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 [math]U_H[/math].
Характеристики гідросистеми:

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

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

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 [math]U_M[/math], а розрахункові залежності характеристик гідропередачі:

  • потужність на валу насоса [math]N[/math]
  • подача насоса [math]Q[/math]
  • крутний момент на валу насоса [math]M_H[/math]
  • швидкість обертів вала гідромотора [math]n_M[/math]
  • крутний момент на валу гідромотора [math]M_H[/math]

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 [math]q_M\gt q_H[/math].
Аналіз залежності швидкості обертання валу гідромотора nМ від параметра регулювання UМ показує, що при [math]U_M→0[/math] буде [math]n_M→∞[/math]. Однак насправді швидкість обертання валу гідромотора не може бути більше [math]n_M[/math] при [math]U_M = 1 в 2,5-3[/math] рази. Це обумовлено тим, що зі зменшенням [math]U_M[/math] знижується крутний момент [math]M_M[/math], що розвивається на валу гідромотора. При [math]U_Mmin[/math] (рис.2) величина [math]М_M[/math] стає співрозмірною з моментом тертя гідромотора. Швидкість обертання валу стає нестійкою, а при подальшому зменшенні [math]U_M[/math] вона взагалі падає до нуля. Настає так зване самогальмування гідромотора.
Зупинка двигуна може відбутися при будь-якому значенні [math]U_M[/math], якщо навантажувальний момент перевищить крутний момент, який здатний створити гідромотор. Істотною перевагою даного варіанту регулювання є сталість ([math]n_H = const[/math] і [math]p_H = const[/math]) крутного моменту [math]М_M[/math] 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 ([math]U_H=0[/math]), а гідромотор в положення максимального ([math]U_M = 1[/math]);
  • вмикають приводний двигун і виводять його на задану постійну частоту обертання ([math]n_DV = n_Hnom[/math]);
  • робочий об'єм насоса поступово збільшують до максимуму ([math]U_H=1[/math]), внаслідок чого швидкість вала гідромотора зростає до значення, відповідного номінальної потужності приводу;
  • 4) збільшують швидкість вала гідромотора [math]n_M[/math] шляхом зменшення робочого об'єму гідромотора до мінімального значення ([math]U_Mmin[/math]), що визначається початком нестійкої роботи.

З рис.3.4 видно, що перший етап розгону відбувається при постійному моменті [math]M_M = max[/math] 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


[math]n_H=(q_H/q_M U_M)n_M[/math]
.

Дросельний спосіб регулювання швидкості

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


[math]Q_H=Q_H_D + Q_B[/math],

де [math]Q_H_D[/math] і [math]Q_B[/math] - 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 ([math]Δp_d_r = 0[/math]) швидкість поршня [math]V_p[/math] гідроциліндра [math]Г_t_s[/math] виходить максимальної, тому що ([math]p_K[/math] - 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 [math]p_H=R/S_p + Δp_d_r=p_k[/math]; (1)
  • для схеми з дроселем на виході [math]p_H=R/S_p + Δp_d_r S_s_h/S_p=p_k[/math]; (2)
  • для схеми з дросельним розподільником [math]p_H=R/S_p + Δp_d_r(1+S_sh/S_p)=p_k[/math], (3)

де [math]R[/math] – зовнішня загрузка; [math]S_p[/math] і [math]S_sh[/math] – робочі площі гідроциліндра; [math]Δp_d_r[/math] - 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 [math]R_max[/math], при якому вихідна ланка гальмується ([math]V_p = 0[/math]), від ступеня відкриття дроселя не залежить. При [math]V_p=0[/math][math]R=K_2/K_3[/math], де [math]K_2,K_3[/math] - 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 [math]p_k =const[/math]. Звідси випливає, що і потужність, що витрачається на обертання насоса ([math]N_H=Q_H p_H[/math]), 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 [math]V_p[/math] прохідні перетини дросельованих проток розподільника ([math]S_d_r_._r[/math]) будуть більшими, ніж перетини отворів дроселя ([math]S_d_r[/math]), 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 [math]V_p[/math] вихідної ланки - поршня гідроциліндра регулюється зміною ступеня відкриття дроселя. Чим вона менша, тим більша частка подачі насоса направляється в гідроциліндр і тим більше швидкість [math]V_p[/math]. При повному закритті дроселя ([math]U_d_r=0[/math]) швидкість [math]V_p[/math] найбільша. При повному відкритті дроселя ([math]U_d_r = 1[/math]) 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 [math]V_p = max[/math] і [math]R = 0[/math]. Максимальне навантаження [math]R_m_a_x[/math], що викликає гальмування поршня гідроциліндра, зменшується зі збільшенням ступеня відкриття дроселя і при [math]U_d_r[/math] прямує до нуля, [math]R_m_a_x[/math] 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

Отримано з https://wiki.tntu.edu.ua/index.php?title=Методи_контролю_швидкості_руху_пневмодвигуна&oldid=23153