ОБЩИЕ ВОПРОСЫУСТРОЙСТВА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ОБЪЕМНЫХ ГИДРОПРИВОДОВ
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
По принципу действия гидравлические приводы разделяются на объемные и гидродинамические. Принцип действия объемных гидроприводов основан на преимущественном использовании энергии давления сжатой жидкости. В гидродинамических приводах используется скоростной напор жидкости. В нашем пособии рассматриваются объемные гидроприводы.
Основными элементами объемного гидропривода являются объемные насосы и объемные гидродвигатели, в которых происходит преобразование энергии сжатой жидкости в механическую энергию. В гидравлических приводах применяются главным образом поршневые или плунжерные насосы, а в качестве гидродвигателей поршневые гидромоторы и гидроцилиндры.
Гидромотор – это такой гидродвигатель, в котором выходной вал совершает постоянное вращательное движение. Гидроцилиндр представляет собой линейный гидродвигатель, который состоит из цилиндра и поршня со штоком, которые преобразуют энергию сжатой жидкости в прямолинейное движение.
Поток жидкости в объемном гидравлическом приводе характеризуется двумя основными параметрами: расходом и давлением.
Давление определяет внутреннее напряжение сжатия жидкости и действует во все стороны одинаково. Поэтому, пренебрегая силой тяжести, полагаем что давление одинаково по всему сечению гидромагистралей согласно закону Паскаля.
Расходом жидкости называется объем жидкости, прошедшей черезданное сечение канала (трубопровода) за единицу времени. Расход жидкости определяется как произведение средней скорости течения на площадь поперечного сечения канала:
где Q — расход жидкости в м3/с; V — объем в м3; t — время в с;
A — площадь поперечного сечения в м2; v — средняя скорость течения жидкости в поперечном сечении гидромагистрали в м/с.
Принципы построения объемных гидроприводов
Как было сказано ранее, рабочим телом объемных гидроприводов является сжатая жидкость, характеризующаяся двумя параметрами – давлением, определяющим величину усилия и расходом, определяющим скорость выходного элемента.
Регулирование скорости в объемных гидравлических приводах обеспечивается изменением расхода жидкости, поступающей в гидродвигатель. Взависимости от способа изменения расхода жидкости различают гидравлические приводы с дроссельным регулированием скорости, которую обеспечивают регулируемые гидрораспределители и объемным регулированием скорости, которую получают путем изменения рабочего объема гидромашин.
Обеспечение питания гидропривода в свою очередь ограничено регулированием либо давления, либо расхода, что позволяет организовать насосную установку с организацией постоянного расхода или с постоянным давлением рабочей жидкости.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что комбинируя способы питания и регулирования в гидроприводе можно построить четыре принципиальные схемы гидропривода.
Принципы построения объемных гидроприводов показаны в табл. 1.
Таблица 1
| Питание | Регулирование | |
| с постоянным расходом | дроссельное | объемное |
| с постоянным давлением |
1.2.1 Схема гидравлического привода с дроссельным регулированием
Наиболее известна схема гидравлического привода, построенного на основе питания с постоянным расходом и дроссельным регулированием, известная как гидравлический привод с дроссельным регулированием или дроссельный гидропривод.
Принципиальная схема гидравлического привода с дроссельным регулированием представлена на рис. 1.
В дроссельном гидроприводе регулирование скорости основано на изменении расхода жидкости с помощью регулируемого золотникового гидрораспределителя. Однако по своему функциональному назначению в регулируемом гидроприводе гидрораспределитель является не только устройством для регулирования расхода рабочей жидкости, но и усилителем мощности, состоящим из системы управляемых дросселей, получающемая при смещении золотника вследствие изменения площадей рабочих (дросселирующих) окон.
Гидрораспределитель, кроме плавного регулирования расхода жидкости, обладает свойством усиления мощности сигнала управления. Если на входе гидрораспределителя мощность управления измеряется единицами ватт, то на его выходе мощность потока жидкости может достигать нескольких десятков киловатт.
Обычно в гидравлическом приводе с дроссельным регулированием применяется четырехлинейный (четырехдроссельный) гидрораспределитель с симметричным золотником, который изменяет не только расход рабочей жидкости, но и направление ее движения.
Рис. 1. Схема гидравлического привода с дроссельным регулированием
Гидравлический привод с дроссельным регулированием работает по схеме с открытой циркуляцией жидкости. Жидкость из бака Б поступает в насос постоянной производительности Н который подает ее под постоянным давлением в золотниковый гидрораспределитель ГР. При смещении золотника гидрораспределителя влево от своего нейтрального положения, открывается окно Ана входе в силовой гидроцилиндр и давление от линии нагнетания Р поступает в полость гидроцилиндра, окно Вна выходе из него соединяется со сливной магистралью Т.
Гидрораспределитель направляет рабочую жидкость в гидродвигатель, в котором основная часть энергии потока преобразуется в механическую энергию движения поршня.
Простота принципа регулирования скорости с помощью гидрораспределителя заключается в том, что изменение гидравлических сопротивлений управляемых дросселей достигается при малых совмещениях золотника, измеряемых долями миллиметра. Чем больше смещение золотника от своего нейтрального положения, тем больше площадь дросселирующего окна и, следовательно, тем больше расход жидкости и скорость движения гидравлического двигателя. В регулируемом приводе гидрораспределитель обеспечивает непрерывное регулирование расхода жидкости и скорости привода.
Данная схема представляет традиционный гидропривод небольшой мощности с нерегулируемыми насосами и дроссельным регулированием с помощью дросселирующего гидрораспределителя или трехлинейного регулятора расхода.
1.2.2 Схема гидравлического привода с объемным регулированием
Другая широко распространенная схема гидравлического привода, построенного на основе питания с постоянным расходом и объемным регулированием, известна как гидравлический привод с объемным регулированием или объемный гидропривод.
Гидравлическим приводом с объемным регулированием называется привод, в котором регулирование скорости гидродвигателя производится путем изменения объема рабочей камеры насоса, т.е. за счет изменения производительности насоса. Он состоит из двух последовательно включенных объемных гидромашин – регулируемого реверсивного насоса и гидромотора. Схема гидравлического привода с объемным регулированием представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема гидравлического привода с объемным регулированием
В случае использования регулируемого гидромотора можно добиться расширения диапазона регулирования гидропривода. Однако при этом дополнительном регулировании происходит уменьшение величины крутящего момента на валу гидромотора и усложняется конструкция. На практике этот дополнительный вид регулирования привода за счет применения регулируемого гидромотора применения не нашел.
Гидравлический привод с объемным регулированием, как правило, имеет закрытую циркуляцию жидкости. В нем жидкость совершает замкнутый цикл: насос — гидродвигатель — насос. В установившемся режиме движения жидкость, нагнетаемая насосом, по магистрали высокого давления направляется в гидродвигатель. В гидродвигателе энергия потока сжатой жидкости преобразуется в механическую энергию движения. А затем по магистрали низкого давления жидкость, минуя бак, поступает во всасывающую камеру насоса.
Изменение производительности в регулируемом насосе достигается за счет изменения наклона блока цилиндров или упорного диска. Чем больше угол наклона регулирующего органа насоса, тем больше рабочий ход поршней, и, следовательно, тем больше производительность насоса и скорость гидродвигателя.
Реверсирование движения привода достигается изменением направления подачи жидкости насосом за счет изменения знака сигнала управления. При этом магистрали высокого и низкого давлений меняются местами. При работе привода в установившемся режиме при постоянной нагрузке в нагнетающей гидромагистрали устанавливается рабочее давление,зависящее от величины нагрузки, а в сливной гидромагистрали, отводящей жидкость из гидродвигателя в насос, давление жидкости будет низким и примерно равным давлению вспомогательной гидросистемы. При максимальной нагрузке давление в нагнетающей гидромагистрали достигает своего максимального расчетного значения.
В отличие от дроссельного гидропривода нет необходимости в применении гидрораспределителей, больших баков, гидроаккумуляторов и теплообменников. Однако сам принцип объемного регулирования исключает возможность управления несколькими независимыми гидродвигателями от одного насоса. Силовая часть привода становится предельно простой, а потери энергии в гидромагистралях и гидромашинах могут быть сведены до незначительных величин. Поэтому гидравлический привод с объемным регулированием отличается высоким к.п.д., достигающим 70%.
Несмотря на известные достоинства гидравлического привода с объемным регулированием (высокий коэффициент полезного действия, отсутствие заметного нагрева жидкости и т.д.), применение его в качестве быстродействующего привода затруднено.
Эти затруднения заключаются главным образом в сложности управления приводом в следящей системе из-за большой мощности на органе регулирования подачи насоса насоса. Мощность управления наклоном блока цилиндров или поворотом наклонной шайбы регулируемого насоса в несколько раз превосходит мощность, необходимую для перемещения золотника в дроссельном приводе. Кроме того, быстродействие гидрораспределителя, как правило, на порядок меньше системы регулирования производительности насоса. Для повышения быстродействия системы управления регулируемых насосов приходится усложнять за счет введения дополнительных гидравлических каскадов и существенно увеличивать мощность управления. В результате коэффициент полезного действия силового гидравлического привода с объемным регулированием совместно с двухкаскадным гидрораспределителем падает, а конструкция усложняется.
Этим объясняется то обстоятельство, что на малых и средних мощностях (до 5−8 кВт) применение дроссельного привода является более предпочтительным. Преимущества гидравлического привода с объемным регулированием проявляются при больших мощностях.
1.2.3 Схема гидропривода с объемно-дроссельным регулированием
В настоящее время широкое распространение получила схема гидравлического привода, построенного на основе питания с постоянным давлением и дроссельным регулированием, известная как гидравлический привод с объемно-дроссельным регулированием или объемно-дроссельный гидропривод.
Схема гидравлического привода объемно-дроссельного регулирования представлена на рис. 3.
Рис. 3 Схема гидравлического привода объемно-дроссельного регулирования
Для улучшения энергетических характеристик и увеличения коэффициента полезного действия гидропривода нужно, чтобы источник питания вместо потока постоянной мощности направлял на вход гидрораспределителя поток переменной мощности, соответствующий полезной мощности привода. Для этого при больших нагрузках, давление нагнетания жидкости р нна входе в гидрораспределитель должно быть высоким и иметь постоянное значение, а расход небольшим по величине, а при малых нагрузках и на холостом ходу давление должно снижаться, а расход увеличиваться.
Наиболее удачно регулирование мощности (давления и расхода) потока жидкости на входе в гидрораспределитель обеспечивается в гидроприводе с объемно-дроссельным регулированием с помощью регулируемого нереверсивного насоса с обратной связью по давлению. В этом приводе вместо насоса постоянной производительности применяется регулируемый насос с автоматическим электромеханическим или механическим регулятором мощности. Автоматический регулятор мощности с увеличением давления уменьшает эффективную производительность насоса по заданной (линейной или нелинейной)программе до значения, равного потребному расходу через гидрораспределитель. При этом автоматически устанавливается такое давление в линии нагнетания, при котором потери давления на его дросселирующих окнах принимают заданное (минимальное) значение, уменьшая гидравлические потери, но поддерживая требуемый расход жидкости. Закон изменения производительности насоса от давления определяется его регулировочной характеристикой.
С увеличением наклона (с уменьшением жесткости) регулировочной характеристики потери давления в управляемых дросселях золотника уменьшаются, а коэффициент полезного действия дроссельного привода увеличивается. За счет уменьшения гидравлических потерь в золотнике и устранения сброса энергии в переливном клапане к.п.д. (h) автономного дроссельного привода с автоматизированным насосом переменной производительности можно увеличить в 2—2,5 раза и достичь значений h=0,5.
При этом быстродействие регулятора подбирается настолько высоким, что обеспечивается высокая динамика привода с пневмогидравлическим аккумулятором малого объема. Кроме того, за счет уменьшения гидравлических потерь и нагрева жидкости в золотниковом гидрораспределителе уменьшается объем бака и может быть убран теплообменник.
В гидроприводе объемно-дроссельного регулирования регулируемый по давлению насос обеспечивает постоянное рабочее давление р н = const, а гидроаккумулятор позволяет сглаживать провалы давления и потока рабочей жидкости в переходных режимах при включении-выключении гидрораспределителей. Поэтому данная гидросхема позволяет одновременно запитывать от одного источника питания несколько исполнительных приводов, что позволяет поднять к.п.д. всей гидросистемы.
1.2.4 Схема гидропривода с постоянным давлением питания и объемным регулированием.
Очень небольшое распространение получила схема гидравлического привода, построенного на основе питания с постоянным давлением и объемным регулированием, представляющая собой вариант объемно-дроссельного гидропривода.
Принцип построения питания данной схемы абсолютно идентичен вышеприведенной схеме. Основное отличие заключается в том, что в качестве гидродвигателя применяется регулируемый гидромотор с электрогидравлическим механизмом управления (применение гидроцилиндра принципиально невозможно, т.к. цилиндров с регулируемым рабочим объемом не существует). Механизм управления с увеличением нагрузки на валу гидромотора увеличивает эффективную производительность гидромотора по заданной программе до значения, равного потребному расходу через гидромотор, руководствуясь показаниями датчика скорости выходного вала. При этом автоматически устанавливается такое давление в линии нагнетания, при котором потери давления на его дросселирующих окнах принимают заданное (минимальное) значение, уменьшая гидравлические потери, но поддерживая требуемый расход жидкости.
Схема гидравлического привода с питанием с постоянным давлением и объемным регулированием представлена на рис. 4.
Рис. 4.Схема гидравлического привода с питанием с постоянным давлением и объемным регулированием.
Данная схема предусматривает применение микропроцессорного управления с достаточно сложными алгоритмами управления, т.к. в противном случае не будет достигнута необходимая точность поддержания частоты вращения вала гидромотора. Достаточно высокая стоимость гидросистемы и ограниченное быстродействие существенно ограничивают область применения данного типа гидропривода.
1.2.5Сравнительные особенности различных схем объемных гидроприводов
Для приводов с постоянным потоком характерны следующие особенности:
- индивидуальный исполнительный привод;
- замкнутая циркуляция рабочей жидкости;
- частота вращения вала исполнительного гидромотора жестко задается подачей насоса;
- динамика определяется гидравлическими и механическими временными константами;
- защита от перегрузок осуществляется ограничением давления настройки предохранительных клапанов;
- рекуперация энергии в приводную сеть.
Привода с постоянным давлением характеризуются следующими особенностями:
- привод с несколькими исполнительными гидродвигателями;
- разомкнутая циркуляция рабочей жидкости в гидроприводе;
- частота вращения вала исполнительного гидромотора регулируется;
- динамика определяется механическими временными константами;
- защита от перегрузок осуществляется ограничением потока;
- рекуперация энергии в аккумуляторе
Для дроссельного гидропривода характерно:
- повышенное быстродействие;
- крайне низкий к.п.д.;
- высокое тепловыделение.
Объемный гидропривод характеризуется:
- невысоким быстродействием;
- высоким к.п.д.;
- малым объемом рабочей жидкости вследствие низкой теплоотдачи.
В гидроприводе с постоянным давлением можно устанавливать несколько гидродвигателей, причем наличие регулируемых гидромоторов позволяет использовать микропроцессорные системы управления для изменения усилия, давления, частоты вращения. Эта прогрессивная тенденция появилась в 80-х годах XX века и получила особенно интенсивное развитие в последнее время.
С помощью объемного регулирования можно минимизировать потери мощности в гидросистеме, однако оно уступает дроссельному в быстродействии, кроме того, ресурс регулируемых насосов значительно уступает ресурсу нерегулируемых гидромашин. Стремление преодолеть это противоречие привело к появлению новых технических решений. Одно из них – использование нерегулируемого насоса с приводом от частотно-регулируемого электродвигателя в силовой цепи, которое стало возможным вследствие того, что управляемые инверторы получили широкое повсеместное распространение и значительно подешевели.