Теоретические сведения. .

 

Гидропривод, в котором скорость движения выходного звена можно изменить по заданному закону, является регулируемым.

Применяются следующие два способа регулирования: объемное регулирование; дроссельное регулирование.

При объемном регулировании скорость движения выходного звена изменяется путем изменения рабочего объема насоса или гидродви-гателя или того и другого. Регулирование изменением объема насоса возможно лишь в гидроприводах, содержащих роторные насосы с переменным рабочим объемом, например, пластинчатые, роторно-поршневые, аксиально-поршневые насосы. Регулирование изменением объема гидродвигателя возможно лишь в гидроприводах вращатель-ного движения, содержащих гидромотор с переменным объемом рабочих камер.

Дроссельный способ регулирования скорости движения выходного звена применяется в гидроприводах с нерегулируемыми гидромашинами. При этом изменение скорости выходного звена возможно за счет изменения расхода жидкости Q, поступающей в гидродвигатель. Поэтому в таких гидроприводах при подаче насоса Q_н часть жидкости отводится в бак, минуя гидродвигатель. Основным управляющим элементом таких приводов является регулируемый гидродроссель. В зависимости от места установки регулируемого гидродросселя по отношению к гидродвигателю различают гидроприводы с параллельным и последовательным включением гидродросселя.

На рисунке 11.1 а приведена принципиальная схема гидропривода, в котором регулирование скорости движения выходного звена (штока гидроцилиндра 4 ) обеспечивается за счет изменения площади проходного сечения S_др регулируемого дросселя 5, включенного параллельно. Кроме отмеченных элементов, схема включает насос 1, клапан 2, гидрораспределитель 3и бак 6.

При расходе жидкости Q_др через гидродроссель 5 расход жидкости, поступающей в гидроцилиндр 4, рассчитывается по формуле

(11.1)

где Q_н – подача насоса, м^3/с.

Расход Q_др при коэффициенте расхода μ определяется по формуле:

. (11.2)

Так как перепад давления на дросселе Δ p_др равен перепаду давления на гидроцилиндре Δ p_г, найдем его при известной нагрузке на штоке F иплощади поршня S_n.

Следовательно, скорость движения поршня (штока) гидроцилиндра

(11.3)

 

Из полученной формулы видно, что скорость движения выходного звена в таком гидроприводе будет меняться при изменении площади проходного сечения регулируемого гидродросселя S_др.

Регулировочная характеристика, представляющая собой графическую зависимость регулируемой величины υ от параметра регулирования S_др, т.е. υ =f(S_др), приведена на рисунке 11.1 б (построена по формуле (11.3)). На графике видно, что вторым фактором, оказывающим существенное влияние на скорость поршня гидроцилиндра, является нагрузка F.

1 – насос; 2 – предохранительный клапан; 3 – гидрораспределитель;

4– гидроцилиндр; 5– гидродроссель; 6 – бак

 

Рисунок 11.1 – Схема гидропривода с параллельным включением

дросселя (а); регулировочная (б) и нагрузочная (в) характеристики

 

Графическая зависимость скорости от нагрузки υ =f(F), которая называется механической, или нагрузочной характеристикой гидропривода, приведена на рисунке 11.1 в. Она построена в соответствии с формулой (11.3) для двух значений S_др в диапазоне изменения нагрузки от нуля до максимальной F_Т.

В рассматриваемом гидроприводе давление р_н на выходе насоса 1 зависит от нагрузки F и не является постоянным, поэтому такую систему регулирования называют системой с переменным давлением питания. Клапан 2, установленный в гидросистеме, является предохранительным. Гидрораспределитель 3служит для измснсния направления движения штока гидроцилиндра 4.

Одним из недостатков таких гидроприводов является то, что в них скорость регулируется только в том случае, если нагрузка создает сопротивление движению выходного звена. При помогающей нагрузке может произойти отрыв поршня от рабочей жидкости в гидроцилиндре.

Дроссельное регулирование осуществляется дросселированием (сужением) потока рабочей жидкости в дросселе (местном сопротив-лении, величина гидропотерь в котором может быть изменена) или отводом части потока через клапан обратно в гидробак.

На рисунке 11.2 а представлена принципиальная схема гидропривода с дроссельным регулированием скорости припоследовательном включении гидродросселя 5 (на входе в гидроцилиндр 4 ). Кроме отмеченных элементов, схема включает насос 1, клапан 2, гидрораспределитель 3и бак 6.

Так как гидродроссель 5 и гидроцилиндр 4включены последовательно, то расход жидкости Q_г, поступающей в гидроцилиндр 4, равен расходу жидкости, проходящей через регулируемый гидродроссель 5:

(11.4)

где – перепад давления на гидродросселе 5.

С учетом принятых допущений

В данном гидроприводе давление на выходе насоса р_н поддерживается постоянным при помощи переливного клапана 2. Тогда скорость поршня

. (11.5)

Анализ полученной формулы показывает, что скорость движения поршня гидроцилиндра 4, как и в гидроприводе с параллельным включением гидродросселя, является функцией двух переменных: площади проходного сечения регулируемого гидродросселя S_др и преодолеваемой нагрузки на штоке гидроцилиндра F.

На рисунках 11.2 б, в приведены регулировочная и нагрузочная характеристики, построенные в соответствии с формулой (11.5).

1 – насос; 2 – переливной клапан; 3 – гидрораспределитель;

4 – гидроцилиндр; 5 – гидродроссель; 6 – бак

 

Рисунок 11.2 – Схема гидропривода с последовательным включением дросселя (а); регулировочная (б) и нагрузочная (в) характеристики

 

Следует отметить, что гидропривод с гидродросселем 5 на входе в гидроцилиндр 4 (см. рисунок 11.2 а), как и гидропривод с параллельным включением гидродросселя, допускает регулирование скорости выходного звена только при нагрузке, направленной против движения. При помогающей нагрузке может произойти отрыв поршня от рабочей жидкости в гидроцилиндре. Поэтому в гидроприводах, работающих в условиях знакопеременной нагрузки, для обеспечения надежного регулирования скорости выходного звена рекомендуется установка гидродросселя на выходе из гидродвигателя. В этом случае уравнение (11.4) также справедливо.

Кроме того, регулирование гидропривода может осуществляться изменением скорости вращения вала электродвигателя (или иного двигателя), приводящего в действие насос.

 

В любом случае при регулировании гидропривода реализуется его основная функция – изменение скорости движения выходного звена гидродвигателя, а стало быть, и рабочего органа какой-либо машины, какого-либо механизма.

Гидродвигателем называется гидромашина, преобразующая энергию потока жидкости в механическую энергию движения выход-ного звена (рабочего органа). Гидродвигатель, преобразующий энергию жидкости в механическую энергию возвратно-поступатель-ного движения выходного звена, называется силовым гидроцилиндром. На рисунках 11.3 и 11.4 приведены схемы простейших конструктивных форм силовых гидроцилиндров двух типов: двустороннего и одностороннего действия.

 

а – с односторонним штоком, б – с двусторонним;

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – шток

 

Рисунок 11.3 – Схемы гидроцилиндров двустороннего действия:

 

1 – плунжер; 2 – пружина

 

Рисунок 11.4 – Схема силового гидроцилиндра

одностороннего действия

 

Конструкции цилиндров, показанные на рисунке 11.3, включен-ные в гидросистему по схеме а), обеспечивают большое усилие при рабочем ходе (слева направо) и высокую скорость движения поршня и штока при обратном ходе (справа налево). Рабочий ход совершается при подаче жидкости от источника в левую полость цилиндра. При этом жидкость вытесняется поршнем из правой полости в приемный резервуар (гидробак). При обратном ходе жидкость с тем же расходом подается в правую полость и вытесняется поршнем из левой. Изменение направления движения поршня (реверс гидроцилиндра) осуществляется поворотом рабочего органа распределительного устройства из одного крайнего положения в другое.

Если необходимо получить при той же схеме включения цилиндра одинаковые усилия при постоянном давлении или одинаковую скорость при постоянном расходе жидкости, то применяются гидроцилиндры с ложным (двойным) штоком (см. рисунок 11.3 б).

Поршень гидроцилиндра (см. рисунок 11.3 а) одностороннего действия, выполненный в виде штока, совершает обратный ход посредством пружины или внешней нагрузки. Основным достоинством таких цилиндров является простота изготовления, так как отпадает необходимость в обработке внутренней поверхности цилиндра. Такие цилиндры применяются, когда необходимо реализовать небольшое усилие рабочего и обратного хода при небольшой его величине и сравнительно больших скоростях перемещения штока.

Основными параметрами цилиндров являются:

D – диаметр поршня (внутренний диаметр цилиндра), м;

S – рабочая площадь поршня, м²;

V – объем цилиндра, м³;

F – усилие, развиваемое поршнем, Н;

– скорость перемещения поршня, м/с;

L – ход поршня, штока, м.

Диаметр поршня без учета трения равен:

 

(11.6)

где – давление жидкости, т.е. разность давлений перед и за поршнем, другими словами – падение давления в гидроцилиндре, как в полезном местном сопротивлении, Па;

S – рабочая площадь поршня, м².

Рабочая площадь поршня равна:

– для цилиндра, показанного на рисунке 11.3 а, при подаче жидкости в полость, противоположную штоку,

(11.7)

– для цилиндра, изображенного на рисунке 11.1. б

; (11.8)

– для цилиндра одностороннего действия (см. рисунок 11.3 а)

. (11.9)

Скорость перемещения поршня без учета утечек жидкости через зазоры между поршнем, штоком и цилиндром равна

, (11.10)

где Q – расход жидкости в рабочую полость цилиндра, м³/с.

Максимально возможная величина усилия, развиваемого гидроцилиндром, равна

, (11.11)

где h _м – механический КПД силового гидроцилиндра;

– усилие, развиваемое цилиндром без учета трения поршня и штока в цилиндре.

Величина h _М зависит от ряда факторов (материал, чистота обработки и состояние поверхностей трения штока, поршня, цилиндра, вид уплотнений зазоров и др.).

Фактическая скорость движения поршня и штока несколько ниже расчетной из-за утечек жидкости через зазоры и равна

, (11.12)

где h₀ – объемный КПД гидроцилиндра.

Величина h₀ зависит от перепада давлений жидкости, ее текучести, типа уплотнений и пр. Для современных конструкций гидроцилиндров значения механического и объемного КПД обычно равны: h _М = 0, 85...0, 97, h _о = 0, 98...0, 99 [1].

Гидродвигатели, преобразующие энергию жидкости в механичес-кую энергию возвратно-поворотного движения выходного звена, называются моментными гидроцилиндрами.

На рисунке 11.5 приведены схемы основных конструктивных форм моментных гидроцилиндров двух типов: однопластинчатого (рисунок 11.5 а) и двухпластинчатого (рисунок 11.5 б). Моментные гидроцилиндры - практически безинерционные поворотные гидро-двигатели, обеспечивающие большие крутящие моменты силового звена (вала).

 

а – однопластинчатый, б – двухпластинчатый;

1 – корпус; 2 – ротор (вал); 3 – подвижная пластина; 4 –уплотнение;

5, 5^/ – рабочие полости; 6 – каналы

 

Рисунок 11.5 – Схемы моментных гидроцилиндров

 

Например, трехпластинчатые цилиндры при давлении до 200 кгс/см² обеспечивают крутящие моменты до 40 тс× м [1]. Угол поворота вала зависит от числа пластин. Наибольшие углы поворота (от 270 до 280°) обеспечивают однопластинчатые цилиндры. С увеличением числа пластин угол поворота уменьшается, а крутящий момент увели-чивается. Так как с увеличением числа пластин сокращается возмож-ный угол поворота вала, то цилиндры с числом пластин более трех применяются редко. Основной недостаток моментных гидроцилиндров заключается в трудности обеспечения герметичности рабочих полостей (камер), т.е. уплотнения зазоров между торцами пластин и внутренней поверхностью цилиндра.

Крутящий момент М, развиваемый цилиндром, угол поворота и угловая скорость поворота w вала являются основными параметрами моментных гидроцилиндров.

 

Величина крутящего момента и угловая скорость поворота без учета потерь на трение пластин и вала и утечек жидкости в цилиндре равны:

, (11.13)

, (11.14)

где b – ширина пластин, м;

z – число пластин;

D – внутренний диаметр цилиндра, м;

D_в – диаметр вала, м;

D p_д – разность давлений жидкости перед и за пластиной, другими словами – падение (перепад) давлений в гидроцилиндре как в полезном местном сопротивлении.

Максимально возможная величина крутящего момента, развивае-мого цилиндром, равна

, (11.15)

где h _М – механический КПД моментного гидроцилиндра.

Величина h _М зависит от материала и состояния поверхностей трения (торцов пластин, поверхности вала и цилиндра), вида уплотнений зазоров и др.

Фактическая скорость поворота вала несколько ниже расчетной из-за утечек жидкости через зазоры и равна:

, (11.16)

где h₀ – объемный КПД моментного гидроцилиндра.

Величина h₀ зависит от перепада давлений жидкости, ее текучести и типа уплотнений.