Дросельне регулювання

Відносно витрат тиску, при регулюванні послідовно включеним дроселем, байдуже, де виникає дроселювання потоку: на вході в гідродвигун або на виході.

Однак дроселювання потоку на виході має свої переваги. При цьому гідродвигун працює більш стійко, особливо при знакозмінному навантаженні. Є можливість регулювання гідроприводу при негативних навантаженнях, тобто при напрямку подоланої сили R убік переміщення поршня. Крім того, при установці дроселя в зливній гідролінії тепло, що виділяється при дроселюванні потоку рідини, відводиться в бак без нагрівання гідродвигуна, як це має місце в схемі із дроселем на вході. У результаті гідродвигун працює в більше сприятливих умовах.

 

 

При включенні регулюючого дроселя паралельно гидродвигуну (рис. 3) потік робочої рідини в точці М розгалужується: один потік через розподільник 4 спрямовується в гідроциліндр 5, а інший - у регулюючий дросель 3. Клапан 6 у цьому випадку є запобіжним. Він відкривається лише при надмірному підвищенні тиску в системі.

 

Рис.3. Схема гідроприводу із дросельним регулюванням при паралельному включенні дроселя:

1 - гідробак; 2 - насос; 3 - дросель; 4 - розподільник;

5 - гідроциліндр; 6 - запобіжний клапан.

Швидкість  вихідної ланки - штока гідроциліндра регулюється зміною ступеня відкриття дроселя. Чим вона більша, тим більша частка подачі насоса направляється не в гідроциліндр, а в гідробак і тем менше швидкість  . При повному відкритті дроселя швидкість поршня зменшується до нуля або до мінімального значення залежно від навантаження R.

Для паралельного включення дроселя, припускаючи, що втрати тиску в розподільнику і гідролініях відсутні, маємо:

 

 (8)

 , (9)

 

де  і  - витрата та перепад тиску на гідроциліндрі.

Рівняння (9) записано на підставі рівняння втрат тиску в паралельних трубопроводах.

При цьому швидкість поршня з урахуванням (8) визначається рівнянням:

 

 (10)

 

Підставивши у рівняння (6) рівняння (9) отримаємо:

 

 , (11)

 

підставивши (11) в (10), отримаємо рівняння для визначення швидкості руху поршня при паралельному включенні дроселя:

 

 . (12)

На рис. 4 показані навантажувальні характеристики гідроприводу при його регулюванні паралельно включеним дроселем, побудовані за формулою (12) для ряду постійних значень:

 

Рис.4. Навантажувальні характеристики гідроприводу при паралельному включенні дроселя

 

На відміну від характеристик при послідовному включенні дроселя, вони мають протилежну кривизну і виходять із однієї точки, що відповідає  і  . Навантаження  , що викликає гальмування вихідної ланки, зменшується зі збільшенням ступеня відкриття дроселя. 

При паралельному включенні дроселя виключається можливість регулювання при напрямку подоланої сили уздовж штока убік його переміщення (за аналогією із дроселем послідовно на вході).

 

 

При дросельному регулюванні і будь-якому випадку включення дроселя повний ККД гідроприводу визначається як втратами енергії в насосі і гідродвигуні, так і втратами, зумовленими процесом керування.

Тому доцільно ввести поняття ККД процесу керування  , що є відношенням потужності потоку  , витраченої в гідродвигуні, до потужності потоку  , що подається насосом, тобто:

 

 (13)

 

Величина  оцінює втрати потужності на регулювання швидкості вихідної ланки гідроприводу.

Повний ККД гідроприводу  дорівнює добутку ККД насоса, ККД процесу керування  та ККД гідродвигуна  . 

Наприклад, при використанні гідроциліндра ККД гідроприводу  дорівнює:

 

 , (14)

 

де Nз - потужність, затрачувана насосом.

Якщо втрати в насосі, гідродвигуні і трубопроводах відсутні ( = = 1), тоді повний ККД гідроприводу дорівнює ККД процесу керування  =  .

Для аналізу ККД процесу керування  застосуємо безрозмірні величини, тобто величини, віднесені до максимально можливих їх значень, а саме до гідроциліндра.

Відносне навантаження рівне відносному перепаду тиску на гідроциліндрі дорівнює:

 

 (15)

 

Відносна швидкість поршня, яка дорівнює відносній витраті, що підводиться до гідроциліндра визначається з рівняння:

 

 ; (16)

 

Відносна площа прохідного отвору дроселя (ступінь відчинення дроселя) визначається з рівняння:

 

 (17)

 

Величиною  визначається частка тиску насоса, яка використовується в гідродвигуні, а величиною  - частка подачі насоса, що спрямовується у гідродвигун.

З формули повного ККД (з урахуванням, що утрати на насосі відсутні) получимо:

 

 (18)

Швидкість V max знаходиться з рівняння:

 

 (19)

 

Прийнявши, що R = 0 і S др = Sдр.max, маємо:

 

 (20)

 

Прийнявши, що коефіцієнт витрати дроселя m не залежить від ступеня його відкриття, визначимо відносну швидкість поршня:

 

 (21)

 

Звідси:

 

 (22)

 

На підставі рівнянь можна представити втрати  при дросельному регулюванні з послідовним його включенням, у двох варіантах:

 

 (23)

 (24)

З рівнянь видно, що ККД  буде максимальним при  , тобто при повному відкритті дроселя. Оптимальні значення  і  знаходять дослідженням на максимум.

Наприклад, якщо продиференціювати рівняння (24) при  по V і прирівняємо похідну до нуля, то отримаємо:

 

 (25)

 

Звідси оптимальна швидкість буде дорівнювати:

 

 

 

а максимальний ККД з рівняння (24)

 

 

 

З рівняння (22) випливає, що відносне навантаження при цьому дорівнює:

 

 .

 

Таким чином, навіть при ККД насоса і гідродвигуна рівних одиниці, ККД регульованого гідроприводу з послідовним включенням дроселя не може бути більше 0,385. Це значення, як бачимо з попереднього, виходить як добуток:

 

Настільки низьке значення ККД пояснюється тим, що навіть на оптимальному режимі роботи гідроприводу тільки 58% подачі насоса направляється в гідродвигун (інше йде через клапан) і лише 2/3 тиску насоса використовується в гідродвигуні (інше втрачається в дроселі), тобто втрати потужності відбуваються одночасно і у дроселі і у клапані.

Залежності ККД процесу керування від відносної швидкості і відносного навантаження (рис. 5) побудовані за формулами (23, 24) для ряду постійних значень ступеня відкриття дроселя. Варто мати на увазі, що загальний ККД гідроприводу буде ще нижче за рахунок втрат потужності в насосі і гідродвигуні.

 

 

Рис. 5. Залежність ККД процесу керування: а - від відносної швидкості поршня; (  ); б - від відносного навантаження, ( )

ККД гідроприводу при паралельному включенні дроселя визначається так само, як і при послідовному за формулою (14), а при припущенні, що , він дорівнює ККД процесу керування  . Останній визначається за формулою (13) тобто для гідро циліндра:

 

 , (26)

 

де для розглянутого випадку:

 

 (27)

 

Отже, при паралельному включенні дроселя, на відміну від рівнянь (23) і (24) маємо:

 

 (28)

 

де відносна швидкість поршня дорівнює:

 

 (29)

 

Таким чином, у цьому випадку ККД процесу керування однозначно визначається відносною витратою рідини через дросель або, що те ж саме, ступенем відкриття дроселя:

 

 . (30)

 

 

1. Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2008.

2. Кулінченко В.Р. Гідравліка, гідравлічні машини і гідропривід: Підручник. -Київ: Фірма «Інкос», Центр навчальної літератури, 2006.

3. Гiдроприводи та гiдропневмоавтоматика: Пiдручник / В.О. Федорець, М.Н. Педченко, В.Б. Струтинський та iн. за ред. В.О. Федорця. — К: Вища школа, 2008.