Аппаратура регулирования расхода жидкости

2.4 Аппаратура регулирования расхода жидкости

2.4.1 Принцип дроссельного регулирования расхода жидкости

У большинства гидравлических приводов технологического оборудования предусматривается возможность регулирования скорости движения выходного звена двигателя (штока цилиндра или вала гидравлического мотора).

Регулируемый привод обеспечивает наладку оборудования на различные режимы работы, близкие к оптимальным. Чем шире диапазон регулирования параметра (в данном случае скорости движения), тем большей универсальностью обладает оборудование, то есть шире область его применения.

В гидравлических приводах возвратно-поступательного движения с цилиндрами линейная скорость перемещения поршня со штоком определяется зависимостью

, (2.4.1)

где - объемный расход масла, подводимый к цилиндру или отводимый от него;

- эффективная (рабочая) площадь поршня.

Рабочая площадь поршня

для бесштоковой полости цилиндра

, (2.4.2)

для штоковой полости

, (2.4.3)

где - диаметр поршня;

- диаметр штока.

Анализируя зависимости (2.4.1), (2.4.2) и (2.4.3), можно сделать вывод о том, что для цилиндра с известными значениями диаметров поршня и штока единственным способом изменения скорости выходного звена является регулирование подводимого или отводимого расхода масла.

В приводах вращательного движения угловая скорость вала гидравлического мотора определяется по формуле

, (2.4.4)

где - объемный расход масла, подводимый к мотору или отводимый от него; - рабочий объем мотора, определяемый как суммарное изменение объемов рабочих камер мотора за один оборот ротора или объем масла необходимый для совершения одного оборота ротора (вала) мотора.

Рабочий объем регулируемых моторов может изменяться в процессе работы, а нерегулируемых - остается постоянным. Следовательно, в последнем случае изменение угловой скорости вала мотора можно обеспечить только путем регулирования расхода .

Выше сказанное позволяет сделать общий вывод о том, что скоростные параметры гидравлических двигателей, а значит и машины в целом зависят от расхода жидкости, который можно регулировать различными способами.

Принцип дроссельного регулирования заключается в изменении расхода жидкости путем изменения площади проходного сечения дросселя, то есть гидравлического регулируемого сопротивления, установленного на пути движения масла (формула 1.9.8). При этом часть производительности (объемной подачи) нерегулируемого насоса отводится через дроссель или предохранительный переливной клапан на слив, минуя гидравлический двигатель, а сама подача насоса должна несколько превышать максимальный потребный расход гидравлического двигателя.

2.4.2 Дроссели

Устройство, предназначенное для изменения расхода проходящего через него потока жидкости, называют дросселем.

Гидравлический дроссель представляет собой регулируемое сопротивление, обеспечивающее управление расходом жидкости путем изменения площади проходного сечения аппарата.

На рисунке 2.4.1 показаны основные типы регулируемых дросселей.

Рис. 2.4.1. Основные типы регулируемых дросселей

Основными деталями щелевого дросселя (рис. 2.4.1, а) являются втулка 1 с прорезью и корпус 2. Жидкость подводится по линии внутрь втулки и через прорезь отводится в линию .

Втулка может поворачиваться в корпусе, при этом площадь проходного сечения дросселя будет определяться зависимостью:

(2.4.5)

где – ширина прорези;

– радиус отверстия внутри втулки;

– угол открытия прорези, рад.

В золотниковом дросселе (дросселирующем распределителе) площадь проходного сечения зависит от расстояния между кромками золотника 1 и проточки в корпусе 2, а также диаметра золотника (рис. 2.4.1, б):

, (2.4.6)

где – диаметр золотника;

– расстояние между кромками золотника и проточки в корпусе.

Для точной настройки небольшого расхода жидкости используют игольчатый дроссель (рис. 2.4.1,в), в котором масло проходит из линии в линию через зазор между иглой 1 и кромкой проточки корпуса 2. Площадь проходного сечения аппарата регулируется путем осевого смещения иглы в корпусе.

При конструировании дросселей необходимо соблюдать условие: площадь сечения входных и выходных каналов с диаметром не должна быть меньше максимальной площади проходного окна дросселя, иначе сопротивление на входе или выходе аппарата будет больше, чем в самом дросселе.

При дроссельном регулировании возможны два принципиально разных способа включения дросселя: последовательно с гидравлическим двигателем (в напорной или сливной линиях) (рис. 2.4.2,а и б) и параллельно двигателю (рис. 2.4.2,в).

Рис. 2.4.2. Типовые схемы установки дросселей в гидравлических приводах

При установке дросселя ДР в напорной (рис. 2.4.2,а) или в сливной (рис. 2.4.2,б) линиях скорость перемещения поршня цилиндра Ц достигает максимального значения при полностью открытом проходном сечении аппарата. Если дроссель закрыт, то поршень не перемещается, а вся жидкость, поступающая от насоса Н в напорную линию системы, через предохранительный переливной клапан КП отводится в бак Б.

Схему, приведенную на рисунке 2.4.2,а, нельзя использовать для работы гидравлического привода с отрицательной нагрузкой, то есть с нагрузкой, направление действия которой совпадает с направлением движения штока цилиндра. Под действием отрицательной нагрузки скорость поршня со штоком может увеличиться настолько, что произойдет разрыв (нарушение сплошности) потока жидкости в рабочей (напорной) полости цилиндра, и движение поршня станет неуправляемым, так как подпор давления со стороны сливной линии отсутствует.

Схема, показанная на рисунке 2.4.2,б, дает возможность управлять скоростью движения выходных звеньев гидравлических двигателей при знакопеременной нагрузке, обеспечивает быстрое торможение двигателя и отвод теплоты, выделяющейся при дросселировании рабочей жидкости, в бак, минуя цилиндр, однако часть мощности гидравлического двигателя (значительная при малых скоростях) затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления сливной линии.

Потери давления и КПД гидропривода при последовательном включении дросселя не зависят от места дросселирования потока: на входе гидравлического двигателя или на выходе из него. Расчеты показывают, что КПД гидравлических приводов, показанных на рисунке 2.4.2,а и б, не может быть больше , так как даже на оптимальном режиме работы привода только подачи насоса направляется в цилиндр (остальное идет через клапан КП в бак) и лишь давления, создаваемого насосом, используется двигателем (остальное теряется в дросселе). Общий КПД привода будет еще ниже за счет потерь мощности в насосе и цилиндре.

При установке дросселя параллельно двигателю (рис. 2.4.2,в) максимальную скорость движения поршня цилиндра можно получить, закрыв проходное сечение аппарата. Если дроссель полностью открыт, то поршень останавливается, так как происходит разгрузка насоса на бак. Клапан КП в данной схеме работает только в аварийных ситуациях при перегрузке привода, то есть открывается лишь при чрезмерном повышении давления в системе.

Схему, приведенную на рисунке 2.4.2,в, нельзя использовать при подключении к одному насосу нескольких гидравлических двигателей и при работе привода с отрицательной нагрузкой.

Гидроприводы при параллельном включении дросселя имеют более высокий КПД по сравнению с приводами, содержащими последовательно включенные дроссели, так как их мощность зависит от нагрузки на рабочем органе машины.

Общим недостатком всех схем приводов с дроссельным способом регулирования является зависимость скорости движения выходного звена двигателя от преодолеваемой нагрузки.

Анализ формулы (1.9.8) показывает, что объемный расход жидкости через дроссель при прочих равных условиях зависит не только от площади проходного сечения дросселя, но и от разности давлений жидкости соответственно на входе и выходе аппарата. Зависимость расхода жидкости от площади проходного сечения дросселя линейная, а от разности давлений на входе и выходе аппарата - нелинейная. Увеличение нагрузки на выходном звене гидравлического двигателя приводит к уменьшению перепада давлений на входе и выходе дросселя, что снижает расход жидкости через дроссель и, в конечном итоге, приводит к уменьшению установленного значения скорости двигателя при любом варианте установки дросселя.

2.4.3 Регуляторы расхода

В большинстве гидроприводов установленная скорость движения выходных звеньев гидравлических двигателей должна быть постоянной в широком диапазоне изменения нагрузок на рабочих органах, поэтому перепад давлений на дросселе должен поддерживаться постоянным и небольшим (0,2…0,3 МПа) для получения минимальных расходов при минимально допустимой площади проходного сечения аппарата. Указанным условиям удовлетворяют регуляторы расхода, которые представляют собой комбинированные аппараты, содержащие дроссель и автоматический регулятор (клапан) для поддержания постоянного перепада давлений на дросселе.

Регулятор расхода (рис. 2.4.3) представляет собой комбинацию дросселя с регулятором, поддерживающим постоянный перепад давлений на дросселирующей щели, благодаря чему практически исключается зависимость расхода жидкости от нагрузки. Аппарат предназначен для регулирования расхода жидкости и автоматического поддержания установленного расхода постоянным.

Рис. 2.4.3. Схема (а) и условное графическое обозначение (б) регулятора расхода	Конструкция регулятора расхода типа МГП55-2…М

Основными элементами регулятора расхода являются: золотник 2, пружина 4 редукционного клапана и регулируемый дроссель 7. Жидкость подводится к аппарату по линии и отводится по линии . Полости 1 и 9 редукционного клапана каналами управления 6 и 8 соединены с линией на входе в дроссель 7, а полость 3 каналом 5 с линией на выходе дросселя.

При работе аппарата жидкость из линии проходит через зазор высотой образованный кромками золотника 2 и проточки в корпусе, и дроссель 7 в линию . При этом перед дросселем создается давление , которое в полостях 1 и 9 создает силу, действующую на золотник 2 снизу и поднимающую его вверх. Сверху, со стороны полости 3, на золотник действуют силы пружины 4 и давления на выходе аппарата.

Устойчивое положение золотника 2 в корпусе будут сохраняться при равновесии сил на нем:

, (2.4.7)

где и – давления жидкости соответственно на входе и выходе дросселя;

– сила пружины 4;

– площади торцов золотника 2 соответственно в полостях 1, 3, 9.

Если учесть, что , а , предыдущее выражение можно преобразовать к виду

. (2.4.8)

Так как ход золотника 2 мал и изменение силы пружины незначительно, разность давлений жидкости на входе и выходе дросселя считают постоянной.

Если давление уменьшится, то из-за нарушения равновесия сил, золотник 2 поднимется вверх и высота зазора также уменьшится, то есть увеличится сопротивление прохождению жидкости из линии на вход дросселя. Потери давления в зазоре клапана увеличатся, и давление уменьшится. Это приведет к восстановлению равновесия сил на золотнике и прежней разности давлений .

Увеличение давления приведет к перемещению золотника 2 вниз, увеличению высоты зазора (уменьшению его сопротивления) и росту давления до величины, обеспечивающей равновесие сил на золотнике. При этом первоначальная разность давлений восстанавливается.

Таким образом, регулятор расхода автоматически стабилизирует разность давлений на входе и выходе дросселя и поддерживает постоянство установленного расхода жидкости в широком диапазоне изменения давлений в линиях и аппарата.

Недостатком регулятора расхода с редукционным клапаном является большое сопротивление движению жидкости, вызванное двойным дросселированием потока. При его использовании насос постоянно работает под максимальным давлением независимо от нагрузки на гидравлическом двигателе.

Регулятор расхода с предохранительным клапаном (рис. 2.4.4) предназначен для регулирования расхода жидкости, автоматического поддержания установленного расхода постоянным, защиты гидравлического привода от перегрузки путем ограничения максимального давления, разгрузки системы от давления при использовании дистанционного управления.

Рис. 2.4.4. Схема (а) и условное графическое обозначение (б) регулятора расхода с предохранительным клапаном	Регулятор расхода Г55-21: 1 - дроссель, 2 - редукционный клапан, 3 - пружина

Основными деталями регулятора расхода являются:регулируемый дроссель 1, переливной золотник 2, нерегулируемая пружина 6, запорный элемент 7 вспомогательного клапана, пружина 8, регулировочный винт 9. Жидкость подводится к аппарату по линии и отводится по линии к двигателю, а по линии в бак. Полости 14 и 17 клапана каналами управления 15 и 16 соединены с линией на входе в дроссель 1, а полость 5 каналом 4, имеющим демпфер 3, с линией на выходе дросселя. Полость вспомогательного клапана каналом 10 соединена со сливной линией .

При использовании дистанционного управления полость 5 каналами 11 и 13 через вспомогательный распределитель (пилот) 12 соединяют с линией .

Регулирование расхода жидкости осуществляется путем изменения площади проходного сечения дросселя, а его стабилизация – за счет поддержания постоянной разности давлений и масла на входе и выходе дросселя.

При работе регулятора в режиме стабилизации расхода вспомогательный клапан закрыт (шарик 7 пружиной 8 прижат к седлу и перекрывает проход жидкости из полости 5 в канал 10 и линию ). Золотник 2 принимает устойчивое положение в корпусе при условии равновесия сил на нем

, (2.4.9)

где и – давления жидкости соответственно на входе и выходе дросселя; – сила пружины 6;

– площади торцов золотника 2 соответственно в полостях 5, 14 и 17.

Если учесть, что , а , последнее выражение можно преобразовать к виду

. (2.4.10)

Поскольку перемещение золотника 2 невелико и изменение силы пружины незначительно, разность давлений жидкости на входе и выходе дросселя считают постоянной.

Следует обратить внимание на то, что при работе регулятора часть жидкости, подаваемой на вход дросселя, постоянно сливается в бак через кольцевой зазор, образованный кромками золотника 2 и проточки в корпусе.

Если давление увеличивается, то из-за нарушения равновесия сил, золотник 2 сместится влево. При этом произойдет уменьшение величины (рис. 2.4.4,а) кольцевого зазора, а, следовательно, уменьшится слив масла из линии в линию (в бак). Давление перед дросселем повысится до величины, при которой восстановится равновесие сил на золотнике, что будет означать восстановление прежнего значения разности давлений на входе и выходе дросселя.

Уменьшение давления приводит к смещению золотника вправо, увеличению размера кольцевого зазора и, следовательно, слива жидкости от входа в дроссель. При этом происходит понижение давления и восстановление разности давлений на входе и выходе дросселя.

Защита гидравлического привода от перегрузки обеспечивается при срабатывании вспомогательного клапана 7, пружина 8 которого винтом 9 настроена на максимально допустимую величину давления . Клапан открывает проход жидкости из полости 5 по каналу 10 в линию . Равновесие сил на золотнике 2 нарушается, он смещается вправо и открывает проход жидкости из напорной линии в сливную линию .

Для разгрузки гидравлического привода от давления к полости 5 подключают вспомогательный распределитель (пилот) 12, который каналами 11 и 13 соединяет ее с линией . Слив жидкости из полости 5 приводит к нарушению равновесия сил на золотнике 2, он, под действием небольшого давления в полостях 14 и 17, смещается вправо, сжимая сравнительно слабую пружину 6, и соединяет напорную линию со сливом . При этом все масло, подаваемое насосом в напорную линию, сливается в бак, а вспомогательный клапан закрыт.

Применение регулятора расхода с предохранительным клапаном экономически более выгодно, чем регулятора с редукционным клапаном, поскольку потребляемая насосом мощность будет зависеть от нагрузки. рабочего органа станка.

Типовые варианты установки регуляторов расхода приведены на рисунке 2.4.5.

Рис. 2.4.5. Типовая схема включения регуляторов расхода

Регулятор расхода РР1 с предохранительным клапаном устанавливают только в напорной линии непосредственно за насосом «на входе» гидравлического двигателя, а регулятор расходаРР2 с редукционным клапаном преимущественно в сливной линии «на выходе» из двигателя.

Вопросы для самопроверки

1. С какой целью регулируют расход жидкости в гидроприводах? 2. Для чего в гидроприводах используют дроссели? 3. В чем заключается принцип дроссельного регулирования скорости гидравлических двигателей? 4. От каких параметров зависит расход масла, проходящий через дроссель? 5. Какие конструктивные схемы дросселей применяют в гидроприводах? 6. В чем основной недостаток работы гидропривода с дроссельным регулированием скорости двигателя, и каковы известные варианты его устранения? 7. Чем дроссели отличаются от регуляторов расхода по назначению, устройству и работе? 8. С какой целью в комбинированных аппаратах параллельно дросселю или регулятору расхода устанавливают обратный клапан? 9. Какие функции в гидроприводе выполняет регулятор расхода с предохранительным клапаном? 10. В каких местах гидравлического привода могут быть установлены дроссели и регуляторы расхода различных типов?