ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ДРОССЕЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ГИДРОДВИГАТЕЛЯ

ABSTRACT

In the proposed article, various methods of throttle control are considered. The speed of movement of the rod of the working hydraulic cylinder of the hydraulic drive was studied when implementing a combination of the "Inlet throttle" and "Outlet throttle" schemes.

The load characteristics of the hydraulic drive are obtained, that is, the dependence of the speed of the hydraulic cylinder rod on the magnitude of the load to be overcome.

АННОТАЦИЯ

В предлагаемой статье рассмотрены различные способы дроссельного регулирования. Изучена скорость движения штока рабочего гидроцилиндра гидравлического привода при реализации комбинации схем «Дроссель на входе» и «Дроссель на выходе».

Получены нагрузочные характеристики гидравлического привода, то есть зависимость скорости движения штока гидравлического цилиндра от величины преодолеваемой нагрузки.

Keywords: throttling speed control, sequencing choke, throttling efficiency.

Ключевые слова: дроссельное регулирование скорости, последовательное включение дросселя, эффективность дроссельного регулирования.

ВВЕДЕНИЕ

В объемном гидроприводе существуют два способа регулирования скорости движения выходного звена исполнительного гидродвигателя – объемное (машинное) и дроссельное [1, 2].

Регулирование скорости гидропривода – это изменение ее по определенному закону с поддержанием заданного значения. Процесс регулирования может осуществляться вручную, автоматизированно (с участием оператора) или автоматически (без участия оператора).

При дроссельном регулировании скорость гидродвигателя регулируют при помощи гидравлического сопротивления – дросселя.

Целью данного исследования является изучение наиболее распространенных способов дроссельного регулирования и экспериментальное исследовании регулировочные характеристики гидропривода с дросселирующим распределителем.

Регулируемый дроссель как устройство управления объемным расходом рабочей жидкости, в силу особенностей своей расходно-перепадной характеристики, не может обеспечить независимость скорости движения выходного звена исполнительного гидродвигателя от преодолеваемой нагрузки [3].

По возможности регулирования дроссели могут быть постоянными (площадь сечения неизменна) и переменными (площадь сечения может изменяться). По характеру течения жидкости дроссели разделяются на линейные (ламинарные) и квадратичные.

В линейных дросселях перепад давлений создается за счет трения жидкости о стенки канала. Для этого обеспечена значительная площадь контакта жидкости со стенками. Перепад давлений пропорционален скорости потока. Недостаток – зависимость сопротивления от вязкости и температуры жидкости.

В квадратичных дросселях потери давления обеспечиваются за счет местных потерь при резком сужении, расширении и повороте потока. Здесь площадь контакта стенок с жидкостью минимальна. Перепад давлений пропорционален квадрату скорости потока. Преимущество – сопротивление не зависит от температуры и вязкости жидкости.

В зависимости от места установки дросселя по отношению к гидродвигателю существуют следующие способы дроссельного регулирования:

1. Последовательная установка дросселя: «Дроссель на входе», «Дроссель на выходе»

2. Параллельная установка «Дроссель на ответвлении»

3. Дифференциально-дроссельная схема. 

Последовательная установка дросселя

Установкой дросселя ДР последовательно с гидродвигателем (гидроцилиндром Ц) ограничивают подачу рабочей жидкости или слив ее. При этом избыток рабочей жидкости, подаваемой от насоса Н постоянной производительности, отводится в гидробак с помощью переливного клапана КП (Рис. 1), настраиваемого на номинальное давление.

Рисунок 1.Схемы подключения дросселей последовательно на входе (а) на выходе (б)

При установке дросселя ДР в напорной магистрали («на входе») ограничивается заполнение напорной полости гидроцилиндра Ц рабочей жидкостью, что и обеспечивает ограничение его скорости. При этом в сливной полости гидроцилиндра Ц не создается противодавления (Рис. 1 а), что отрицательно сказывается на жесткости гидропривода в условиях переменной нагрузки Р (с возрастанием нагрузки Р скорость v снижается, гидропривод с запаздыванием реагирует на изменение нагрузки и направление движения). Это обусловлено медленным нарастанием давления в напорной полости гидроцилиндра Ц вследствие медленного заполнения этой полости жидкостью через дроссель. С целью повышения жесткости в сливную магистраль для создания противодавления (подпора), как правило, приходится устанавливать дополнительный аппарат (напорный клапан).

Преимущество такой схемы – низкое давление на сливе (при отсутствии подпорного клапана) и, следовательно, возможность использования в сливной магистрали трубопроводов с низкой прочностью. Недостатки: разогрев жидкости в дросселе ДР перед входом в гидродвигатель (что увеличивает утечки из-за пониженной вязкости), низкая жесткость, повышенная инерционность, невозможность использования при попутной нагрузке (направление которой совпадает с направлением движения). Последний недостаток обусловлен затрудненной заполняемостью напорной полости гидроцилиндра Ц; при ускорении его поршня под действием попутной нагрузки возможен разрыв сплошности потока (полость Ц не успевает заполняться жидкостью), что приведет к возникновению кавитации [5]

Наибольшее распространение получили схемы с дросселем в сливной магистрали («на выходе») (Рис. 1 б). В этом случае ограничение скорости гидроцилиндра Ц происходит благодаря торможению поршня противодавлением (подпором) в сливной полости. Достоинством такого варианта является подача рабочей жидкости в гидродвигатель непосредственно от насоса Н и создание подпора в сливной полости за счет сопротивления дросселя ДР, что повышает жесткость, улучшает динамические характеристики.

Преимущества: данную схему возможно использовать при обоих направлениях нагрузки, поскольку поршень гидродвигателя всегда затормаживается давлением подпора на сливе. При повышении нагрузки снижение скорости менее интенсивно, запаздывание реагирования на изменение нагрузки и реверс меньше. Недостаток – повышенное давление на сливе.

При установке дросселя на ответвлении (Рис. 2 а) параллельно гидроцилиндру Ц или на ответвлении напорной магистрали насоса Н. Часть нагнетаемого насосом Н потока проходит на слив через дроссель ДР, другая часть – в гидроцилиндр Ц. Усилие на поршне пропорционально перепаду давлений на дросселе ДР. За счет этого при неизменной нагрузке Р скорость гидроцилиндра v при уменьшении площади сечения ДР возрастает. В отличие от последовательных схем, напорный клапан КП настраивается на максимальное давление и используется только в качестве предохранительного.

Преимущества: мощность насоса Н пропорциональна нагрузке Р (более благоприятные условия работы насоса), отсутствие аварийного режима работы при засорении или полном закрытии дросселя ДР. Недостатки: малая жесткость (интенсивное снижение скорости v при возрастании нагрузки Р), запаздывание срабатывания при изменении нагрузки Р.

Рисунок 2. Схема подключения дросселей параллельно:

«Дроссель на ответвлении» (а); дифференциально-дроссельная схема (б)

При дифференциально-дроссельном регулировании (Рис. 2, б) отсутствует потребность в распределительных устройствах для реверсирования движения поршня гидроцилиндра Ц. Направление движения и скорость зависят от настройки дросселя Др2. Равенство максимальных значений скорости в прямом и обратном направлении обеспечивается при условии, когда площадь сечения штока равна половине площади поршня.

В данной схеме рабочая жидкость от насоса Н подается в штоковую полость гидроцилиндра Ц под давлением  Давление  в левой (бесштоковой) полости гидроцилиндра Ц будет меньше на величину падения давления на дросселе Др1, что зависит от нагрузки Р и настройки дросселя Др2 (при постоянной площади сечения дросселя Др1).

Изменяя сопротивление дросселя Др2, можно установить соотношение давлений и  обратно пропорционально активным площадям поршня в штоковой и в бесштоковой  полостях. В этом случае при нагрузке близкой к нулю (в пределах силы трения) поршень Ц будет находиться в покое. Увеличивая или уменьшая сопротивление дросселя Др2, можно обеспечить, соответственно, выдвижение и втягивание штока гидроцилиндра.

Преимущества данной схемы: возможность плавной остановки и реверса гидроцилиндра, пропорциональность мощности насоса Н нагрузке на гидроцилиндре (то есть более благоприятные условия работы насоса Н).

Недостатки дифференциально-дроссельной схемы: малая жесткость (интенсивное снижение скорости v при возрастании нагрузки Р), запаздывание срабатывания при изменении нагрузки Р, невозможность фиксации поршня при выключенном насосе (жидкость будет перетекать между полостями Ц через дроссель Др1).

Экспериментальное определение зависимости скорости гидродвигателя (гидроцилиндра) подъема стрелы от угла наклона рукоятки дросселирующего распределителя при различных усилиях нагрузки.

Принципиальная схема гидропривода подъема стрелы с управлением от дросселирующего гидрораспределителя представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема гидропривода подъема стрелы с управлением от дросселирующего гидрораспределителя [5]

Распределитель РП1 одновременно реализует комбинацию схем «Дроссель на входе» и «Дроссель на выходе». При смещении золотника РП1-3 перекрывается слив жидкости в гидробак и частично открывается проход жидкости в напорную полость и из сливной полости гидроцилиндра ГЦ2. Чем больше угол отклонения рукоятки РП1, тем больше площадь сечения окон для прохода жидкости в напорную полость и из сливной полости ГЦ2. Давление нагрузки измеряется датчиком давления ДД5, перемещение гидроцилиндра – датчиком ДП2. Сигналы с датчиков преобразуются в цифровой код, обрабатываются компьютерной программой «СГУ-ГПМ. Измерения» и выдаются в виде диаграмм и численных массивов.

Нагрузка зависит от вылета манипулятора (угла между стрелой и рукоятью) и массы груза. Во время эксперимента задаются следующие варианты нагрузки:

- вылет максимальный, груз отсутствует;

- вылет максимальный, масса груза 3 кг;

- вылет минимальный, масса груза 20 кг;

- угол между стрелой и рукоятью 36⁰, масса груза 20 кг;

Давление нагрузки измеряется при минимальном расстоянии между грузом и основанием манипулятора. Значение давления выводится на экран программы (рисунок 4).

Рисунок 4. Значения измеряемых величин (правая часть окна программы) [5].

Сокращения в наименованиях величин: Р – давление, ГЦ – гидроцилиндр, ПП – поршневая полость, ШП – штоковая полость Указанные на рисунке величины измеряются непрерывно. Для построения диаграмм напротив выбранных величин в программе устанавливаются «галочки». Для каждой величины график имеет свой цвет.

Каждому цвету присвоен номер (от 1 до 10), соответствующий порядку расположения выбранных величин (сверху вниз).

Так, на рисунке 4 первым по порядку является ход ГЦ подъема стрелы, вторым – давление в поршневой полости ГЦ подъема стрелы. Соответственно, график зависимости хода от времени имеет №1 и синий цвет; график зависимости давления подъема стрелы имеет №2.

Пример диаграмм (графиков) приведен на рисунке 4. Такая диаграмма строится программой для каждого давления нагрузки и угла наклона рукоятки распределителя. Скорость подъема стрелы определяется по графику следующим образом:

- выбирается линейный участок графика и две отметки времени, с, (по горизонтальной оси);

- определяются соответствующие этим отметкам значения хода гидроцилиндра, мм, (по вертикальной оси); цена деления вертикальной шкалы 5 мм;

- вычисляется скорость, мм/с, как отношение разности значений хода к разности значения времени;

- другой способ – определение скорости как тангенса угла наклона линейной части графика к горизонтальной оси;

Рисунок 4. Пример графиков зависимостей хода ГЦ стрелы и давления в его поршневой полости от времени [5]

Кран Кр1 используется для пуска и остановки гидроцилиндра стрелы при отклоненной рукоятке РП1-3 на момент снятия показаний.

Порядок проведения эксперимента:

1. Подключить ЭВМ к аналого-цифровому преобразователю измерительной системы установки.

2. Включить питание установки и измерительной системы.

3. Запустить программу обработки сигналов, настроить режим «Регистрация».

4. Настроить прием сигналов с датчиков давления поршневой полости и перемещения гидроцилиндра стрелы ГЦ2.

5. Включить насосы установки нажатием кнопок «Пуск Насоса Н1», «Пуск Насоса Н2».

6. Привести рукоять манипулятора в вытянутое положение, а стрелу – в нижнее.

7. Открыть кран Кр1.

8. Установить рукоятку распределителя РП1-3 на требуемый угол по шкале и зафиксировать винтом.

9. Нажать в окне программы кнопку «Запуск измерения».

10. Закрыть кран Кр1, убедиться в начале движения стрелы.

11. В окне программы нажать кнопку «Остановка измерения». Сохранить полученный график.

12. После остановки стрелы открыть кран Кр1.

13. Повторить действия 7 – 13 для четырех значений угла наклона рукоятки распределителя.

14. Освободить и возвратить рукоятку РП1-3 в нейтральное положение.

15. Захватить манипулятором груз массой 3 кг.

16. Повторить действия 6 – 14.

17. Захватить манипулятором груз массой 20 кг.

18. Привести рукоять манипулятора в подтянутое положение, а стрелу – в нижнее так, чтобы между грузом и платформой было расстояние 15…20 мм.

19. Повторить действия 7 – 14.

20. Установить угол между стрелой и рукоятью 36⁰ (контролируется по показаниям в окне программы).

21. Привести стрелу в положение, при котором между грузом и платформой будет расстояние 15…20 мм.

22. Повторить действия 7 – 14.

23. Повторить действие 6, а затем 7 – 14.

24. Вернуть груз 20 кг на платформу.

25. Привести рукоять в подтянутое положение, а стрелу – в нижнее.

26. Выключить насосы нажатием кнопок «Стоп».

27. Закрыть окно программы обработки, выключить ЭВМ.

28. Отключить питание измерительной системы и лабораторной установки. Отсоединить ЭВМ от измерительной системы.

29. Рассчитать скорость подъема стрелы по полученным.

30. Определить усилие нагрузки на гидроцилиндре стрелы по формуле:

Fн=Рн*

31. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 1.

Результаты измерений усилия нагрузки и скорости гидродвигателя

Таблица 1.

Результаты измерений и расчетов при испытании гидропривода стрелы манипулятора с дросселирующим распределителем.

Дроссельное регулирование в объемном гидроприводе характеризуется существенным влиянием преодолеваемой нагрузки на скорость движения выходного звена исполнительного гидродвигателя.

Крутизна скоростной нагрузочной характеристики при последовательном включении регулируемого дросселя увеличивается с увеличением нагрузки.

Крутизна скоростной нагрузочной характеристики при регулировании перепуском рабочей жидкости в бак уменьшается с увеличением нагрузки. (рисунок 5).

Рисунок 5. Графики зависимости скорости гидроцилиндра от угла наклона рукоятки РП1распределителя при различных усилиях нагрузки: Р=7 МПа, 10 МПа, Р=12 МПа, Р=15 МПа.

Выводы по результатам исследования:

1. При установке дросселя на входе скорость поршня зависит от величины полезной нагрузки, и чем выше полезная нагрузка, тем ниже скорость. Регулирование скорости с помощью дросселя на входе возможно, но рабочая жидкость от насоса проходит вся через дроссель и нагревается, что снижает эффективность привода.

При установке дросселя на входе нельзя допускать чтобы направление нагрузки совпадало с движением поршня, так как возможен разрыв потока масла из-за того, что дроссель ограничивает расход жидкости. При дросселировании на входе в механизме, который обслуживает силовой гидроцилиндр, никогда не реверсируют направление на выходе.

2. При установке дросселя на выходе ограничений нет. Дросселирование на выходе имеет большие возможности как по величине структурной неоднородности, так и по возможности изменять условия нагружения.

3. В конструктивном исполнении, ввиду отсутствия дорогостоящих регулируемых насосов, гидропривод с дроссельным регулированием дешевле и может быть использован в многоканальном гидроприводе с централизованной питающей установкой [4].

4. Регулирование скорости гидроцилиндра дросселем имеет общий недостаток, что скорость поршня изменяется при изменении нагрузки, а это значит, что в гидроприводах, где требуется постоянство скорости, такие системы не пригодны. Поэтому данный вид регулирования скорости возможно во вспомогательных механизмах станков.

5. Дроссельное регулирование гидравлического привода, с энергетической позиции, является бесперспективным, но достаточно большой ряд задач объёмного гидропривода трудно разрешить без его применения на практике [6].

Список литературы:

1. Гидравлика, гидромашины и гидропривод: учебник / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1982. 423 с.
2. Никитин О.Ф. Гидравлика и гидропневмопривод: учеб. пособие. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 430 с.
3. Гинзбург А.А., Пинчук В.В. Использование дроссельного регулирования скорости // Современные проблемы машиноведения: VI Междунар. науч.-техн. конф. (науч. чтения, посвященные П.О. Сухому) (Гомель, Беларусь, 19-20 октября 2006 г.): Тез. докл. Гомель, 2006. С. 140-141.
4. Ефремова К.Д., Пильгунов В.Н. Анализ эффективности дроссельного регулирования скорости в объемных гидроприводах // Машиностроение и компьютерные технологии, 2019. № 02. С. 13–33.
5. Исследовательский комплекс для изучения процессов работы гидропривода крано-манипулятрных установок «Гидравлический перегрузочный манипулятор» СГУ-ГПМ Описание лабораторных работ, ООО НПП «Учебная практика – Профи». С. 14-15.
6. Зубрилов Г.Ю., Мельников В.Г., Щеглов Е.М., Дроссельное регулирование скорости выходного звена гидроцилиндра грузоподъемного механизма // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2018 № 8, с 126.
7. Павлов А.И., Щепин В.Д., Вдовин С.Л., Никоноров К.Н., Коротков П.А. Гидравлические и пневматические системы и приводы: лабораторный практикум: Ч. 1 Поволжский государственный технологический университет, 2021. – 130 с.