Устройства управления расходом. Способы регулирования расхода

Расход это количество жидкости, проносимое через живое сечение (сечение потока жидкости перпендикулярное направлению скорости течения жидкости) в единицу времени.

Расход в круглом трубопроводе можно вычислить используя зависимость:

Q=V∙А

где, V - скорость течения жидкости, A - площадь поперечного сечения трубы

Чем выше расход, тем выше скорость течения жидкости в трубопроводе, а значит выше потери энергии на местных сопротивлениях и потери по длине. От расхода, также, зависит скорость движения исполнительных механизмов, чем выше расход, тем быстрее будут заполнятся полости гидроцилиндров и тем быстрее будут перемещаться их выходные звенья - поршни и штоки. В случае необходимости регулирования скорости движения штока необходимо изменять расход жидкости, поступающий на вход гидроцилиндра.

Способы регулирования расхода

Регулировать расход можно различными способами: изменить подачу насоса или отправить часть жидкости на слив. Рассмотрим каждый из этих способов подробнее.

Расход жидкости в гидроприводе определяется подачей одного или нескольких насосов. Идеальную подачу объемного насоса можно вычислить по формуле:

Qн=q∙n

где: q - рабочий объем, n - частота вращения вала насоса.

Изменяя рабочий объем или частоту вращения вала насоса можно изменить его подачу. Существуют два способа регулирования подачи, основанные на изменении одного из указанных параметров.

Объемное регулирование

Данный способ управления расходом основан на изменении объема рабочей камеры насоса (q). Схема гидропривода с объемным способом регулирования показана на рисунке.

Насос Н1 с регулируемым рабочим объемом подает жидкость к распределителю Р1, который направляет ее в одну из полостей гидроцилиндра ГЦ1. Клапан КП1 защищает гидросистему от перегрузок.

Насос Н1 с регулируемым рабочим объемом подает жидкость к распределителю Р1, который направляет ее в одну из полостей гидроцилиндра ГЦ1. Клапан КП1 защищает гидросистему от перегрузок.

Изменяя рабочий объем камеры насоса можно регулировать подачу насоса, а значит и расход жидкости, поступающей к распределителю Р1. Величина расхода будет определять скорость перемещения штока гидроцилиндра ГЦ1.

Регулируемые насосы

Насосы, конструкция которых предусматривает изменение рабочего объема в процессе работы называют регулируемыми. Наиболее распространенные способы изменения рабочего объема насосов:

  • изменение угла наклона шайбы или блока (в аксиально-поршневых машинах)

  • изменение эксцентриситета ротора и статора (в пластинчатых машинах)

Все эти механизмы в значительной степени усложняют конструкцию насосов. Регулируемые машины значительно дороже нерегулируемых, они требовательны к обслуживанию, а их ремонт смогут осуществить только подготовленные специалисты. Но плюсы этих машин значительнее:

  • возможность бесступенчатого управления расхода

  • отсутствие потерь энергии на регулирующем дросселе

  • отсутствие нагрева рабочей жидкости при регулировании

  • возможность реализации механического, гидравлического, электрического управления и автоматизации

  • возможность управления расходом в широком диапазоне

Изменение частоты вращения вала насоса

Этот способ управления основан на изменении частоты вращения приводного электродвигателя насоса (n).

Схема гидропривода с частотным регулированием показана на рисунке.

Схема гидропривода с частотным регулированием показана на рисунке.

Электродвигатель ЭД1вращает вал насоса, который подает рабочую жидкость к цилиндру ГЦ1 через распределитель Р1. Изменяя частоту вращения вала электродвигателя, можно влиять на подачу насоса и тем самым регулировать расход в гидросистеме и скорость движения штока ГЦ1.

Частотное регулирование - регулирование частоты вращения приводного электродвигателя

Для управления частотой вращения вала электродвигателя используется специальное устройство - регулятор частоты, что ведет к удорожанию механизма. При использовании частотного регулирования следует учитывать, что большинство насосов имеют нижний предел допустимой частоты вращения.

Эта величина зависит от конструкции насоса, ориентировочные значения:

  • 700 об/мин для шестеренных

  • 500 об/мин для аксиально-поршневых

  • 300 об/мин для радиально-поршневых

  • 400 об/мин для пластинчатых насосов

Частотное регулирование можно реализовать только в том случае, если привод насоса электрический.

Несмотря на некоторые ограничения, управление подачей насоса с помощью частотного регулятора получило широкое распространение. Обуславливают это следующие факторы:

  • относительная простота реализации

  • меньшая, чем у объемного регулирования, стоимость

  • отсутствие гидравлических потерь энергии

  • отсутствие нагрева рабочей жидкости

  • возможность плавного регулирование

  • возможность электрической автоматизации

Дроссельное регулирование

Рассмотрим способы управления расходом, при которых подача насоса остается неизменной, а часть жидкости, при необходимости, отправляется на слив. Для регулирования, при этом, используются специальные устройства - дроссели, регуляторы расхода, которые могут быть установлены в гидравлическую систему различными способами. В зависимости от расположения устройств регулирования будут отличаться и характеристики гидропривода. Рассмотрим отдельно каждый из возможных способов дроссельного регулирования.

Последовательное дроссельное регулирование

При последовательном управлении расходом в одну используется регулируемое гидравлическое сопротивление - дроссель, на котором создается требуемый перепад давления, и часть жидкости, при этом через предохранительный клапан отправляется на слив. Дроссель может быть установлен в линию нагнетания или в линию слива.

Рассмотрим схему последовательного регулирования с установкой дросселя в линию нагнетания.

Схема последовательного регулирования с установкой дросселя в линию нагнетания.

Схема последовательного регулирования с установкой дросселя в линию нагнетания.

При полном открытии дроссель ДР1 не окажет существенного воздействия на систему, вся жидкость от насоса Н1 через распределитель Р1 поступает в одну из полостей гидроцилиндра ГЦ1. При уменьшении проходного сечения дросселя, давление в линии нагнетания начнет расти. Этот рост давления не вызовет изменения расхода до тех пор пока не откроется предохранительный клапан КП1. При достижении давления открытия предохранительного клапана часть жидкости через КП1 отправится на слив, а другая часть по-прежнему будет поступать к распределителю Р1 и гидроцилиндру ГЦ1. Соотношение расходов при этом будет зависеть от перепада давления на дросселе, т.е от степени его закрытия. При полном закрытии дросселя весь расход от насоса через предохранительный клапан будет отправлен на слив.

Схема последовательного регулирования с установкой дросселя в линию слива.

Схема последовательного регулирования с установкой дросселя в линию слива.

Этот способ регулирования основан на тех же принципах, что и предыдущий. Отличие в том, что в данном случае дроссель устанавливается не в линию нагнетания насоса, а в линию слива из гидроцилиндра. При этом изменение проходного сечения дросселя будет оказывать влияние на весь гидропривод, в том числе и на гидроцилиндр.

Установка дросселя в линию слива позволяет добиться более устойчивой работы гидропривода, особенно при знакопеременной нагрузке, предоставляет возможность регулирования гидропривода при отрицательных нагрузках, т. е. При направлении преодолеваемой силы в сторону движения поршня. Также, при установке дросселя в линии слива тепло, выделяющееся при дросселировании, отводится сразу в бак, без нагрева гидродвигателя.

Данный способ регулирования позволяет добиться большей плавности хода исполнительного механизма. Подобные схемы регулирования могут использоваться для регулирования скорости гидроцилиндров, гидромоторов, поворотных гидродвигателей.

Параллельное дроссельное регулирование

В рассматриваемых выше способах регулирования часть расхода отправлялась на слив через предохранительный клапан. Однако жидкость можно направить на слив через дроссель не повышая давление в системе.

Данный способ регулирования расхода основан на правиле параллельных трубопроводов, согласно нему расход на параллельных участках трубопроводов делится таким образом, что потери на них будет одинаковыми. Получается что расход в гидросистеме можно изменить установив дроссель параллельно линии нагнетания насоса.

Рассмотрим схему параллельного дроссельного регулирования.

Рассмотрим схему параллельного дроссельного регулирования.

В исходном состоянии дроссель ДР1 полностью закрыт, вся жидкость от насоса через распределитель Р1 поступает к гидроцилиндру ГЦ1. При открытии проходного сечения дросселя часть жидкости через него отправится на слив, а другая часть будут поступать к распределителю. Изменяя проходное сечение дросселя можно управлять соотношением этих расходов.

Подобные схемы регулирования могут использоваться для регулирования скорости движения различных гидравлических двигателей и гидромоторов. Параллельное регулирование позволяет управлять расходом без повышения давления в гидросистеме.

Устройства управления расходом при дроссельном регулировании

В рассмотренных примерах для создания требуемого гидравлического сопротивления использовался дроссель, также для управления расходом могут применяться двухлинейные и трехлинейные регуляторы расхода.

Дроссель

Дроссель регулирующий аппарат, позволяющий изменять гидравлическое сопротивление за счет изменения проходного сечения. В качестве запорно-регулирующего элемента в дросселе могут использоваться:

  • игла

  • шарик

  • тарелка

  • фасонный золотник.

Дроссели используют для регулирования в системах с постоянными рабочими нагрузками, или в тех случаях, когда изменение скорости допустимо при изменении нагрузки

Регуляторы расхода

В случае изменения нагрузи на исполнительных механизмах при дроссельном регулировании будет меняться соотношение расходов - поступающего в систему, и отправляемого на слив, а значит будут меняться и скорость движения этих механизмов. Снизить влияние нагрузки на изменение расхода позволяют специальные устройства - регуляторы расхода.

Двухлиннейный регулятор расхода

В двухлинейном регуляторе перед дозирующим дросселем последовательно расположен компенсатор давления. Компенсатор позволяет поддерживать постоянный перепад на дросселе, что позволит поддерживать настроенный расход на некотором промежутке.

Двухлинейный регулятор расхода с компенсатором давления перед дросселем

Двухлинейный регулятор расхода с компенсатором давления перед дросселем

Компенсатор может быть установлен перед дозирующим дросселем.

В качестве компенсатора может использоваться клапан постоянной разницы давления, он устанавливается после дросселя.

Двухлинейный регулятор расхода с клапаном разницы давления после дросселя

Двухлинейный регулятор расхода с клапаном разницы давления после дросселя

Двухлинейный регулятор может быть установлен параллельно, либо последовательно в линии нагнетания или в линии слива.

Трехлинейный регулятор расхода

В трехлинейном регуляторе дроссель и компенсатор давления установлены параллельно. В качестве компенсатора обычно используется предохранительный клапан, через который часть жидкости сбрасывается на слив.

Трехлиненый регулятор расхода

Трехлиненый регулятор расхода

Трехлинейные регуляторы используют только при последовательном регулировании в линии нагнетания.

Сравнение способов регулирования расхода и скорости движения исполнительных механизмов

Каждый из представленных способов регулирования расхода имеет свои преимущества и недостатки.

Регулируемые насосы для объемного регулирования стоят очень дорого, но их использование позволит сэкономить на электроэнергии, КПД гидропривода будет высок т.к. насос будет подавать только то количество жидкости, которое задано настройками. Потери энергии в этом случае будут невелики, а значит удастся избежать значительного нагрева рабочей жидкости, что позволит отказаться от теплообменников.

Оборудование для реализации частотного регулирования также характеризуется высокой стоимостью. Кроме того, при этом способе управления расходом не удастся добиться очень малой подачи насоса. КПД гидросистемы при частотном регулировании высок, ввиду отсутствия потерь энергии на дросселировании. По этой же причине отсутствует значительный нагрев рабочей жидкости.

Реализация дроссельного регулирования значительно проще, оно дешевле, двух предыдущих способов, но имеет ряд недостатков. В результате дросселирования большая часть энергии переходит в тепло, которое необходимо рассеять. Поэтому в гидроприводах с дроссельным регулированием часто используют теплообменники. КПД системы, вследствие значительных потерь при регулировании, будет невысоким.

Двухлинейный регулятор позволяет добиться меньшей зависимости изменения расхода при изменении нагрузки (по сравнению с дросселем).

При последовательной установке дросселя или двухлинейного регулятора насос будет постоянно работать на максимальном давлении, а при использовании трехлинейного регулятора давление в линии нагнетания насоса будет превышать давление в гидродвигателе только на величину потерь на дозирующем дросселе. Поэтому при использовании трехлинейного регулятора потери мощности будут ниже, чем в случае установки дросселя или двухлинейного регулятора.

Выбор способа регулирования расхода необходимо производить основываясь на назначении устройства, установленной стоимости, требуемой экономичности, условиях эксплуатации и обслуживания, режимах работы гидропривода.

Роман Саливанов10 февраля 17:16
Похожие вопросы по теме