Методи контролю швидкості руху пневмодвигуна

Визначення

Гідравлі́чний двигу́н (гідродвигу́н) — гідравлічна машина, що перетворює механічну енергію рідини на механічну енергію веденої ланки (вала, штока та ін.).
Гідроцилі́ндр (Пневмоциліндр) - об'ємний гідродвигун (пневмодвигун) зі зворотно-поступальним рухом вихідної ланки. Основним видом гідроциліндра є гідроциліндр (пневмоциліндр) поршневого типу. Часто до групи гідроциліндрів відносять також плунжерні, мембранні і сильфонні гідро- (пневмо-) двигуни.

Контроль швидкості руху пневмодвигуна

Для того, щоб змінити швидкість руху гідродвигуна, необхідно мати можливість змінити один з двох параметрів.
У гідроциліндра змінити робочу площу поршня нереально, в той час як плавно змінювати робочий об'єм гідромотора цілком можливо.
В сучасних гідроприводах дані варіанти реалізуються двома способами:

• машинне (об'ємне) регулювання, тобто регулювання швидкості зміною робочого об'єму насоса (змінюємо витрату потоку рідини, що подається в гідродвигун) або гідромотора, або того й другого;
• дросельне регулювання, тобто регулювання швидкості за рахунок введення регульованого гідравлічного опору і відведення частини потоку рідини через дросель або клапан, минаючи гідродвигун.

Машинний спосіб регулювання швидкості

У даного способу регулювання швидкості руху гідродвигуна можливі три варіанти:

• регулювання насосом;
• регулювання гідродвигуном;
• спільне регулювання насосом і гідродвигуном.

Регулювання насосом

Рис.1 Характеристики гідросистеми з регулюючим насосом

У цьому варіанті використовується насос з регульованою подачею. Параметром, що визначає характеристики гідросистеми, є параметр регулювання насоса $U_H$.
Характеристики гідросистеми:

• подача насоса $Q_H$;
• крутний момент на валу насоса $M_H$;
• швидкість руху гідродвигуна, відповідно, для гідромотора $n_M$ і гідроциліндра $V_HZ$
• навантаження на гідродвигуні, відповідно, на валу гідромотора $M_M$ і штоці гідроциліндра $R$
• потужність на валу насоса $N$

Графіки наведених характеристик гідросистеми обертального руху представлені на рис.1. Для гідропередачі поступального руху необхідно швидкість обертання валу гідромотора $n_М$ і його крутний момент $М_М$ замінити, відповідно, на швидкість руху поршня гідроциліндра $V_HZ$ і зусилля на його штоці $R$.
Звернемо увагу на одну особливість графіків на рис.1. При $U_H = 1$ маємо $n_M\lt n_Н$ i $M_M\gt M_H$. Це можливо тільки якщо $q_M\gt q_М_H$. Таким чином, гідросистема виконує функції редуктора. Якщо робочі обсяги насоса і гідромотора рівні ($q_M = q_H$), то передавальне відношення гідропередачі буде дорівнювати одиниці. При $q_M\lt q_H$ матимемо гідропередачу-мультиплікатор, у якій $n_M\gt n_H$ і $M_M\lt M_H$.

Регулювання гідромотором

Рис.2.Характеристики системи з регульованим гідромотором

Для даного варіанту необхідний гідромотор з регульованим робочим об'ємом. Задаючим параметром в цьому випадку є параметр регулювання гідромотора $U_M$, а розрахункові залежності характеристик гідропередачі:

• потужність на валу насоса $N$
• подача насоса $Q$
• крутний момент на валу насоса $M_H$
• швидкість обертів вала гідромотора $n_M$
• крутний момент на валу гідромотора $M_H$

Графіки характеристик гідропередачі, що відповідають наведеним розрахунковим залежностям, наведені на рис.2 Вони побудовані при тих же співвідношеннях робочих обсягів насоса і гідромотора, що і на рис.1, тобто при $q_M\gt q_H$.
Аналіз залежності швидкості обертання валу гідромотора nМ від параметра регулювання UМ показує, що при $U_M→0$ буде $n_M→∞$. Однак насправді швидкість обертання валу гідромотора не може бути більше $n_M$ при $U_M = 1 в 2,5-3$ рази. Це обумовлено тим, що зі зменшенням $U_M$ знижується крутний момент $M_M$, що розвивається на валу гідромотора. При $U_Mmin$ (рис.2) величина $М_M$ стає співрозмірною з моментом тертя гідромотора. Швидкість обертання валу стає нестійкою, а при подальшому зменшенні $U_M$ вона взагалі падає до нуля. Настає так зване самогальмування гідромотора.
Зупинка двигуна може відбутися при будь-якому значенні $U_M$, якщо навантажувальний момент перевищить крутний момент, який здатний створити гідромотор. Істотною перевагою даного варіанту регулювання є сталість ($n_H = const$ і $p_H = const$) крутного моменту $М_M$ і, як наслідок цього, потужності N на валу насоса в усьому діапазоні регулювання (рис.2).

Спільне регулювання насосом і гідромотором

Рис.3. Характеристики гідропередачі при спільному регулюванні насосом і гідромотором

Даний варіант зумовлює використання обох регульованих гідромашин - насоса і гідромотора. Регулювання виконується послідовно (не одночасно!) з метою розширення діапазону регулювання гідроприводу. Якщо потрібно поступово збільшити швидкість обертання валу гідромотора до nм max (наприклад, при рушанні з місця і розгоні транспортної машини), то регулювання виконується в наступному порядку (рис.3):

• насос встановлюють в положення нульового робочого об'єму ($U_H=0$), а гідромотор в положення максимального ($U_M = 1$);
• вмикають приводний двигун і виводять його на задану постійну частоту обертання ($n_DV = n_Hnom$);
• робочий об'єм насоса поступово збільшують до максимуму ($U_H=1$), внаслідок чого швидкість вала гідромотора зростає до значення, відповідного номінальної потужності приводу;
• 4) збільшують швидкість вала гідромотора $n_M$ шляхом зменшення робочого об'єму гідромотора до мінімального значення ($U_Mmin$), що визначається початком нестійкої роботи.

З рис.3.4 видно, що перший етап розгону відбувається при постійному моменті $M_M = max$ і зростаючої потужності приводу. Для другого характерно зменшення крутного моменту ММ і постійна потужність приводу. При закритих запобіжних клапанах (тиск в гідропередачі менше тиску настройки клапанів) для даного варіанту регулювання буде

$n_H=(q_H/q_M U_M)n_M$.

Дросельний спосіб регулювання швидкості

Ідея даного способу регулювання полягає в тому, що частина подачі нерегульованого насоса відводиться на злив, минаючи гідродвигун, тобто подача насоса $Q_H$ розділяється на дві частини

$Q_H=Q_H_D + Q_B$,

де $Q_H_D$ і $Q_B$ - витрата рідини що, відповідно, подається в гідродвигун і відводиться на злив в бак. Це здійснюється за рахунок введення в гідросистему регульованого гідравлічного опору (дроселя), що дозволяє змінювати витрату рідини, що підводиться в гідродвигун, і в підсумку регулювати її швидкість руху.
При дросельному регулюванні можливі два принципово різні способи включення регульованого дроселя: послідовно з гідродвигуном і паралельно до гідродвигуна.

Послідовне включення дроселя

Рис.4. Схеми гідропередач з послідовною установкою дроселя

Даний спосіб включення регулюючого дроселя може бути здійснений в трьох варіантах: дросель включений на вході в гідродвигун (в напірній магістралі), на виході з нього (в зливній магістралі) і на вході і виході одночасно (рис.4).
При повному відкритті дроселя ($Δp_d_r = 0$) швидкість поршня $V_p$ гідроциліндра $Г_t_s$ виходить максимальної, тому що ($p_K$ - тиск настройки клапана КП), і вся подача насоса надходить в гідроциліндр. При зменшенні перетину дроселя тиск перед ним підвищується:

• для схеми з дроселем на вході $p_H=R/S_p + Δp_d_r=p_k$; (1)
• для схеми з дроселем на виході $p_H=R/S_p + Δp_d_r S_s_h/S_p=p_k$; (2)
• для схеми з дросельним розподільником $p_H=R/S_p + Δp_d_r(1+S_sh/S_p)=p_k$, (3)

де $R$ – зовнішня загрузка; $S_p$ і $S_sh$ – робочі площі гідроциліндра; $Δp_d_r$ - перепад тиску на дроселі.
У цьому випадку клапан КП відкривається і пропускає частину подачі насоса на злив в бак. Швидкість поршня буде зменшуватися. При повному закритті дроселя вся подача насоса направляється через клапан на злив в бак, а швидкість поршня дорівнює нулю. Таким чином, в процесі регулювання клапан КП більшу частину часу відкритий, тобто в даному випадку він є переливним.
Графіки регулювальної і механічної характеристик наведені на рис.5.

Рис.5 Регульована (а) і механічна (б) характеристики гідропередачі при послідовному включенні дроселя

З графіка механічної характеристики видно, що максимальне навантаження $R_max$, при якому вихідна ланка гальмується ($V_p = 0$), від ступеня відкриття дроселя не залежить. При $V_p=0$$R=K_2/K_3$, де $K_2,K_3$ - постійні коефіцієнти.
Аналізуючи вищевикладене, необхідно зазначити, що при відкритому переливному клапані КП тиск в потоці рідини на виході з насоса дорівнюватиме тиску настройки клапана і буде постійним, тому що $p_k =const$. Звідси випливає, що і потужність, що витрачається на обертання насоса ($N_H=Q_H p_H$), також буде постійною, незалежно від величини подоланої навантаження R. Це нераціонально, тому що приведе до перевитрати енергії.
Зіставляючи варіанти установки дроселя на вході і виході можемо відзначити, що останній має ряд переваг. Створення надлишкового тиску в штоковій порожнині гідроциліндра (рис.4, б) сприяє більш стійкій роботі гідродвигуна, особливо при знакозмінному навантаженні. Є можливість регулювання гідроприводу при негативних навантаженнях, тобто при направленні витраченої сили R в сторону переміщення поршня. Крім того, при установці дроселя в зливній гідролінії тепло, що виділяється при дроселюванні потоку рідини, відводиться в бак без нагріву гідродвигуна, як це має місце в схемі з дроселем на вході.
Використання дросельованого розподільника (рис.4,в) також сприяє більш стійкій роботі гідродвигуна при коливаннях навантаження. Крім цього для симетричного дросельованого золотникового розподільника при однакових навантаженнях R і швидкостях $V_p$ прохідні перетини дросельованих проток розподільника ($S_d_r_._r$) будуть більшими, ніж перетини отворів дроселя ($S_d_r$), що істотно знизить ймовірність відмови гідросистеми через засмічення малих дросельованих отворів.

Паралельне включення дроселя

Рис.6. Схема гідропередачі з паралельною установкою дроселя (а) і її регулювальна (б) і механічна (в) характеристики

Зі схеми (рис.7,а) видно, що в точці А потік робочої рідини від насоса Н розгалужується: одна частина потоку через розподільник рн направляється в гідроциліндр ГЦ, а інша - через регульований дросель Др повертається по зливній лінії в бак.
Клапан ПК в даному випадку є запобіжним. Він відкривається лише при надмірному підвищенні тиску в гідросистемі. Швидкість $V_p$ вихідної ланки - поршня гідроциліндра регулюється зміною ступеня відкриття дроселя. Чим вона менша, тим більша частка подачі насоса направляється в гідроциліндр і тим більше швидкість $V_p$. При повному закритті дроселя ($U_d_r=0$) швидкість $V_p$ найбільша. При повному відкритті дроселя ($U_d_r = 1$) швидкість поршня зменшується до нуля або до мінімального значення в залежності від навантаження R.
Графіки механічної характеристики для паралельної установки дроселя, на відміну від графіків для його послідовної установки, мають протилежну кривизну і виходять з однієї точки, відповідної $V_p = max$ і $R = 0$. Максимальне навантаження $R_m_a_x$, що викликає гальмування поршня гідроциліндра, зменшується зі збільшенням ступеня відкриття дроселя і при $U_d_r$ прямує до нуля, $R_m_a_x$ прямує до безкінечності. При паралельній установці дроселя, як і при послідовній його установці на вході, виключається можливість регулювання при дії навантаження в напрямку, що збігається з напрямком руху поршня гідроциліндра.

Джерела

• Пневмопривод - Вікіпедія
• Гідропривод - Вікіпедія
• Дросельне регулювання,Бібліотека eлектронних навчальних посібників Луцького НТУ
• ОСНОВЫ ГИДРО- И ПНЕВМОПРИВОДА: Учебное пособие /В.В. Кузнецов, К.А. Ананьев - Кемерово 2012.