Принципы изменения скорости при гидроприводах

Категория:
Металлорежущие станки


Принципы изменения скорости при гидроприводах

Объемное изменение скорости при гидроприводах вращательного движения. Объемное изменение скорости вращательного движения гидродвигателя осуществляется либо путем изменения производительности насоса, либо путем изменения пропускной способности гидродвигателя, либо путем совместного изменения производительности насоса и пропускной способности гидродвигателя. В последнем случае может быть получен наиболее широкий диапазон изменения чисел оборотов вала гидродвигателя. Насос переменной производительности подает масло к гидродвигателю с переменной пропускной способностью. В диапазоне чисел оборотов RH, являющимся нижней частью общего диапазона R, изменение чисел оборотов вала гидродвигателя осуществляется путем изменения производительности насоса при постоянной максимальной пропускной способности гидродвигателя. В диапазоне чисел оборотов Rd изменение чисел оборотов осуществляется путем изменения пропускной способности гидродвигателя при максимальной производительности насоса.

Рис. 1. Схемы гидроприводов вращательного движения с объемным изменением скорости.

В диапазоне RH крутящий момент М, развиваемый гидродвигателем при постоянном давлении р, остается постоянным, так как величина крутящего момента является функцией давления и установленной пропускной способности гидродвигателя, которые остаются неизменными. Мощность в диапазоне RH возрастает с увеличением числа оборотов гидродвигателя.

В диапазоне Rd число оборотов гидродвигателя увеличивается благодаря уменьшению пропускной способности гидродвигателя, т. е. благодаря уменьшению эксцентриситета или угла наклона диска. Уменьшение эксцентриситета или угла наклона диска приводит при постоянном давлении к уменьшению крутящего момента. Мощность в диапазоне Rd соответственно остается примерно постоянной.

Как видно из полученного выражения, при малой настроенной производительности насоса QPH утечки очень сильно влияют на к. п. д. привода, который при низких числах оборотов падает до значений 0,25—0,30.

Настроенное число оборотов гидродвигателя изменяется с изменением нагрузки. При изменении нагрузки изменяется давление в системе, а вместе с тем и величина утечек. Так, при увеличении нагрузки утечки возрастают, количество эффективно используемого в гидродвигателе масла уменьшается и настроенное число оборотов гидродвигателя падает, а при уменьшении нагрузки происходит обратное явление.

Гидроприводы этого типа применялись на отдельных моделях зарубежных станков — токарных, револьверных и др., однако вследствие сложности конструкции, невысокого к. п. д. и нестабильности чисел оборотов они не получили сколько-нибудь значительного распространения.

Несколько более простую конструкцию имеет привод с насосом переменной производительности и гидродвигателем с постоянной пропускной способностью, схема которого представлена на рис. 1, в. Диапазон изменения чисел оборотов гидродвигателя при данной схеме уже. Характер изменения мощности, крутящих моментов и к. п. д. соответствует изображениям на рис. II. 99, б кривым для диапазона RH.

Реверсирование гидродвигателя может быть осуществлено изменением направления потока масла.

В подобных схемах могут быть использованы рассмотренные выше лопастные и аксиально-поршневые гидродвигатели с постоянной пропускной способностью.

Гидроприводы этого типа могут быть использованы для осуществления возвратно-поступательных движений рабочих органов в тех случаях, когда большая длина хода делает нецелесообразным применение поршневых двигателей прямолинейного движения. Вращательное движение гидропривода преобразуется в прямолинейное с помощью рассмотренных выше механизмов.

Дроссельное изменение скорости при гидроприводах вращательного движения. При дроссельном изменении скорости в гидроприводах используются насосы постоянной производительности и гидродвигатели с постоянной пропускной способностью. Изменение скорости осуществляется с помощью дросселя — отверстия с регулируемым поперечным сечением. Конструктивные формы дросселей будут рассмотрены ниже.

Как видно из приведенных выражений, расход жидкости через дроссель при одной и той же настроенной площади поперечного сечения будет зависеть от перепада давлений.

При дроссельном изменении чисел оборотов применяются три основные варианта схемы, представленные на рис. 2, а—в.

В гидросхеме, представленной на рис. 2, а, насос постоянной производительности подает масло через дроссель к гидродвигателю с постоянной пропускной способностью. Так как через дроссель при настроенном поперечном сечении и установившемся перепаде давления может пройти только определенное количество жидкости, то избыток жидкости, подаваемой насосом, сливается обратно в бак через переливной клапан.

В схеме, представленной на рис. 2, б, дроссель расположен на сливном трубопроводе и ограничивает количество масла, пропускаемого гидродвигателем. Избыток масла, так же как в предыдущем случае, сливается через переливной клапан в бак. Скорость вращения гидродвигателя определяется количеством масла, пропускаемого дросселем.

В схеме, представленной на рис. 2, в, дроссель установлен параллельно гидродвигателю. Масло подаваемое насосом, частично сливается через дроссель в бак, частично поступает к гидродвигателю. В зависимости от величины настроенного поперечного сечения дросселя большая или меньшая часть масла будет сливаться в бак и соответственно будет изменяться количество масла, поступающего к гидродвигателю. Клапан в данной схеме является предохранительным и срабатывает только при перегрузке, возникающей при тех или иных неполадках в работе привода.

Рассмотрим вопрос о стабильности настроенного числа оборотов гидроприводов с дроссельным изменением числа оборотов. Эффективный крутящий момент на валу гидродвигателя является функцией разности давлений на входе и выходе гидродвигателя.

Рис. 2. Схемы гидроприводов вращательного движения с дроссельным изменением скорости.

При установке дросселя на выходе (схема б) давление на входе в гидродвигатель равно давлению, развиваемому насосом и является постоянным. Таким образом, при изменении момента сил сопротивления изменяется величина противодавления рпр, которое равно давлению на входе в дроссель. Давление на выходе из дросселя является постоянным. При увеличении момента сил сопротивления величина противодавления р„р падает, перепад давления на дросселе и расход через дроссель уменьшаются. Так как количество масла, которое проходит через гидродвигатель, равно расходу через дроссель, то с уменьшением расхода снижается также скорость вращения гидродвигателя. При уменьшении момента сил сопротивления противодавление рпр возрастает, что приводит к увеличению скорости вращения гидродвигателя.

При параллельном дросселировании (схема в) постоянным является противодавление рпр и соответственно изменение величины момента сил сопротивления вызывает изменение давления на входе ре, которое в данной схеме является также давлением на входе в дроссель р2. При увеличении момента сил сопротивления давление ре возрастает, возрастает также перепад давления на дросселе и расход через дроссель и соответственно в гидродвигатель поступает меньшее количество масла, что приводит к уменьшению скорости вращения гидродвигателя. При уменьшении момента сил сопротивления давление рв падает, что приводит к увеличению скорости вращения гидродвигателя.

Поскольку колебания скорости вращения гидродвигателя при изменении величины рабочего сопротивления могут достигать значительной величины, то схемы а—в с простым дросселированием заменяются схемами г—е, в которых обеспечивается стабилизация скорости. Стабилизация скорости достигается путем поддержания постоянства перепада давления на дросселе, для чего используются редукционные клапаны той или иной конструкции.

В схеме г, аналогичной схеме а, редукционный клапан устанавливается перед дросселем. Масло поступает к дросселю через щель, которая образуется кромками отверстия междроссельной камеры и золотника редукционного клапана. При перемещении золотника вверх поперечное сечение щели будет уменьшаться, что приведет к падению давления перед дросселем. При “опускании золотника вниз сечение щели будет увеличиваться, что приведет к возрастанию давления перед дросселем. Перемещение золотника происходит автоматически в зависимости от изменения давления на выходе из дросселя.

Под действием пружины золотник стремится опуститься вниз. Нижняя полость цилиндра, в котором находится грибообразный поршень золотника, связана каналом с входом дросселя и в ней устанавливается давление, равное давлению на входе в дроссель, которое стремится приподнять золотник и уменьшить сечение щели, а соответственно и давление на входе в дроссель.

В схеме е (в) производительность насоса также не зависит от скорости гидродвигателя, но давление, развиваемое насосом, зависит от величины момента сил сопротивления, поэтому мощность, потребляемая насосом, изменяется с изменением величины момента сил сопротивления и к. п. д. этой схемы выше, чем двух предыдущих. Однако он остается все же низким при малых скоростях вращения гидродвигателя, так как производительность насоса остается постоянной независимо от скорости. Несмотря на более высокий к. п. д., эта схема не находит применения вследствие влияния утечек на величину настроенной скорости.

Рис. 3. Схемы гидроприводов вращательного движения с дроссельным изменением скорости и повышенным к. п. д.

Недостатки, связанные с влиянием утечек, устраняются при использовании схемы, представленной на рис. 3, а, в которой так же, как в схеме рис. 2, давление, развиваемое насосом, зависит от величины момента сил сопротивления и которая соответственно имеет более высокий к. п. д.

Масло, подаваемое насосом, поступает через междроссельную камеру к дросселю. Часть масла проходит через щель и по трубопроводу направляется в бак. Под действием пружины золотник стремится опуститься вниз и уменьшить проходное сечение щели. Снизу на золотник действует давление масла, поступающего по каналу от входа дросселя, а сверху — давление масла, поступающего по каналу от выхода дросселя. Золотник, так же как в рассмотренном выше случае, поддерживает постоянство перепада давления на дросселе путем изменения величины щели. При повышении давления на выходе дросселя вследствие увеличения момента сил сопротивления золотник опускается вниз и уменьшает сечение щели, вследствие чего давление на входе повышается. При уменьшении давления на выходе давление, действующее на входе, поднимает золотник, сечение щели увеличивается и давление на входе падает.

Давление, развиваемое насосом, равно давлению на входе дросселя и изменяется с изменением момента сил сопротивления.

Изменение величины утечек не оказывает влияния на стабильность настроенной скорости, так как количество масла, поступающего к гидродвигателю, зависит только от перепада давления на дросселе, который поддерживается постоянным. Изменение величины утечек приводит к изменению количества масла, поступающего через щель в бак.

Подобные схемы дроссельного изменения скорости называются схемами с дозирующим клапаном.

Вследствие низкого к. п. д. рассмотренных схем дроссельного изменения скорости они находят преимущественное применение в приводах подачи, установочных перемещений, зажимных механизмов и т. п. Значительно более высокого к. п. д. можно достигнуть, используя в гидроприводах рассмотренного типа, два насоса различной производительности. Насосы могут подключаться с помощью соответствующей аппаратуры управления либо к трубопроводу, питающему гидродвигатель, либо к сливному трубопроводу. При малых скоростях вращения гидродвигателя для его питания используется насос меньшей производительности, который подключается к трубопроводу, а насос подключается к сливному трубопроводу и работает вхолостую. При этом к. п. д. определяется как отношение эффективной мощности к мощности, потребляемой насосом. При средних скоростях к трубопроводу подключается насос, а насос работает вхолостую. При высоких скоростях к трубопроводу подключаются оба насоса. Дроссель может быть расположен как на входе, так и на выходе, а для стабилизации скорости применена одна из рассмотренных выше схем.

Гидроприводы вращательного движения с дроссельным изменением числа оборотов находят пока ограниченное применение, однако в связи с рядом положительных особенностей этих приводов: широким диапазоном бесступенчатого изменения чисел оборотов, который в зависимости от типа и мощности гидропривода может принимать значения от 150 до 1300, простотой конструкции, возможностью автоматического управления скоростью, они смогут получить значительное распространение в приводах подачи и следящих приводах. Применение подобных приводов целесообразно при большой длине хода, когда использование поршневых приводов представляется затруднительным, а также в независимых приводах подачи, при которых требуется широкий диапазон изменения чисел оборотов.

Нерегулируемые приводы этого типа могут быть успешно использованы в различного рода зажимных устройствах.

Объемное изменение скорости при поршневых гидроприводах. При объемном изменении скорости для питания поршневых двигателей используются насосы переменной производительности. Заданная скорость движения поршня устанавливается путем настройки производительности насоса.

Величина давления, развиваемого насосом, зависит, как это видно из уравнения равновесия сил, приложенных к поршню, от величины рабочей нагрузки.

Таким образом, производительность насоса и давление, развиваемое им, устанавливаются в соответствии со скоростью движения и нагрузкой рабочего органа, благодаря чему к. п. д. при объемном изменении скорости имеет сравнительно большую величину.

Однако зависимость давления от величины нагрузки приводит при изменении последней к изменению настроенной скорости хода. При увеличении нагрузки возрастает давление, а вместе с тем и величина утечек, вследствие чего в цилиндр поступает меньшее количество масла и скорость рабочего органа падает; при уменьшении нагрузки давление понижается, величина утечек уменьшается и в цилиндр поступает большее количество масла и соответственно скорость рабочего органа возрастает. При малой величине настроенной скорости хода изменение нагрузки приводит к резкому изменению величины скорости. Значительные изменения нагрузки имеют место при врезании и выходе режущего инструмента, при значительных колебаниях припуска. В момент, предшествующий врезанию, когда процесс резания еще не начался, нагрузка мала и скорость хода зна-336 чительно выше, чем в процессе резания. Таким образом, врезание будет происходить при повышенной скорости, что может привести к поломке режущего инструмента. Аналогичное явление имеет место при выходе режущего инструмента, когда нагрузка падает и скорость возрастает. Вследствие указанных обстоятельств при объемном изменении скорости приходится прибегать к усложнению схемы в целях поддержания постоянства настроенной скорости независимо от изменения величины нагрузки.

Варианты схем, используемых для стабилизации скорости, весьма многообразны. Представление о методах стабилизации скорости может быть получено при рассмотрении двух принципиальных схем, приведенных ниже.

В схеме, представленной на рис. 4, а, стабилизация скорости достигается автоматическим изменением производительности насоса при изменении нагрузки, а соответственно и давления, развиваемого насосом.

Рис. 4. Схемы объемного изменения скорости при поршневых гидроприводах.

На корпус насоса, настроенного для получения заданной производительности, с одной стороны действует сила пружины, с другой — сила давления масла на поршень. Под поршень масло поступает из нагнетательной полости насоса по трубопроводу. При падении нагрузки, а соответственно и давления в нагнетательной полости, сила, приложенная к поршню, уменьшается и корпус насоса под действием пружины смещается, что приводит к уменьшению производительности насоса, чем компенсируется уменьшение утечек при падении нагрузки. При возрастании нагрузки и давления, сила, действующая на поршень, возрастает и корпус насоса перемещается в противоположном направлении, что приводит к увеличению производительности насоса, чем компенсируется увеличение утечек при возрастании нагрузки.

В схеме, представленной на рис. 4, б, стабилизация настроенной скорости обеспечивается поддержанием постоянства рабочего давления независимо от величины нагрузки. Постоянство рабочего давления поддерживается путем автоматического изменения величины противодавления. Из полости масло направляется на слив через щель золотника. На золотник с одной стороны действует давление в рабочей полости цилиндра, которая связана с золотником трубопроводом, с другой,— сила пружины. Величина давления в рабочей полости настраивается пружиной. В случае уменьшения рабочей нагрузки давление в рабочей полости начинает падать, при этом пружина перемещает золотник влево, уменьшая щель, вследствие чего противодавление в полости возрастает до тех пор, пока давление в рабочей полости не достигнет установленной величины. В случае возрастания нагрузки давление в рабочей полости возрастает и золотник перемещается вправо, увеличивая щель, вследствие чего противодавление в полости падает до тех пор, пока давление в рабочей полости не достигнет установленной величины.

При рассмотренной схеме насос работает при постоянном давлении, независящем от рабочей нагрузки, что приводит к снижению к. п. д. привода при малых нагрузках, и лишает привод с объемным изменением скорости одного из важнейших преимуществ.

Приводы с объемным изменением скорости, имея более сложную конструкцию, чем приводы с дроссельным изменением скорости, находят ограниченное применение, в частности в протяжных и продольнострогальных станках.

Дроссельное изменение скорости при поршневых гидроприводах. Схемы дроссельного изменения скорости при поршневых гидродвигателях аналогичны схемам дроссельного изменения скорости при гидроприводах вращательного движения, рассмотренным выше.

Рис. 5. Схемы дроссельного изменения скорости при поршневых гидроприводах.

В схеме а масло поступает от насоса постоянной производительности через дроссель в рабочую полость цилиндра. Избыток масла сливается через переливной клапан, поддерживающий постоянство давления перед дросселем. При изменении величины нагрузки изменяется давление в рабочей полости цилиндра, что приводит к изменению перепада давления на дросселе и расхода масла через дроссель, что, в свою очередь, вызывает изменение настроенной скорости.

В схеме б скорость хода настраивается путем изменения скорости вытекания масла из полости противодавления с помощью дросселя. Так как давление в полости поддерживается постоянным, то изменение нагрузки приводит к изменению противодавления в полости, а соответственно к изменению перепада давления на дросселе и к изменению расхода через дроссель и настроенной скорости хода.

В схеме в часть масла направляется через дроссель на слив, а часть поступает в рабочую полость цилиндра. Скорость хода настраивается путем изменения с помощью дросселя 2 количества масла, поступающего на слив. Давление в полости устанавливается в соответствии с рабочей 338 нагрузкой. Изменение давления в полости вызывает изменение перепада давлений на дросселе, а соответственно расхода через дроссель и настроенной скорости. При данной схеме на величине настроенной скорости сказывается также изменение утечек при изменении величины рабочего сопротивления.

Таким образом, все рассмотренные схемы не обеспечивают постоянства настроенной скорости, которая изменяется при изменении величины нагрузки. Подобные схемы находят применение только при малых колебаниях нагрузки, преимущественно в приводах шлифовальных станков.

Для поддержания постоянства настроенной скорости в рассмотренных схемах используются редукционные клапаны, поддерживающие постоянство перепада давления независимо от изменения нагрузки. Принцип действия редукционных клапанов рассмотрен выше.

Рис. 6. Схемы дроссельного изменения скорости при поршневых гидроприводах с повышенным к. п. д.

В схемах а, б, г и д насос постоянной производительности работает при постоянном давлении независимо от нагрузки и скорости перемещения рабочего органа и потребляет постоянную мощность. Поэтому при малых скоростях и нагрузках, когда эффективная мощность мала, к. п. д. привода становится низким.

В схемах в и е давление, развиваемое насосом постоянной производительности, зависит от рабочей нагрузки, и мощность, потребляемая насосом, уменьшается с уменьшением нагрузки, вследствие чего к. п. д. этих схем выше. Однако вследствие меньшей стабильности скорости эта схема находит весьма ограниченное применение.

Аналогичные результаты с точки зрения к. п. д. могут быть получены при использовании схемы, представленной на рис. 6, а, которая дает вместе с тем большую стабильность скорости, так как утечки в этом случае не влияют на количество масла, поступающего в рабочую полость цилиндра. От насоса масло поступает через дроссель в рабочую полость цилиндра. Часть масла направляется на слив через щель, образуемую кромками золотника и корпуса редукционного клапана. Золотник находится в равновесии под действием пружины, давления масла перед дросселем, поступающего по каналу, и давления масла за дросселем, поступающего по каналу. При повышении давления в рабочей полости цилиндра золотник дросселя под давлением масла, поступающего по каналу, опускается вниз, щель уменьшается и давление перед дросселем возрастает. При падении давления в рабочей полости цилиндра имеет место обратная картина. Таким образом поддерживается постоянство перепада давления на дросселе. Давление перед дросселем, а соответственно и в нагнетательной полости насоса, пропорционально давлению в рабочей полости цилиндра, которое зависит от нагрузки, и мощность, потребляемая насосом, является функцией нагрузки, так же, как в предыдущем случае. Изменение величины утечек влияет только на количество масла, направляемого на слив и не сказывается на стабильности настроенной скорости.

Более высокий к. п. д. может быть получен при использовании в схеме двух насосов различной производительности, которые могут быть включены либо поочередно, либо одновременно. При малых скоростях включается один насос малой производительности, а насос работает на слив, при средних скоростях включается один насос высокой производительности, а насос 2 работает на слив, а при больших скоростях включаются оба насоса. Подобная схема имеет настолько высокий к. п. д., что она используется в гидроприводе главного движения поперечнострогального станка 637 мощностью 10 кет, а также в ряде других приводов главного движения.

Из рассмотренных схем наибольшим распространением пользуются схемы с дросселированием на выходе, так как при этом уменьшаются возможности попадания воздуха в систему, так как обе полости цилиндра находятся под давлением. Вместе с тем благодаря наличию противодавления система работает при более высоком рабочем давлении и колебания давления при изменении нагрузки, отнесенные к рабочему давлению, становятся меньше, а так как изменение скорости пропорционально относительному изменению давления, то стабильность скорости также становится выше.

Наряду с основными, рассмотренными выше факторами, на стабильность скорости влияет: величина активной площади поршня, чем больше активная площадь, тем меньше колебания скорости, изменение вязкости масла при нагреве в процессе работы, попадание воздуха в систему, сжимаемость масла, засорение дросселей и др.

Изменение вязкости масла при нагреве приводит к изменению утечек и расхода масла через дроссель. В некоторых гидроприводах для поддержания постоянства температуры масла вводятся специальные подогреватели, для подогрева масла в начале работы до температуры, которая является стабильной в процессе работы гидропривода, или холодильники, устраняющие повышение температуры масла в работе.

Принципиальные схемы быстрых ходов при поршневых двигателях.

Для осуществления быстрых ходов в схеме может быть использовано два насоса, один из которых включается при рабочих ходах, а второй — при быстрых. Насос, используемый для осуществления быстрых ходов, обычно имеет большую производительность и работает при низком давлении. Однако применение двух насосов приводит к более или менее значительному усложнению схемы. Поэтому при дроссельном изменении скорости во многих случаях применяют поршневые двигатели с толстым штоком и дифференциальным цилиндром.

Поршневой двигатель с простым цилиндром и толстым штоком позволяет получить быстрый ход только в одном направлении. При рабочем ходе масло подается в полость, а при быстром — в полость. Так как активная площадь поршня в полости меньше активной площади поршня в полости, то скорость поршня при подаче масла в полость будет больше.

При дифференциальном цилиндре и тонком штоке при рабочем ходе масло подается в полость, а при быстром ходе с нагнетательной полостью насоса связываются обе полости цилиндра. Так как активная площадь поршня в полости больше, чем активная площадь

Рис. 7. Схемы быстрых ходов.

Скорости быстрого хода в последнем случае равны удвоенной максимальной скорости рабочего хода. Так как обычно скорость рабочего хода, которая настраивается с помощью дросселя, меньше максимальной, то скорости быстрого хода значительно превышают скорость рабочего хода. Дальнейшего повышения скорости быстрого хода можно достигнуть используя насос большей производительности, чем это требуется для получения максимальной скорости рабочего хода, однако это приводит к снижению к. п. д.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум