Дроссельное регулирование скорости в гидроприводах

Дроссельное управление позволяет изменять скорость работы исполнительного механизма гидродвигателя за счёт регулирования количества подаваемой рабочей жидкости. Суть метода заключается в создании дополнительного сопротивления в линии подачи и направлении части потока обратно в бак, минуя основную нагрузку. Такой подход обеспечивает плавное изменение скорости движения поршня или вала гидродвигателя без изменения режима работы насоса.

На практике этот вариант чаще всего используется в маломощных гидросистемах, обычно до 3–5 кВт, включая механизмы с поступательными, поворотными и вращательными движениями. Наибольшее применение метод нашёл в поступательных гидроприводах, где важна точная и плавная регулировка скорости перемещения поршня.

Главные преимущества дроссельного регулирования заключаются в следующем:

• возможность непрерывной и точной настройки скорости движения исполнительного органа;
• простота конструкции, обеспечивающая удобство монтажа и эксплуатации;
• экономичность, так как для управления дросселем требуется минимальное усилие.

Серьёзным недостатком метода является относительно низкий КПД, вызванный потерями энергии при движении жидкости через дроссель.

Типы систем с дросселями

Схемы с дросселями часто применяются совместно с нерегулируемыми насосами и делятся по характеру поддерживаемого давления на два типа:

• Системы с постоянным давлением – в этих схемах давление в напорной линии поддерживается с помощью предохранительного или переливного клапана. Излишки жидкости возвращаются в бак, что стабилизирует давление и защищает гидропривод от перегрузок.
• Системы с переменным давлением – давление в линии изменяется в зависимости от сопротивления нагрузки. Часть жидкости возвращается в бак через дроссель, что позволяет гидроприводу автоматически подстраиваться под изменяющиеся условия работы, сохраняя заданную скорость движения исполнительного органа.

Таким образом, дроссельное регулирование представляет собой универсальный способ управления скоростью гидродвигателя, который обеспечивает простоту конструкции и плавное регулирование, но требует учёта энергетических потерь и ограничений по нагрузке при проектировании системы.

Способы подключения дросселей

В гидросистемах применяют три основных варианта установки дросселя:

• На входной линии (подаче) – монтируется перед гидродвигателем. Контролирует объём жидкости, поступающей в цилиндр или мотор, и тем самым регулирует скорость движения исполнительного органа.
• На сливной линии (выходе) – устанавливается после гидродвигателя. Управляет количеством жидкости, возвращающейся в бак, создавая сопротивление на линии отвода и регулируя скорость работы.
• На ответвлении (параллельное подключение) – соединяется параллельно с гидродвигателем, распределяя поток между основным и вспомогательным контуром. Это позволяет выравнивать давление и поток по линии.

Дроссель на входе или выходе обычно используют в системах с постоянным давлением, где напор остаётся стабильным, а параллельное подключение применяется преимущественно в схемах с переменным давлением, когда характеристики потока изменяются в зависимости от нагрузки на гидродвигатель.

Рис.ZSK.12.1. Схемы гидроприводов с дроссельным регулированием

Дроссель на входной линии

На рисунке ZSK.12.1, а показана схема работы гидропривода, в которой поток жидкости от насоса Н через дроссель ДР и распределитель Р подаётся в поршневую камеру А гидроцилиндра Ц. Под давлением создаётся усилие на поршень, что приводит к его смещению вправо. Одновременно из штоковой камеры В вытесняется рабочая жидкость, которая возвращается в бак. Такое построение контура обеспечивает замкнутую циркуляцию и устойчивый рабочий цикл гидросистемы, при котором направление движения задаётся распределителем, а величина скорости регулируется дросселем.

Распределитель Р играет ключевую роль в управлении направлением движения поршня, позволяя изменять направление потока жидкости в зависимости от требуемой операции. Дроссель ДР в этой схеме предназначен для регулирования скорости движения штока гидроцилиндра. Регулирование достигается изменением перепада давления на дросселе и площади его проходного сечения, что позволяет плавно изменять скорость поршня без рывков и скачков давления в системе.

Особенностью этой конфигурации является разветвление потока жидкости на два параллельных направления. Первая часть потока проходит через дроссель и поступает непосредственно в гидродвигатель, обеспечивая выполнение полезной работы. Вторая часть жидкости, которая является избыточной, направляется через переливной клапан КП обратно в бак, предотвращая избыточное давление и поддерживая стабильную работу системы.

Такое распределение потоков позволяет эффективно управлять скоростью движения поршня при изменении нагрузки на гидродвигатель. Кроме того, оно обеспечивает защиту системы от перегрузок и резких изменений давления, минимизируя риски повреждения компонентов гидропривода.

Здесь Qn обозначает общий объём рабочей жидкости, подаваемой насосом в систему; Qдр — это часть потока, которая проходит через дроссель и поступает непосредственно в гидродвигатель для выполнения полезной работы; Qb — объём жидкости, который направляется обратно в бак через предохранительный или переливной клапан, обеспечивая поддержание стабильного давления в системе и защиту гидропривода от перегрузок.

Скорость хода штока гидроцилиндра зависит от количества рабочей жидкости, поступающей в его поршневую камеру, а также от площади, на которую она действует. На этот процесс оказывают влияние параметры дросселя, величина перепада давления на нём и плотность используемой жидкости. Учитывая все эти факторы, можно рассчитать скорость перемещения штока при конкретных эксплуатационных условиях гидросистемы:

В данной зависимости Sₚ обозначает эффективную площадь поршня, D соответствует его диаметру, m характеризует коэффициент расхода дросселя (обычно принимается в диапазоне 0,6–0,7), Sдр выражает площадь проходного сечения дросселя, Δpдр = p₁ − p₂ отражает перепад давления на дросселе, а r показывает плотность рабочей жидкости.

Давление p₁ перед дросселем задаётся регулировкой переливного клапана и в процессе функционирования системы остаётся практически неизменным. В то же время давление p₂ за дросселем напрямую зависит от приложенной к штоку нагрузки F и изменяется пропорционально её величине:

При увеличении внешней силы, действующей на шток, величина перепада давления Δp постепенно снижается. Это приводит к уменьшению расхода рабочей жидкости через дроссель и, как следствие, к падению скорости перемещения поршня. По этой причине данный метод регулирования обеспечивает устойчивую работу только при постоянной нагрузке на гидроцилиндр. Если же нагрузка имеет отрицательный характер (например, когда шток стремится двигаться самостоятельно под действием внешних сил), возникает риск разрыва потока и потери управляемости. Такая особенность делает схему неприменимой в подъёмных устройствах и других механизмах, где требуется надёжное удержание груза.

Основные недостатки метода:

• низкий коэффициент полезного действия — примерно 36%;
• нагрев рабочей жидкости на дросселе.

Эта схема представляет собой один из наиболее часто применяемых вариантов дроссельного регулирования в гидросистемах. Она обеспечивает плавное и точное управление скоростью исполнительного органа при стабильной нагрузке, а также позволяет частично адаптироваться к изменениям рабочих условий. Кроме того, такое распределение потоков способствует более равномерному поддержанию давления в системе и снижению потерь энергии, что повышает надёжность и долговечность гидропривода.

Дроссель на сливной линии

На рисунке ZSK.12.1, б представлена схема, в которой дроссель установлен на сливной линии гидроцилиндра. Давление p1 в напорной магистрали поддерживается постоянным с помощью переливного клапана, тогда как давление в штоковой полости гидроцилиндра определяется исходя из состояния равновесия движущихся элементов:

В данной схеме величина Sшт соответствует площади штоковой полости гидроцилиндра. Перепад давления на дросселе при таком расположении условно приравнивается к давлению в штоковой камере pшт. Определение скорости перемещения штока выполняется по зависимости, аналогичной той, что используется для случая дросселирования по напорной линии.

Ключевым достоинством подобного варианта является способность гидропривода сохранять работоспособность при изменяющихся нагрузках, а также возможность отвода избыточного тепла непосредственно в бак, минуя рабочие органы. Вместе с тем схема обладает и недостатками: её эффективность ниже по сравнению с другими способами регулирования, а скорость движения исполнительного элемента остаётся связанной с величиной прикладываемой нагрузки.

Параллельное подключение дросселя

Согласно схеме ZSK.12.1, в, подача жидкости осуществляется с разделением потока: одна его часть идёт в гидроцилиндр, в то время как другая отводится через дроссель обратно в резервуар. Защита от избыточного давления обеспечивается предохранительным клапаном, а давление в магистрали возрастает по мере увеличения нагрузки.

Расход жидкости в цилиндр:

Скорость штока:

Давление перед дросселем определяется нагрузкой:

В данном случае величина скорости определяется размером проходного сечения дросселя и приложенной на него нагрузки. При фиксированной нагрузке наибольшая скорость штока достигается в положении дросселя, близком к закрытому, после чего при его открывании скорость уменьшается. Достоинства — высокий КПД и минимальные теплопотери; недостатки — невозможность управления при отрицательных нагрузках и снижение жёсткости системы.