навантаженнях і складає e _гп= η _он· η _ог.

На цю величину при значних тисках відчутно впливає стискальність рідини.

Стискальність робочої рідини збільшує осідання гідропривода і тим більша, чим вищий тиск.

Регулювання зміною робочого об'єму гідронасоса відбувається при р = const і n _н = const.

Потужність, що розвивається гідроприводом при постійному тиску в системі, зростає при регулюванні (збільшенні робочого об'єму) насоса. Швидкість вихідної ланки при цьому зростає, а зусилля на штоку гідроциліндра чи момент на валу гідромотора залишаються постійними (рис. 3.59, а).

Реверс гідродвигуна, тобто зміну напряму руху вихідної ланки гідропривода при регульованому насосі, можна здійснити двома способами: за допомогою гідророзподільників чи зміною напрямку подачі (реверсом подачі насоса). Другий спосіб можливий лише в гідроприводах із замкнутою циркуляцією рідини й здійснюється спочатку зменшенням робочого об'єму насоса до нуля, а потім - зміною знака ексцентриситету в шиберному й радіальному роторно-поршневому насосі чи зміною знака кута відхилення диска (блока) β в аксіальних роторно-поршневих насосах. При переході через нульовий робочий об'єм доводиться проходити зону нечутливості, на границях якої гідромотор зупиняється, тому що вся подача насоса йде на компенсацію витоків. Усередині цієї зони насос нездатний компенсувати витоки.

Тому разом з частотою обертання гідромотора тиск у гідроприводі поступово зменшується до нуля.