Регуляторы расхода рабочей жидкости для гидроприводов мобильных машин (Часть 1)

В. Васильченко, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник,
В. Соболев, руководитель технического отдела ЗАО «ГидраПак Холдинг»

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.

Дроссельное регулирование

При дроссельном регулировании расхода (обычно в контурах с насосами постоянной подачи) скорость движения исполнительных механизмов регулируют, изменяя проходное сечение дросселей. В этом случае используются три основные схемы установки дросселя в гидросистеме: на входе, на выходе и в ответвлении (рис. 1).

При анализе гидросистем установлено, что при дроссельном регулировании расход меняется в зависимости от давления, создаваемого внешней нагрузкой. Соответственно скорость исполнительного механизма и ΔР также зависит от внешней нагрузки и от формы и длины дросселирующей щели: конический дроссель, продольная канавка треугольной или прямоугольной формы, щелевой дроссель или кольцевой дроссель.

Дроссельные схемы регулирования скорости из-за больших потерь мощности малоэффективны, особенно при эксплуатации гидроприводов большой мощности. Однако дроссельное управление расходом проще и дешевле, поэтому для привода машин небольшой мощности или редко включаемого привода, например для плавного пуска и остановки машины, нередко применяют дроссельное регулирование, при котором часть РЖ сливается в бак, а ее энергия преобразуется в тепло, нагревая РЖ в гидросистеме.

На рис. 2, а, б показаны условное обозначение и продольные сечения двухлинейных регулируемых дросселей, предназначенных для встраивания в трубопроводы гидросистем.

Эти регулируемые дроссели с коническим запорным элементом патронного исполнения предназначены для регулирования расхода РЖ в обоих направлениях. Типичное применение – регулирование скорости движения штоков гидроцилиндров и частоты вращения гидромоторов. Дроссель регулируемый типа 2CR30 имеет встроенный обратный клапан, который свободно пропускает поток РЖ в одном направлении, но с дросселированием потока в обратном направлении. Вращением запорного элемента можно изменять проходное сечение дросселя и регулировать расход РЖ приблизительно пропорционально виткам резьбы, а также использовать дроссель как запорный клапан. На рис. 3 показаны условное обозначение и общие виды регулируемых дросселей с обратными клапанами.

Эти регулируемые дроссели применяют для дросселирования потока в одном направлении и свободного прохода потока в обратном направлении. Дроссели имеют два дросселирующих золотника с регулировочными винтами и два обратных клапана, встроенных в корпус. Поток РЖ от насоса проходит под низким давлением через обратный клапан от входного отверстия V к отверстию Р, соединяемому с гидродвигателем (см. графическое обозначение). Обратный поток РЖ от Р к V проходит при переменном дросселировании в зависимости от регулирования дросселирующим золотником. Примеры применения регулируемых дросселей в типовых гидравлических схемах приведены на рис. 4.

Регуляторы расхода

Эти устройства применяются для поддержания постоянного расхода независимо от изменения давления. Принцип работы регулятора расхода показан на рис. 5. Регулятор расхода состоит из следующих основных элементов: дозирующего дросселя 1 и компенсатора давления 2 с пружиной 3. Изменение температуры и соответственно вязкости РЖ изменяет перепад давления. Чтобы уменьшить влияние этих факторов, применяется специальная форма дросселирующей щели.

Тип регулятора расхода зависит от конструкции компенсатора давления. Если компенсатор давления расположен последовательно с дозирующим дросселем, гидроаппарат является двухлинейным регулятором расхода, если параллельно – трехлинейным регулятором расхода.

В двухлинейных регуляторах расхода дозирующий дроссель и компенсатор давления расположены последовательно. При этом компенсатор давления может располагаться перед дросселем на входе (рис. 6, а) или после него на выходе (рис. 6, б). На рис. 6, а видно, что управляющая А1 и дозирующая А2 дросселирующие щели расположены последовательно. Золотник компенсатора нагружен справа давлением Р2 и слева давлением Р3 и усилием пружины FF.

Перепад давления на регулируемом дросселе в двухлинейном регуляторе расхода является отношением усилия регулируемой пружины регулятора давления FF к торцовой площади золотника АК и не зависит от последовательности расположения компенсатора давления: перед дросселем или после него.

На рис. 7 показаны условное обозначение и принцип работы двухлинейного регулятора расхода с компенсатором давления на выходе. Из рис. 7, б видно, что дозирующий дроссель и компенсатор давления двухлинейного регулятора расхода расположены последовательно. Место расположения компенсатора давления (на входе или на выходе) в двухлинейных регуляторах расхода определяется конструктивными соображениями.

Рассмотрим особенности применения двухлинейных регуляторов расхода при дросселировании потока РЖ: на входе (первичное управление), на выходе (вторичное управление) и в ответвлении.

При управлении расходом РЖ на входе (см. рис. 1, а) регулятор расхода устанавливают в напорной гидролинии насоса после предохранительного клапана, перед гидродвигателем. Эта схема дросселирования рекомендуется для гидросистем, в которых регулируется скорость движения гидродвигателя, преодолевающего противодействующее усилие (положительное сопротивление). В этом случае перед регулятором расхода действует нагрузка, определяемая внешним сопротивлением на гидродвигателе.

Недостатком этой схемы является необходимость настройки предохранительного клапана, установленного перед регулятором расхода, на максимально возможное давление в гидродвигателе. В результате насос постоянно работает под максимальным давлением, даже когда гидродвигатель преодолевает небольшую нагрузку. Кроме этого потери мощности при дросселировании потока превращаются в нагрев РЖ, которую необходимо охлаждать для стабилизации теплового режима.

При управлении расходом РЖ на выходе (см. рис.1, б) регулятор расхода устанавливают на выходе из гидродвигателя перед баком. Такая схема управления расходом рекомендуется для гидросистем с попутной рабочей нагрузкой (отрицательной), которая стремится перемещать шток гидроцилиндра или вращать вал гидромотора быстрей, чем скорость потока РЖ, определяемая подачей насоса. Сохраняется основной недостаток схемы дросселирования – необходимость настройки предохранительного клапана на максимальное давление и воздействие максимального давления на уплотнительные элементы гидроцилиндра даже при холостом ходе, т. е. с более высоким уровнем трения.

При управлении расходом в ответвлении (см. рис. 1, в) регулятор устанавливают паралелльно гидродвигателю. В этой схеме регулятор ограничивает расход РЖ, поступающей в гидродвигатель, путем перепуска части потока, нагнетаемого насосом, в бак гидросистемы. Если рабочий орган доходит до упора, давление в гидросистеме ограничивается настройкой предохранительного клапана, и слив потока РЖ через клапан вновь преобразуется в нагрев.

Преимуществом этой схемы регулирования расхода является ограниченное рабочее давление, которое определяется внешней нагрузкой на рабочем органе или на исполнительном механизме. При этом меньше мощности преобразуется в нагрев РЖ, а выделяемое при дросселировании тепло отводится в бак гидросистемы.

Из приведенного выше сравнения дросселирующих и регулирующих гидроаппаратов управления расходом РЖ следует явное преимущество регуляторов расхода, которые представляют собой комбинацию дросселя с регулятором, поддерживающим постоянный перепад давления на дросселирующей щели.

В отличие от двухлинейных регуляторов расхода, дозирующие А₂ и управляющие А₁ отверстия в трехлинейных регуляторах расхода расположены не последовательно, а параллельно.