5.3. Цилиндры прямолинейного движения

Цилиндр прямолинейного движения представляет собой объемный гидродвигатель с ограниченным возвратно-поступательным движением выходного звена. В зависимости от конструкции рабочей камеры гидроцилиндры подразделяют на поршневые, плунжерные, телескопические, мембранные и сильфонные. Наибольшее распространение в гидросистемах ВС получили поршневые цилиндры благодаря простой конструкции и высокой надежности.

Силовой цилиндр, применяющийся для прямолинейных движений, состоит из цилиндра 1 и поршня 2 со штоком 3 (рис. 5.2).

Дифференциальный силовой цилиндр показан на рис. 5.2, а, конструкция симметричного силового цилиндра – на рис. 5.2, б и цилиндра одностороннего действия – на рис. 5.2, в.

Рис. 5.2. Схемы цилиндров двухстороннего (а и б) и

одностороннего (в) действия

Движущие усилие на штоке цилиндра и скорость его перемещения без учета потерь на трение и утечки определяют по формулам

где – перепад давления на поршне; – эффективная площадь поршня; – подача жидкости в цилиндр.

Для уменьшения ударных нагрузок при подходе поршня к упорам в конструкции цилиндра предусмотрены демпферы. Плавное торможение в конце хода достигается за счет запирания демпфирующего объема жидкости (рис. 5.2, а) и вытеснения запертого объема через дроссель д.

Демпфирующую силу и перепад давления на дросселе вычисляют по формулам:

;

где площадь цилиндра демпфера; расход жидкости через дроссель демпфера; – коэффициент расхода дросселя; f – площадь дроссельного отверстия.

5.4. Регулирование скорости гидродвигателей

Различают два основных способа регулирования частоты вращения гидромотора и скорости перемещения штоков гидроцилиндров: дроссельный и объемный.

При дроссельном регулировании частота вращения вала гидромотора зависит от гидравлического сопротивления линии, в которую включен гидромотор. Сопротивление линии регулируется дросселем, установленным последовательно или параллельно с гидромотором. Дроссельный способ регулирования используют преимущественно в гидросистемах эпизодического действия или в системах небольших мощностей, что обусловлено сравнительно низким кпд этого способа регулирования. Основным достоинством гидропривода с дроссельным регулированием является простая конструкция входящих в нее машин (насос и гидродвигатель – нерегулируемые).

При объемном регулировании изменение частоты вращения достигается изменением рабочего объема насоса или мотора. Объемное регулирование требует применения гидромашин регулируемого типа. Достоинством гидропривода с объемным регулированием является его высокая экономичность и жесткая нагрузочная характеристика. Скорость этого привода незначительно зависит от нагрузки.

Схема передачи с объемным регулированием и график зависимости скорости от нагрузки показаны на рис. 5.3. В состав передачи с объемным регулированием входят бак 1, регулируемый гидромотор 2, предохранительный клапан 3 и регулируемый насос 4.

Расчетную зависимость частоты вращение вала гидромотора от нагрузки получают из уравнений расхода:

; .

Поскольку при замкнутой циркуляции потока жидкости в передаче , то частота вращения вала гидромотора будет равна

. (5.3)

Для гидромашин аксиально-поршневого типа

,

где и – диаметры делительных окружностей блоков цилиндров насоса и мотора; и – углы установки наклонных дисков соответственно у насоса и мотора; и – диаметры поршней насоса и мотора; и – количество поршней у насоса и у мотора.

Рис. 5.3. Схема (а) и нагрузочная характеристика (б)

передачи с объемным регулированием скорости

График зависимости частоты вращения вала гидромотора от момента (давления) нагрузки принято называть нагрузочной или механической характеристикой передачи (рис. 5.3, б).

Из уравнения (5.2) следует, что уменьшение частоты вращения мотора с ростом момента нагрузки обусловлено ростом утечек. График зависимости имеет такой же вид, как и график зависимости . При увеличении нагрузки от нулевого до номинального значения частота вращения гидромотора снижается на величину (рис. 5.3, б)

.

Для передач со значениями 0,95 … 0,97 относительное уменьшение частоты вращения составляет величину порядка 6 … 10 %. Таким образом, объемный способ регулирования обеспечивает высокую “жесткость” механической характеристики привода.

Диапазон регулирования частоты вращения передачи с объемным регулированием составляет примерно : = 1 : 30, если регулируется одновременно насос и мотор.

Дроссельное регулирование применяется преимущественно в системах с гидрогенератором (насосом) постоянного давления.

Таким генератором может служить нерегулируемый насос, работающий совместно с автоматом разгрузки и гидропневматическим аккумулятором, центробежный насос или регулируемый насос, работающий в режиме постоянного давления.

Дроссель в системах с const устанавливается либо в линии питания гидромотора (на входе), либо в сливной магистрали (на выходе). Схемы с дросселем в сливной магистрали обеспечивают двухстороннюю жесткость питаемого гидромотора, поэтому такие системы можно применять при колеблющихся и знакопеременных нагрузках. Кроме того, схемы с дроссельным регулятором в сливной магистрали более устойчивы против автоколебаний.

Нагрузочную характеристику передачи с дроссельным регулированием скорости при последовательном включении регулятора рассчитывают из уравнений расхода для дросселя и двигателя и уравнения перепадов давления:

; ;

; .

Откуда

, (5.4)

где

.

Из зависимости (5.4) следует, что нагрузочная характеристика привода с дроссельным регулированием описывается выражением вида корня квадратного из перепада давления на дросселе. Жесткость нагрузочной характеристики привода с дроссельным регулированием, особенно в области максимальных нагрузок, невелика. В точке характеристики, где гидропривод останавливается. Схема и нагрузочная характеристика передачи с дросселем, включенным последовательно с гидромотором, показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Схема (а) и нагрузочная характеристика (б)

передачи с дроссельным регулированием скорости

при последовательном включении дросселя

Реже применяют системы дроссельного регулирования, в которых давление определяется нагрузкой гидродвигателя. В такой системе излишек подачи насоса сбрасывается в бак через дроссель, установленный параллельно с мотором. Подача насоса делится на два параллельных потока, один из которых идет на слив в бак, а второй поступает в гидромотор.

Уравнение расходов для системы с параллельно включенным дросселем имеет вид

Давление в системе соответствует давлению нагрузки:

.

Система с параллельно включенным дросселем потребляет мощность, меньшую номинальной мощности установленного в ней насоса, что снижает нагрев жидкости. Последнее обусловлено тем, что давление в этой системе пропорционально нагрузке и лишь при максимальном ее значении может достигнуть номинального значения.

Недостатком системы с = var является ее пониженная жесткость и необходимость индивидуального источника питания для каждого потребителя.

Для систем дроссельного регулирования скорости существуют оптимальные режимы работы. Для определения соотношения между давлением нагрузки и давлением питания, при котором мощность двигателя максимальна (потери в системе для упрощения расчетов не учитываются), используют выражение для расчета мощности двигателя в системе с последовательной установкой дросселя:

.

В точке характеристики, где , производная равна нулю, т. е.

. (5.5)

Решив уравнение (5.5), получают

.

При оптимальной нагрузке кпд передачи с дроссельным регулированием составит

;

.

Системы дроссельного регулирования можно применять лишь в передачах малых мощностей или в передачах, работающих эпизодически. Практически при мощностях более 10 кВт при использовании этих систем возникают трудности теплоотвода.

Частоту вращения гидромотора в системе с переливным клапаном (рис. 5.5) можно определить графическим методом.

Рис. 5.5. Схема дроссельного регулирования скорости гидромотора

в системе с переливным клапаном

На рис. 5.6 показаны характеристики дросселя 4, переливного клапана 2, гидромотора 3, нагрузка на который предполагается постоянной, и насоса 1, построенные в координатах .

Рис. 5.6. Характеристика гидромотора в системе

с переливным дросселем

Суммируя по давлениям характеристики 4 и 3, а затем складывая с полученной характеристику 2 по расходам, находят точку А пересечения результирующей характеристики с характеристикой насоса.

Точка А является рабочей точкой системы. Из рис. 6 следует, что различные расходы , а значит, и различную скорость гидромотора можно получить, изменяя сопротивление дросселя (т. е. характеристику 4).

При полностью заторможенном гидромоторе рабочей точкой системы будет точка В. Давление, создаваемое насосом, равно , а подача . На линии СА характеристика системы будет соответствовать объемному регулированию (до открытия переливного клапана). От А до В режим регулирования – дроссельный.

Пример. Рассчитать усилие на штоке гидроцилиндра и скорость его перемещения при дроссельном регулировании скорости в режиме оптимального использования давления питания без учета объемных и механических потерь, если сечение регулирующего дросселя f = 1 мм²,

давление в напорной магистрали = 21 МПа, рабочая площадь поршня = 20 см², коэффициент расхода дросселя = 0,7, плотность жидкости 0,89 Н·с²·м^-4.

Расчетное усилие на штоке

Н.

Расход жидкости через дроссель

м³/с.

Скорость штока

мм/с.

Методические указания

При изучении данного раздела необходимо уяснить принцип обратимости гидравлических объемных машин, а также различие в конструкции насосов и гидромоторов. Основное требование к насосу и гидромотору – высокая герметичность внутренних полостей. Гидромотор помимо этого должен иметь малые потери на трение.

Обратимая машина насос-мотор не должна иметь самодействующего клапанного распределения. Необходимо знать, что важнейшим параметром гидромотора является его рабочий объем. Аналогичную роль для гидроцилиндра играет полезная площадь поршня.

Затем следует ознакомиться со способом регулирования скорости гидродвигателей – объемным и дроссельным – и провести сравнение их достоинств и недостатков. Объемное регулирование обеспечивает высокую «жесткость» механические характеристики привода. Дроссельное регулирование конструктивно обеспечивается более простыми средствами, однако имеет низкий КПД и малую жесткость нагрузочной характеристики.

Литература: [1, c. 158–167]; [2, c. 490–536]; [3, c. 350–356].