Особенности дроссельного регулирования гидроприводов

Гидравлические дроссели

Гидродроссель – регулирующий гидроаппарат, устанавливаю­щий определенную связь между перепадами давления на самом дросселе и расходом жидкости через него. Дроссели, представляющие собой гидравлические сопротивления, разделяют на регулируемые и нерегулируемые.
Регулируемые дроссели используют, например, в гидроприводах для регулирования скорости движения выходных звеньев гидродвигателей.

По принципу действия различают дроссели вязкостного сопро­тивления, потеря давления в которых определяется сопротивлением потоку жидкости в канале большой длины, и дроссели вихревого сопротивления, потеря давления в которых определяется в основном деформацией потока жидкости и вихреобразованием в канале малой длины.

Дроссели первого типа получили название линейных, так как потеря давления в них обусловлена трением при ламинарном режиме течения жидкости, т. е. является практически линейной функцией скорости течения жидкости. Линейные дроссели применимы только при малых скоростях течения жидкости, т. е. при малых значениях потерь давления (обычно меньше 0,3 МПа) и в условиях достаточно стабильной температуры.

Рисунок 3.1. Схема линейного дросселя

На рис. 3.1 показана конструктивная схема линейного дросселя, в котором гидравлическое сопротивление регулируется изменением длины дроссельного канала однозаходного винта путем ввинчивания или вывинчивания винта 2 в корпус 1.

Дроссельный канал можно рассматривать как трубку прямо­угольного или треугольного, в зависимости от профиля резьбы, сечения и расчет потерь давления в первом приближении можно вести по общим формулам гидравлики для расчета путевых потерь в трубопроводах.

В дросселях второго типа изменения давления происходят практически пропорционально квадрату скорости потока жидкости, ввиду чего такой дроссель называют квадратичным. Его характеристика практически не зависит от вязкости жидкости. На рис. 3.2 показаны конструктивные схемы квадратичных (турбулентных) дросселей. Широко применяются в гидроавтоматике простые дроссели в виде тонкой шайбы с круглым отверстием и острыми кромками (см. рис. 3.2, а). Дросселирующие свойства отверстий в таких шайбах обусловлены в основном потерями энергии при внезапном сужении и расширении потока жидкости.

а – дроссельная шайба; б – пакет шайб; в – золотниковый дроссель; г – крановый дроссель

Рис 3.2 Схема квадратичных (турбулентных) дросселей

При разработке гидросистем часто требуется дроссель, обладающий высоким гидравлическим сопротивлением (большим перепадом давления) и стабильной расходной характеристикой. Обеспечить подобные требования одной дроссельной шайбой не представляется возможным, поскольку размер ее отверстия при этом может быть столь малым, что возможно его засорение загрязнениями жидкости. Поэтому применяются многоступенчатые дроссели из нескольких последовательно расположенных дроссельных шайб (см. рис. 3.2, б), принцип действия которых также основан на многократном сужении и расширении потока жидкости.

Сопротивление такого дросселя регулируется при данном размере отверстия подбором количества шайб. Практика показывает, что на расходные характеристики такого дросселя влияют расстояние l между шайбами (оно должно быть не меньше (3…5)d, где d – диаметр отверстия) и толщина d дросселирующей шайбы, которая обычно выбирается не более (0,4…0,5)d. Диаметр d отверстий в шайбах должен быть не менее 0,3 мм, чтобы исключить возможность их засорения.

На рис. 3.2, в показана схема регулируемого золотникового дросселя, в котором рабочее проходное сечение создается кромками корпуса 1 и золотника 2. Для изменения площади данного сечения дросселя необходимо перемещать золотник в осевом направлении. В крановом дросселе (см. рис. 3.2, г) это сечение создается между расточкой корпуса 1 и узкой щелью, выполненной в полом кране 2. Для изменения площади рабочего проходного сечения необходимо повернуть кран в ту или иную сторону.

Широкое применение в регулирующей гидроаппаратуре, системах гидроавтоматики и следящем гидроприводе находят регулируемые гидравлические дроссели типа сопло-заслонка. Они представляют собой устройства, состоящие из сопла и плоской заслонки, которая перемещается вдоль оси сопла и изменяет площадь кольцевой щели между торцом сопла и заслонкой, что приводит к изменению гидравлического сопротивления дросселя.

Гидродроссели принцип работы

Линейные гидродроссели. На рис. 1, а приведена конструктивная схема линейного регулируемого гидродросселя. Ламинарный режим течения обеспечивается в винтовой канавке прямоугольного сечения, нарезанной на поверхности цилиндрического плунжера 1, установленного в корпусе 2. Регулирование сопротивления гидродросселя осуществляется путем изменения рабочей длинны Lk дросселирующего канала за счет вращения винтовой головки 3.

Основным недостатком линейного гидродросселя является зависимость его характеристики от вязкости рабочей жидкости, а следовательно, и от температуры. Из-за этой температурной нестабильности характеристики линейные гидродроссели в системах управления объемными гидроприводами практически не применяются.

Квадратичные гидродроссели.

Характеристика этих гидродросселей мало зависит от температуры рабочей жидкости, поэтому они получили наибольшее распространение в объемных гидроприводах.

Простейшим настраиваемым гидродросселем является жиклер (рис. 1, б) очевидно, что если такой гидродроссель по условиям работы гидросистемы должен обеспечить достаточно большой перепад давления при относительно малых расходах, то при этом в гидродросселе необходимо иметь отверстие очень малой площади.Однако тогда высока вероятность его засорения, а значит, самопроизвольного изменения характеристики гидродросселя, т. е. надежность работы такого гидродросселя будет низкой.

На практике при решении подобной задачи используются пакетные гидродроссели (рис. 1, в). Такой гидродроссель состоит из набора шайб, отверстия в которых смещены друг относительно друга.

Варианты условных обозначений настраиваемого (нерегулируемого) гидродросселя в схемах гидросистем приведены на (рис. 1, г).

В регулируемых гидродросселях наиболее часто используются крановые, золотниковые, клапанные (в частности, игольчатые) запорно-регулирующие элементы, а также дроссели типа «сопло— заслонка».Рассмотрим конструктивные особенности этих типов гидродросселей.

У кранового гидродросселя (рис. 1, д) изменение площади проходного сечения обеспечивается за счет поворота в корпусе 2 на некоторый угол φ запорно-регулирующего элемента (крана) 4 вокруг оси, нормальной плоскости рисунка.

Недостатком конструкции такого гидродросселя является то, что его запорно-регулирующий элемент не разгружен от давления в потоке жидкости. Это при значительном рабочем давлении является причиной возрастания момента, необходимого для управления краном. Поэтому крановые гидродроссели используются в низконапорных гидросистемах.

У золотникового гидродросселя (рис. 1, е, ж) изменение площади проходного сечения обеспечивается за счет некоторого осевого смещения х запорно-регулирующего элемента (золотника) 5 в отверстии корпуса 2.

На рисунке даны два варианта конструкции золотникового гидродросселя. В золотниковом гидродросселе, показанном на рис. 1, е, запорно-регулирующий элемент 5 не разгружен от давления. Поэтому усилие управления им зависит от давления в потоке жидкости, что является недостатком.

На практике такие конструкции используются только в гидросистемах с низким рабочим давлением. В золотниковом гидродросселе, конструкция которого приведена на рис. 1, ж, жидкость под давлением поступает между двумя поясками золотника. Возникающие при этом силы давления, действующие на золотник в осевом направлении, взаимно уравновешиваются. Усилие управления при этом должно преодолевать только силу трения между золотником 5 и гильзой (корпусом) 2.

Торцевые полости в корпусе этого гидродросселя, как правило, сообщаются с гидробаком дренажными гидролиниями.

В клапанном, или игольчатом, гидродросселе (рис. 1, з) изменение площади проходного сечения происходит за счет вертикального перемещения запорно-регулирующего элемента 6 с углом конуса β относительно седла 7 (элемент 6 приближается к седлу или удаляется от него). Недостатком гидродросселя является то, что его запорно-регулирующий элемент не разгружен от давления в потоке жидкости, а значит усилие, необходимое для управления, зависит от этого давления.

В гидродросселе типа «сопло—заслонка» (рис. 1, и) изменение площади проходного сечения происходит за счет перемещения запорно-регулирующего элемента 8 (плоская заслонка) относительно сопла 9 (элемент 8 приближается к соплу или удаляется от него).

Следствием этого является изменение расстояния х от заслонки до торца сопла, а следовательно, изменение сопротивления гидродросселя потоку жидкости вытекающему из него. Следует обратить внимание на то, что в этом гидродросселе усилие, необходимое для управления заслонкой, пропорционально потерям давления на гидродросселе. Эта зависимость может использоваться при проектировании систем автоматического управления объемным гидроприводом.

Устройство регулируемого дросселя

Площадь проходного сечения, выполненного в корпусе дросселя 1 изменяется в зависимости от положения запорно-регулирующнго элемента. В представленном примере показан игольчатый дроссель с коническим запорно-регулирующим элементом.

В момент касания поверхностей конуса и отверстия в корпусе, проходное сечение дросселя полностью закроется, течение жидкости через дроссель в этом случае невозможно.

При вращении рукоятки конус будет перемещаться. При его перемещении влево, проходное сечение дросселя будет увеличиваться, при перемещении вправо — уменьшаться.

Управление расходом рабочей жидкости

Для изменения скорости движения штоков гидроцилиндров двустороннего действия или частоты вращения приводных валов реверсивных гидромоторов применяют гидроаппараты, управляющие расходом рабочей жидкости (РЖ), которые в зависимости от свойств разделяют на два основных конструктивных исполнения: дросселирующие и регулирующие.

Дросселирующие гидроаппараты предназначены для создания гидравлического сопротивления потоку путем дросселирования расхода РЖ, который в свою очередь зависит от потери давления. К дросселирующим гидроаппаратам относятся синхронизаторы расходов (делители и сумматоры потока) и гидродроссели нерегулируемые и регулируемые, в том числе с обратным клапаном или без него.

Регулирующие гидроаппараты предназначены для поддержания заданного значения расхода независимо от значений перепада давлений в подводимом и отводимом потоках РЖ. К регулирующим гидроаппаратам относятся регуляторы расхода двухлинейные с изменяемым расходом на выходе и со стабилизацией в зависимости от температуры РЖ и трехлинейные с изменяемым расходом на выходе со сливом избыточного расхода в другую гидролинию или в бак гидросистемы.

Большинство дросселирующих гидроаппаратов представляют собой местные гидравлические сопротивления, в которых изменение расхода зависит от площади проходного сечения вследствие потери давления Р из-за деформации потока РЖ.

Типы проходных сечений дросселей

Рассмотрим наиболее распространенные типы регулируемых дросселей.

Игольчатый дроссель

Конический или игольчатый запорно-регулируемый элемент перекрывает отверстие. Дросселирующая щель в переставленной конструкции коротка, смоченный периметр — небольшой.

Главным достоинством игольчатого дросселя является незначительное влияние вязкости на характеристики, а недостатком — чувствительность к чистоте рабочей жидкости из=за возможности попадания засорений в малый зазор при небольших расходах.

Щелевой дроссель

Запорно-регулирующий элемент, перемещаясь в гильзе, полностью или частично перекрывает дросселирующие отверстие.

Как и игольчатый дроссель чувствителен к загрязнениям, при этом пригоден для работы в широком диапазоне вязкости рабочей жидкости.

Щелевой дроссель лучше использовать для регулирования больших расходов.

Дроссель с продольной канавкой

В запорно-регулирующем элементе выполнена наклонная лыска и канавка прямоугольного или треугольного сечения. Величина сопротивления дросселя определяется положением запорно-регулирующего элемента относительно отверстия, выполненного в гильзе.

Дросселирующая щель в аппаратах данного типа относительно короткая, смоченный периметр небольшой.

Дроссели с продольной канавкой хорошо приспособлены для работы на малых расходах.

Вычисление расхода через дроссель

Величина расхода жидкости через дроссель зависит от размера дроссельной щели и перепада давления на дросселе. Расход через дроссель можно определить по формуле:

где Q — расход, А — площадь проходного сечения дроссельной щели, ΔP — перепад давления на дросселе, ρ — плотность рабочей жидкости, k — коэффициент расхода (k=0,6. 0,9)

Так как расход через дроссельную щель зависит от давления на ее входе и выходе, дроссели используют для регулировки скорости движения выходных звеньев гидродвигателей (например гидроцилиндров) с постоянной нагрузкой, либо в приводах где изменение скорости при перемене нагрузки допустимо или желательно.

Если влияние нагрузки на скорость движения выходного звена нагрузки — используют специальные устройства — регуляторы расхода.

Дроссельное регулирование

Дросселем называют гидравлическое сопротивление, которое устанавливают для регулирования потока жидкости, следовательно, и скорости выходного звена гидропривода. Конструкции дросселей будут рассмотрены ниже.

Скорость перемещения поршня в цилиндре или частоту вращения вала гидромотора можно регулировать, изменяя сопротивление дросселя.

В зависимости от места установки дросселя в схеме гидропривода по отношению к гидродвигателю различают три способа дроссельного регулирования:

— дроссель «на входе» (рис.13.16);

— дроссель «на выходе» (рис.13.17);

— дроссель «на ответвлении» (рис.13.18).

Рис.13.16 Рис.13.17 Рис. 13.18

дроссельные устройства.По конструкции дроссели подразделяются на нерегулируемые (обозначение ) и регулируемые (обозначение ), а по виду гидравлических потерь в дросселях — на линейные и нелинейные.

В линейных дросселях движению жидкости препятствует сопротивление трения жидкости о стенки канала. Для получения больших сопротивлений сечение канала уменьшают, а длину увеличивают. В дросселях такого типа устанавливается ламинарный режим движения жидкости, при котором перепад давления прямо пропорционален первой степени скорости или расхода и может быть вычислен по формуле

,

где d – диаметр, например, капилляра; — коэффициент динамической вязкости; l

— длина; — перепад давления на дросселе.

Примером линейного нерегулируемого дросселя может служить, капилляр. встроенный в основной трубопровод (рис.13.19). Для увеличения расхода устанавливают пакет капилляров (рис.13.20).

Рис.13.19

Рис.13.20

Примером линейного регулируемого дросселя может служить пробка с винтовой нарезкой, помещенной в хорошо пригнанный по наружному диаметру корпус (рис.13.21). Длину нарезки можно менять, следовательно, будет меняться и расход через дроссель.

Рис.13.21

Следует отметить нестабильность работы системы с линейным дросселем, так как его сопротивление зависит от вязкости жидкости, которая изменяется с изменением температуры.

В нелинейных дросселях широко используют местные сопротивления в виде диафрагм и насадков. В дросселях такого типа устанавливается турбулентный режим движения жидкости, при котором перепад давлений пропорционален второй степени скорости или расхода; последний может быть вычислен по формуле

,

где — коэффициент расхода; — площадь отверстия дросселя; — перепад давления на дросселе.

Примером нелинейного нерегулируемого дросселя является калиброванное отверстие (диафрагма) 1, установленное в основной поток жидкости (рис.13.22), или пакет пластичных дросселей.

Рис.13.22

Примерами нелинейных нерегулируемых дросселей могут быть золотники и краны различных конструкций (рис.13.23).

Рис.13.23

Так как в нелинейном дросселе потери энергии связаны с отрывом потока и вихреобразованиями, а потери от трения минимальны, то гидравлическое сопротивление такого дросселя практически не зависит от вязкости жидкости и изменения температуры. Нелинейные дроссели обеспечивают стабильность характеристики Q=f(Δp) в большом диапазоне чисел Re.

анализ работы гидропривода с дроссельным регулированием.В системах дроссельного регулирования характерным условием является неравенство

,

а применительно к гидроприводу поступательного движения

(13.2)

где Qн – подача насоса; — эффективная площадь гидроцилиндра; Vmax- максимальная скорость штока гидроцилиндра.

При таком условии избыточная часть жидкости от насоса отводится через переливной клапан в гидроемкость не выполнив никакой работы.

Система с дросселем «на входе» (рис.13.24).

Рис.13.24

В гидросистеме между насосом 1 и гидрораспределителем 3 установлен дроссель А, от настройки которого зависит скорость поршня в цилиндре 4. если сохранено условие (13.2), то избыток жидкости отводится через переливной клапан 2, при этом в нагнетательной полости насоса и перед дросселем удерживается постоянное давление, соответствующее настройке клапана 2.

Рассмотрим работу этой системы и выясним, как влияет на скорость поршня изменение полезной нагрузки Р при неизменной настройке дросселя.

Допустим, что поршень со штоком перемещается вправо. Давление рабочей жидкости в левой полости обозначим рраб, в правой – рпр (противодавление), силу трения – Т, полезную нагрузку – Р.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра:

.

В этом уравнении силу трения Т и силу от противодавления можно принять постоянными.

Следовательно, если изменится внешняя нагрузка Р, то должно измениться давление pраб. Так как дроссель А установлен последовательно к гидроцилиндру, то Qдр = Qгц. Расход, например, через нелинейный дроссель

;

.

Так как рп.к.= const, то расход через дроссель, следовательно, и скорость поршня гидроцилиндра будут меняться с изменением внешней нагрузки Р.

Система с дросселем на входе допускает регулирование скорости гидродвигателя только в том случае, если направление действия нагрузки не совпадает с направлением движения выходного звена. Действительно, если нагрузка направлена в ту же сторону, что и движение выходного звена системы, то при уменьшении подачи жидкости через дроссель поршень может перемещаться быстрее, чем будет заполняться полость цилиндра. Произойдет разрыв потока в магистрали перед поршнем.

Кроме того, например, в грузоподъемных машинах поднятый груз при опускании может упасть, так как внешняя нагрузка – груз – будет преодолевать при опускании только силу трения поршня о цилиндр и противодавление в сливной линии. Поэтому для стабилизации сил трения на сливной магистрали устанавливается подпорный клапан 5 (или демпфер), создающий противодавление рпр в нерабочей полости цилиндра. Давление подпора не должно быть больше 0,2…0,3 МПа.

Система с дросселем на выходе. В гидравлической системе (рис.13.25) дроссель В подключен на сливной магистрали после распределителя 3. скорость поршня здесь определяется объемом жидкости, который вытесняется из штоковой полости цилиндра 4 через дроссель В в гидроемкость.

Рис.13.25

Проанализируем работу этой системы и установим влияние изменения нагрузки Р на скорость поршня.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра:

.

Если сохраняется условие, при котором > , то давление рраб в процессе не изменяется и соответствует настройке переливного клапана 2 рп.к, т.е. . Силы трения Т для данного механизма почти неизменны. Так как по условию нагрузки Р величина переменная, то из уравнения равновесия следует, что противодавление рпр тоже будет переменным.

Давление перед дросселем «В» при некотором допущении может быть принято равным рпр, а после дросселя – почти атмосферному рат. Поэтому перепад давления в дросселе при подключении последнего на выходе является величиной переменной. Следовательно, переменным будет расход жидкости через дроссель и скорость поршня.

Система с дросселем «на выходе» более предпочтительна, чем система с дросселем «на входе». Во-первых, тепло, выделяющееся при прохождении через дроссель, отводится в гидроемкость, не нагревая гидродвигатель. Во-вторых, эту систему целесообразно, применять в монтажных механизмах, т.к. перекрывая дроссель В, можно мгновенно останавливать в нужном положении поднятый груз.

В рассмотренных выше системах дроссельного регулирования мощность, потребляемая насосом, постоянна и независима от внешней (полезной) нагрузки Р.

Система с дросселем на ответвлении.Рассмотрим третий возможный способ подключения дросселя в систему – на ответвлении (рис.13.26).

Поток жидкости, идущий от насоса 1, разделяется по двум направлениям: к гидроцилиндру 4 через распределитель 3 и через дроссель С, который установлен в ответвлении параллельно силовому цилиндру. Скорость поршня как и в предыдущих системах, определяется настройкой дросселя С.

Рис.13.26

При закрытом дросселе скорость поршня максимальна. По мере открытия его часть жидкости начинает циркулировать в гидроемкость, а скорость поршня соответственно уменьшается. Если при полном открытии дросселя сопротивление, оказываемое им и магистралью после дросселя, меньше, чем в цилиндропоршневой группе и подпорном клапане 5, то вся жидкость от насоса будет отводиться через дроссель в гидроемкость, а поршень остановится.

При указанном расположении золотника в распределителе 3 к насосу подключена поршневая полость гидроцилиндра 4, давление в которой рраб определяется нагрузкой Р+Т. Если нагрузка в процессе работы изменяется, то перепад давления в дросселе зависит от нагрузки. Следовательно, расход жидкости через дроссель и скорость выходного звена меняются.

Клапан 2 в системе включается в работу эпизодически в момент перегрузок, выполняя, таким образом, только функцию предохранительного устройства.

Мощность, потребляемая насосом, и давление в полости нагнетания пропорциональны полезной нагрузке, поэтому гидросистема с дросселем, установленным параллельно силовому цилиндру, экономичней систем с дросселем «на входе» и «на выходе», так как к.п.д. ее выше.

Из анализа работы гидравлических систем с дроссельным способом регулирования скорости следует, что независимо от места расположения дросселя не обеспечивается постоянство скорости поршня при неизменной настройке дросселя, если нагрузка в процессе работы изменяется. Объясняется это нестабильным перепадом давления в дросселе.

Поэтому напрашивается само собой устройство, в котором автоматически поддерживался бы постоянным перепад давления на дросселе с изменением нагрузки на выходном звене. Такое устройство называется дроссель-регулятором. Этот аппарат состоит из дросселя и редукционного клапана, размещенных в общем корпусе. Расход жидкости устанавливается дросселем, а постоянство разности давления до и после дросселя обеспечивается автоматически редукционным клапаном.

Дросселем называют гидравлическое сопротивление, которое устанавливают для регулирования потока жидкости, следовательно, и скорости выходного звена гидропривода. Конструкции дросселей будут рассмотрены ниже.

Скорость перемещения поршня в цилиндре или частоту вращения вала гидромотора можно регулировать, изменяя сопротивление дросселя.

В зависимости от места установки дросселя в схеме гидропривода по отношению к гидродвигателю различают три способа дроссельного регулирования:

— дроссель «на входе» (рис.13.16);

— дроссель «на выходе» (рис.13.17);

— дроссель «на ответвлении» (рис.13.18).

Рис.13.16 Рис.13.17 Рис. 13.18

дроссельные устройства.По конструкции дроссели подразделяются на нерегулируемые (обозначение ) и регулируемые (обозначение ), а по виду гидравлических потерь в дросселях — на линейные и нелинейные.

В линейных дросселях движению жидкости препятствует сопротивление трения жидкости о стенки канала. Для получения больших сопротивлений сечение канала уменьшают, а длину увеличивают. В дросселях такого типа устанавливается ламинарный режим движения жидкости, при котором перепад давления прямо пропорционален первой степени скорости или расхода и может быть вычислен по формуле

,

где d – диаметр, например, капилляра; — коэффициент динамической вязкости; l

— длина; — перепад давления на дросселе.

Примером линейного нерегулируемого дросселя может служить, капилляр. встроенный в основной трубопровод (рис.13.19). Для увеличения расхода устанавливают пакет капилляров (рис.13.20).

Рис.13.19

Рис.13.20

Примером линейного регулируемого дросселя может служить пробка с винтовой нарезкой, помещенной в хорошо пригнанный по наружному диаметру корпус (рис.13.21). Длину нарезки можно менять, следовательно, будет меняться и расход через дроссель.

Рис.13.21

Следует отметить нестабильность работы системы с линейным дросселем, так как его сопротивление зависит от вязкости жидкости, которая изменяется с изменением температуры.

В нелинейных дросселях широко используют местные сопротивления в виде диафрагм и насадков. В дросселях такого типа устанавливается турбулентный режим движения жидкости, при котором перепад давлений пропорционален второй степени скорости или расхода; последний может быть вычислен по формуле

,

где — коэффициент расхода; — площадь отверстия дросселя; — перепад давления на дросселе.

Примером нелинейного нерегулируемого дросселя является калиброванное отверстие (диафрагма) 1, установленное в основной поток жидкости (рис.13.22), или пакет пластичных дросселей.

Рис.13.22

Примерами нелинейных нерегулируемых дросселей могут быть золотники и краны различных конструкций (рис.13.23).

Рис.13.23

Так как в нелинейном дросселе потери энергии связаны с отрывом потока и вихреобразованиями, а потери от трения минимальны, то гидравлическое сопротивление такого дросселя практически не зависит от вязкости жидкости и изменения температуры. Нелинейные дроссели обеспечивают стабильность характеристики Q=f(Δp) в большом диапазоне чисел Re.

анализ работы гидропривода с дроссельным регулированием.В системах дроссельного регулирования характерным условием является неравенство

,

а применительно к гидроприводу поступательного движения

(13.2)

где Qн – подача насоса; — эффективная площадь гидроцилиндра; Vmax- максимальная скорость штока гидроцилиндра.

При таком условии избыточная часть жидкости от насоса отводится через переливной клапан в гидроемкость не выполнив никакой работы.

Система с дросселем «на входе» (рис.13.24).

Рис.13.24

В гидросистеме между насосом 1 и гидрораспределителем 3 установлен дроссель А, от настройки которого зависит скорость поршня в цилиндре 4. если сохранено условие (13.2), то избыток жидкости отводится через переливной клапан 2, при этом в нагнетательной полости насоса и перед дросселем удерживается постоянное давление, соответствующее настройке клапана 2.

Рассмотрим работу этой системы и выясним, как влияет на скорость поршня изменение полезной нагрузки Р при неизменной настройке дросселя.

Допустим, что поршень со штоком перемещается вправо. Давление рабочей жидкости в левой полости обозначим рраб, в правой – рпр (противодавление), силу трения – Т, полезную нагрузку – Р.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра:

.

В этом уравнении силу трения Т и силу от противодавления можно принять постоянными.

Следовательно, если изменится внешняя нагрузка Р, то должно измениться давление pраб. Так как дроссель А установлен последовательно к гидроцилиндру, то Qдр = Qгц. Расход, например, через нелинейный дроссель

;

.

Так как рп.к.= const, то расход через дроссель, следовательно, и скорость поршня гидроцилиндра будут меняться с изменением внешней нагрузки Р.

Система с дросселем на входе допускает регулирование скорости гидродвигателя только в том случае, если направление действия нагрузки не совпадает с направлением движения выходного звена. Действительно, если нагрузка направлена в ту же сторону, что и движение выходного звена системы, то при уменьшении подачи жидкости через дроссель поршень может перемещаться быстрее, чем будет заполняться полость цилиндра. Произойдет разрыв потока в магистрали перед поршнем.

Кроме того, например, в грузоподъемных машинах поднятый груз при опускании может упасть, так как внешняя нагрузка – груз – будет преодолевать при опускании только силу трения поршня о цилиндр и противодавление в сливной линии. Поэтому для стабилизации сил трения на сливной магистрали устанавливается подпорный клапан 5 (или демпфер), создающий противодавление рпр в нерабочей полости цилиндра. Давление подпора не должно быть больше 0,2…0,3 МПа.

Система с дросселем на выходе. В гидравлической системе (рис.13.25) дроссель В подключен на сливной магистрали после распределителя 3. скорость поршня здесь определяется объемом жидкости, который вытесняется из штоковой полости цилиндра 4 через дроссель В в гидроемкость.

Рис.13.25

Проанализируем работу этой системы и установим влияние изменения нагрузки Р на скорость поршня.

Составим уравнение равновесия поршня силового цилиндра:

.

Если сохраняется условие, при котором > , то давление рраб в процессе не изменяется и соответствует настройке переливного клапана 2 рп.к, т.е. . Силы трения Т для данного механизма почти неизменны. Так как по условию нагрузки Р величина переменная, то из уравнения равновесия следует, что противодавление рпр тоже будет переменным.

Давление перед дросселем «В» при некотором допущении может быть принято равным рпр, а после дросселя – почти атмосферному рат. Поэтому перепад давления в дросселе при подключении последнего на выходе является величиной переменной. Следовательно, переменным будет расход жидкости через дроссель и скорость поршня.

Система с дросселем «на выходе» более предпочтительна, чем система с дросселем «на входе». Во-первых, тепло, выделяющееся при прохождении через дроссель, отводится в гидроемкость, не нагревая гидродвигатель. Во-вторых, эту систему целесообразно, применять в монтажных механизмах, т.к. перекрывая дроссель В, можно мгновенно останавливать в нужном положении поднятый груз.

В рассмотренных выше системах дроссельного регулирования мощность, потребляемая насосом, постоянна и независима от внешней (полезной) нагрузки Р.

Система с дросселем на ответвлении.Рассмотрим третий возможный способ подключения дросселя в систему – на ответвлении (рис.13.26).

Поток жидкости, идущий от насоса 1, разделяется по двум направлениям: к гидроцилиндру 4 через распределитель 3 и через дроссель С, который установлен в ответвлении параллельно силовому цилиндру. Скорость поршня как и в предыдущих системах, определяется настройкой дросселя С.

Рис.13.26

При закрытом дросселе скорость поршня максимальна. По мере открытия его часть жидкости начинает циркулировать в гидроемкость, а скорость поршня соответственно уменьшается. Если при полном открытии дросселя сопротивление, оказываемое им и магистралью после дросселя, меньше, чем в цилиндропоршневой группе и подпорном клапане 5, то вся жидкость от насоса будет отводиться через дроссель в гидроемкость, а поршень остановится.

При указанном расположении золотника в распределителе 3 к насосу подключена поршневая полость гидроцилиндра 4, давление в которой рраб определяется нагрузкой Р+Т. Если нагрузка в процессе работы изменяется, то перепад давления в дросселе зависит от нагрузки. Следовательно, расход жидкости через дроссель и скорость выходного звена меняются.

Клапан 2 в системе включается в работу эпизодически в момент перегрузок, выполняя, таким образом, только функцию предохранительного устройства.

Мощность, потребляемая насосом, и давление в полости нагнетания пропорциональны полезной нагрузке, поэтому гидросистема с дросселем, установленным параллельно силовому цилиндру, экономичней систем с дросселем «на входе» и «на выходе», так как к.п.д. ее выше.

Из анализа работы гидравлических систем с дроссельным способом регулирования скорости следует, что независимо от места расположения дросселя не обеспечивается постоянство скорости поршня при неизменной настройке дросселя, если нагрузка в процессе работы изменяется. Объясняется это нестабильным перепадом давления в дросселе.

Поэтому напрашивается само собой устройство, в котором автоматически поддерживался бы постоянным перепад давления на дросселе с изменением нагрузки на выходном звене. Такое устройство называется дроссель-регулятором. Этот аппарат состоит из дросселя и редукционного клапана, размещенных в общем корпусе. Расход жидкости устанавливается дросселем, а постоянство разности давления до и после дросселя обеспечивается автоматически редукционным клапаном.

Исполнения промышленных дросселей

В промышленных гидроприводах применяют дроссели стыкового, фланцевого, модульного, встраиваемого монтажа.

Дроссели стыкового и фланцевого монтажа изготавливаются, как правило, для больших расходов.

Встраиваемые дроссели размещают в специальной монтажной плите, в которой выполнены соответствующие каналы, либо в корпусе, который может обеспечить, резьбовой, фланцевый, модульный или стыковой монтаж.

Модульный монтаж позволяет расположить дроссель совместно с другими элементами в общей модульной плите.

Разновидности гидродросселей

На рисунке представлены обозначения гидродросселей двух типов:

а) регулируемый тип; б) нерегулируемый тип.

На схеме дроссель обозначается в виде сужения потока. Стрелка указывает, что возможно изменение сопротивления извне. К типу (а) (регулируемые дроссели) относятся изделия, у которых внешним воздействием изменяется площадь сечения рабочего потока.

Гидравлические дроссели классифицируются по конструкции запорного элемента. Наиболее распространены:

Принцип действия

Изменение гидравлического сопротивления создает перепад давления между узлами гидросхемы.

Перепад давления находится в прямой зависимости от расхода и площади проходного сечения и в обратной – от плотности рабочей жидкости.

Соотношение описывается выражением:

Q = µ∙S

µ – коэффициент расхода (≈0,7);

ρ – плотность жидкости, г/см3.

На скорость работы механизма также влияет геометрия дросселирующей щели, которая может быть конической, прямой, кольцевой и пр.

Важный параметр – характеристика дросселя. Это зависимость падения давления в распределителе от расхода проходящей через него рабочей жидкой среды. По типу соответствующего уравнения гидродроссели бывают линейные и квадратичные (нелинейные).

Гидродроссели, регулируемые, с обратным клапаном

Гидродроссель — это местное гидравлическое сопротивление, предназначенное для снижения давления в потоке рабочей жидкости.Очень важен в работе современной гидравлики.

Гидродроссель представляет собой регулирующий гидроаппарат. Особенностью его является то, что поток жидкости, проходящий через гидродроссель, не влияет на размер его проходного сечения.

Под характеристикой гидродросселя понимается зависимость потерь давления в гидродросселе (перепада давления на гидродросселе) от расхода Q рабочей жидкости, проходящей через него. По виду этой зависимости различают линейные и квадратичные дроссели.

Гидродроссели линейные

Другие названия – вязкостные или инерционные. Проходное сечение имеет прямой профиль. Потери давления и расход на дросселе изменяются в зависимости от длины канала. Внутри создается ламинарное течение жидкости. Поэтому данный вид может используется только в маломощных системах с потерями давления ниже 0,3 МПа.

Чем длиннее проходной канал, тем выше площадь сечения, что предохраняет гидродроссель от скопления грязи и мусора на поверхности.

Существенный недостаток линейной конструкции – зависимость от вязкости жидкости и, как следствие, от температуры потока. Это резко ограничивает применение устройств в случае больших объемов двигателей.

Купить дроссель гидравлический регулируемый и нерегулируемый в Челябинске

ДКМ ДР и ДК ДРЖ КВМК МДО ПГ77

Гидродроссели нелинейные

Это распространенный тип дросселей, т.к. на его работу практически не влияет температура жидкости, а режим течения внутри турбулентный. Это позволяет применять устройства в мощных гидроприводах.

Характеристика описывается квадратичной зависимостью разницы давлений от расхода. При высокой скорости жидкости местное сопротивление вызывает завихрения и деформацию потока. Управление движением происходит за счет изменения количества сопротивлений либо площади сечения квадратичного дросселя.

Классификация по типам регулирования и устройства

По типу управления гидродроссели могут быть управляемыми или неуправляемыми. В первом случае оператору доступно варьировать величину проходного канала; во втором – площадь рабочего сечения изменению не подлежит. На практике часто неуправляемый тип совмещают с другими регулирующими механизмами.

По типу конструкции гидродроссели делятся на устройства прямого действия и регуляторы скорости. Расход жидкости в дросселе прямого действия зависит от перепада давления на входе и выходе. В регуляторе скорости расход рабочей среды не зависит от внешних нагрузок и является постоянной величиной.

Регулируемые гидродроссели

Рассмотрим самые распространенные виды.

Щелевой. Широко применяется, в том числе на гидромоторах больших объемов. В проходном отверстии установлена полая пробка со щелью для потока. При повороте пробки изменяется площадь сечения. Таким образом, вязкость потока не оказывает влияния на пропускную способность. Недостатком является подверженность загрязнению.

Игольчатый. Запорно-регулирующий элемент имеет формы конуса. Дросселирующее отверстие короткое, омываемая поверхность малая. Как в предыдущем варианте, характеристика не сильно зависит от вязкости и температуры жидкости. Однако есть высокий риск засорения.

Трехлинейные дросселирующие распределители с фиксированным жиклером – FR*A

Трехлинейные дросселирующие распределители Sun Hydraulics с фиксированным жиклером и компенсацией давления сочетают в себе перепускные и ограничительные функции. Распределители содержат в своей конструкции сменный фиксированный жиклер для регулировки основного потока, выходящего через линию 3. Основные эксплуатационные характеристики:

• Возможность изготовления жиклеров различной пропускной способности — от 0,4 до 200 л/мин в зависимости от типоразмера (в данной серии имеется пять типоразмеров);
• Как основной, так и перепускной потоки могут быть использованы для регулировки рабочего давления гидросистемы;
• При повышении расхода на входе точность регулировки основного расхода снижается, если давление в основной линии становится больше, чем в перепускной. Если давление в перепускной линии превышает давление в основной, точность регулировки расхода максимальна. См. графики рабочих характеристик в соответствующих разделах каталога;
• Стабильная работа при широких колебаниях температуры;
• Прохождение потока через перепускную линию невозможно, если параметры основного потока не отрегулированы;
• При блокировке потока в основной линии также перекрывается перепускная линия.
• В связи с этим после клапана в основной линии рекомендуется установка предохранительного клапана;
• Установленные при производстве значения номинального расхода лежат в пределах +/- 15% от значений, указанных заказчиком;
• В качестве опции возможно изготовление дросселей с регулировочным винтом, позволяющим регулировать расход в пределах +/- 25% от заводской настройки.

Формы гидродросселей

Простейшая конструкция напоминает по внешнему виду шайбу или комбинацию шайб. У таких дросселей, как правило, имеются заостренные кромки, предотвращающие загрязнение.

Более сложные и объёмные изделия (нелинейные) имеют квадратную форму. Для высокоскоростных и мощных потоков рекомендуется использовать одновременно комплект дросселей (пакетные гидродроссели). Такое решение минимизирует риски выхода из строя. Количество шайб определяет силу сопротивления. При расчете таких дросселей учитывается взаимное расположение шайб и удаленность отверстий друг от друга. Имеют значение также диаметры проходных отверстий.

Среди квадратичных дросселей с точки зрения расчетов наиболее простым является гидродроссель с золотниковым запорно-регулирующим элементом.

Явление облитерации

В техническом смысле облитерация – это заращивание сечения отверстия в процессе эксплуатации. Для дросселя площадь рабочего сечения не может снижаться бесконечно. Существует нижняя граница, по достижении которой стабильность работы дросселя резко снижается.

Твердые включения, содержащиеся в рабочих средах, могут задерживаться материалом запирающих элементов, оседать в микротрещинах. Происходит постепенное накопление частиц. Если их размеры приближаются к габаритам щели, есть риск полного заращивания с утратой пропускной функции. Восстановление расхода произойдет при расширении рабочего окна.

Помимо механического загрязнения облитерацию может вызвать и адсорбция стенками дросселирующей щели поляризованных частиц жидкости. Молекулы со временем образуют слой толщиной до 10 мкм, влияя на местное сопротивление.

Площадь проходного сечения постепенно уменьшается. При небольших рабочих сечениях может произойти полная облитерация. Избавиться от наслоения частиц можно вращательными или поступательными движениями одной из поверхностей относительно другой. Разрушение адсорбированного слоя поляризованных частиц приведет к восстановлению необходимого расхода.

Для предотвращения адсорбции молекул в конструкцию вносят изменения, предусматривающие осцилляции или вращения рабочего тела дросселя. В результате проходное окно не засоряется и не задерживает поляризованные молекулы. Облитерация не происходит.