Регулирование скорости двигателей

В процессе эксплуатации современных технологических установок, оснащённых гидравлическими и пневматическими приводами, часто возникает необходимость точного контроля скорости движения исполнительных органов. Такая потребность обусловлена различными факторами: обеспечением оптимальных режимов технологического процесса, синхронизацией работы нескольких механизмов, предотвращением перегрузок и повышением срока службы оборудования.

Для регулирования скорости двигателей в таких системах применяются два основных подхода: объемный метод и дроссельный метод.

Объемный метод регулирования

Регулирование объемным методом представляет собой способ изменения скорости движения исполнительных органов за счёт изменения рабочих объёмов насосов и гидродвигателей. В гидравлических системах этот метод реализуется с помощью регулируемых насосов и гидромоторов, у которых изменяется эффективный рабочий объём. Благодаря этому можно напрямую управлять подачей рабочей жидкости к гидродвигателю, что позволяет точно контролировать его скорость и обеспечивать плавное бесступенчатое регулирование. В пневматических приводах аналогичное регулирование достигается с помощью регулируемых пневмодвигателей, у которых изменение рабочих параметров обеспечивает аналогичный эффект. Объёмное регулирование позволяет достичь широкого диапазона изменения скорости, при этом коэффициент регулирования может достигать значений, превышающих 1000. Кроме того, такой метод обеспечивает возможность реверсирования привода.

На рис. ZSK.35.1 показана схема объемного регулирования частоты вращения гидромотора

Рис. ZSK.35.1. Схема объемного бесступенчатого регулирования скорости гидравлических двигателей

В данной системе регулируемый насос 1 подаёт рабочую жидкость непосредственно к регулируемому гидромотору 3, обеспечивая управление скоростью вращения его выходного вала.

Частота вращения выходного вала гидромотора n_m определяется следующим образом:

где:

Qn — подача гидронасоса;

Vn — рабочий объём насоса;

Vm — рабочий объём гидромотора;

n — коэффициент полезного действия привода, учитывающий потери в системе;

Так как в схеме регулируются как насос, так и гидромотор, изменение их рабочих объёмов позволяет плавно и бесступенчато изменять скорость вращения гидромотора в широком диапазоне. Такой метод обеспечивает высокий коэффициент регулирования скорости K (отношение максимальной частоты вращения к минимальной), который может превышать 1000.

Для компенсации возможных внешних утечек и поддержания давления во всасывающей линии регулируемого насоса в схеме предусмотрен насос подпитки 2 с предохранительным клапаном 6. Обратные клапаны обеспечивают подачу жидкости в всасывающую полость основного насоса в любых режимах работы. Например, при реверсе насоса (когда нижний трубопровод становится напорным, а верхний — всасывающим) насос подпитки подает жидкость через верхний обратный клапан, в то время как нижний клапан остаётся закрытым под действием давления напорной линии.

Кроме того, предохранительные клапаны 4 и 5 ограничивают максимальное давление в напорных гидролиниях, защищая систему от перегрузок. Благодаря такой схеме обеспечивается безопасная, плавная и точная регулировка скорости вращения гидродвигателей, а также возможность реверсирования без использования дополнительных сложных механизмов.

Дроссельное регулирование скорости

Дроссельный способ регулирования скорости гидравлических или пневматических двигателей реализуется за счёт изменения расхода рабочей жидкости (гидравлической жидкости или сжатого воздуха) через специально установленные регулирующие устройства — дроссели. В отличие от объемного регулирования, здесь источники энергии, такие как насосы или компрессоры, остаются нерегулируемыми, а контроль скорости достигается исключительно за счёт ограничения или распределения потока.

Принцип работы заключается в следующем: дроссель создаёт сопротивление на пути движения рабочей среды, изменяя её скорость и давление перед исполнительным механизмом. Путём точного подбора диаметра дросселя и регулировки его пропускного сечения можно достичь необходимой скорости перемещения поршня или частоты вращения вала гидромотора.

Дроссельное регулирование скорости гидродвигателей отличается рядом характерных особенностей и преимуществ. Оно позволяет изменять скорость движения исполнительных органов без необходимости изменения рабочих объёмов насосов или гидромоторов, что упрощает эксплуатацию и снижает стоимость системы. Кроме того, такой способ регулирования отличается сравнительной простотой конструкции и экономичностью, поскольку не требует установки регулируемых насосов. Дроссельное регулирование также удобно для локального управления скоростью отдельных гидродвигателей в сложных приводных системах, где необходимо гибко корректировать режим работы каждого исполнительного элемента.

В зависимости от расположения дросселя относительно гидродвигателя применяются следующие методы регулирования:

1. Дросселирование на входе в двигатель – последовательное подключение дросселя перед гидродвигателем (рис. ZSK.35.2, а). Этот способ обеспечивает одинаковое сопротивление потоку в подающей линии и позволяет поддерживать стабильную скорость поршня при движении в обоих направлениях.
2. Дросселирование на выходе двигателя – последовательное включение дросселя в сливной линии (рис. ZSK.35.2, б). В отличие от предыдущего метода, этот вариант создаёт постоянное подпорное давление в сливной полости, улучшая динамику работы привода и повышая точность управления при переменных нагрузках.
3. Дросселирование на ответвлении – параллельное подключение дросселя к гидродвигателю (рис. ZSK.35.2, в). Этот метод обеспечивает более простое регулирование скорости, однако статическая характеристика носит наименее стабильный характер, так как движение поршня сильно зависит от колебаний нагрузки и утечек в системе.
4. Смешанное дроссельное регулирование – параллельно-последовательное или дроссельно-дифференциальное регулирование для дифференциальных цилиндров (рис. ZSK.35.2, г). Этот способ позволяет одновременно управлять скоростью и направлением движения поршня без применения отдельного распределителя, обеспечивая высокую точность и плавность работы привода даже при значительных различиях в эффективных площадях поршневых полостей.

Каждый из этих способов дроссельного регулирования имеет свои особенности, преимущества и ограничения, и выбор конкретного метода зависит от требований технологического процесса, характеристик нагрузки и необходимой точности управления исполнительным органом.

Последовательное дроссельное регулирование на входе

Скорость движения поршня двустороннего цилиндра определяется подачей через дроссель Qₐₚ и площадью поршня S:

Давление на входе в дроссель, обозначаемое как pₙ, обычно устанавливается на уровне настройки предохранительного клапана системы, что обеспечивает стабильную работу привода и защиту от превышения допустимого давления. Величина скорости движения поршня напрямую зависит от степени открытия дросселя: при увеличении проходного сечения поток рабочей среды растёт, и скорость поршня увеличивается, а при уменьшении сечения — скорость снижается. Для большинства схем эта зависимость практически линейна, что облегчает прогнозирование работы гидродвигателя и настройку регулировки.

Однако при изменении нагрузки F на поршень динамика движения становится сложнее. Рост сопротивления со стороны нагрузки приводит к снижению скорости перемещения поршня. Влияние нагрузки на характеристику скорости имеет нелинейный характер, так как давление и сила, развиваемая гидродвигателем, взаимодействуют с внутренними потерями и сопротивлением дросселя. В результате скорость поршня не уменьшается пропорционально увеличению нагрузки, а изменяется с учётом множества факторов, включая вязкость жидкости, утечки и давление подпора.

Мощность, потребляемая насосом при дроссельном регулировании, максимальна и постоянна:

где Qn – подача насоса.

Дросселирование на выходе обладает следующими особенностями:

Cтатические характеристики скорости движения поршня практически совпадают с регулированием «на входе», обеспечивая схожий диапазон изменения скорости;

Динамически гидродвигатель всегда работает с подпором в сливной полости, что снижает колебания и повышает стабильность движения при изменяющейся нагрузке;

Этот способ особенно эффективен при знакопеременной нагрузке F, когда направление и величина силы на поршень периодически меняются;

Потребляемая насосом мощность при таком регулировании несколько выше, чем при последовательном дросселировании «на входе», за счёт создания постоянного подпора в сливной линии

Дросселирование на ответвлении (параллельное):

Отличается тем, что дроссель подключается параллельно гидродвигателю, позволяя отводить часть потока рабочей жидкости, но при этом скорость поршня становится более чувствительной к утечкам насоса и колебаниям нагрузки, что делает его менее стабильным в динамике. Применяется преимущественно при постоянной и сравнительно небольшой нагрузке, обеспечивая экономию энергии: потребляемая насосом мощность P пропорциональна нагрузке, минимальна при отсутствии усилия и увеличивается по мере роста F

Дроссельно-дифференциальное регулирование

Применяется для дифференциальных цилиндров и позволяет одновременно управлять скоростью и направлением движения поршня без отдельного распределителя. Принцип работы: изменение открытия одного из дросселей (Др1 или Др2) изменяет давление p в полостях цилиндра, нарушая равновесие сил:

Примеры управления:

• Закрытие Др2 при открытом Др1 увеличивает давление слева, и поршень движется вправо.
• Открытие Др2 вызывает движение поршня влево.
• Изменение открытия Др1 при фиксированном Др2 регулирует направление и скорость аналогично.

Рис. ZSK.35.2. Основные схемы дроссельного регулирования скорости гидравлических двигателей: а – последовательное регулирование «на входе»; б – последовательное регулирование «на выходе»; в – параллельное регулирование («на ответвлении»); г – параллельно-последовательное регулирование (дроссельно-дифференциальное).

Дроссельно-дифференциальное регулирование позволяет добиться очень точного и плавного управления скоростью и направлением движения поршня, что делает его незаменимым в системах, где требуется высокая точность позиционирования, например, в гидравлических следящих приводах, копировальных машинах и робототехнических манипуляторах.

Принцип работы основан на одновременном воздействии двух дросселей на полости дифференциального цилиндра: изменение открытия одного из дросселей повышает давление в соответствующей полости, создавая разность сил, которая определяет скорость и направление движения поршня. Такая схема обеспечивает мягкое ускорение и торможение, предотвращая рывки и перегрузки исполнительного органа.

Однако у метода есть существенный недостаток: потребляемая насосом мощность остаётся высокой и практически постоянной, независимо от величины нагрузки на гидродвигатель. Это связано с тем, что дроссели ограничивают поток, но не уменьшают общий расход жидкости насосом, поэтому система постоянно работает под максимальным давлением, что увеличивает энергопотребление и тепловую нагрузку на гидросистему.

Для снижения этих эффектов иногда используют комбинированные схемы с объемным регулированием или промежуточные аккумуляторы, что позволяет частично разгрузить насос и повысить энергоэффективность привода.