Механика гидро - и пневмоприводов

Источники энергопитания гидро — и пневмоприводов

Гидро - и пневмоприводы снабжают рабочей средой под да­влением различными способами в зависимости от назначения и условий использования приводов. Основным устройством источника энергопитания привода является преобразователь какой-либо энергии в механическую энергию жидкости или га­за. Такие устройства иногда называют генераторами рабочей среды под давлением. Ими могут служить насосы, компрессо­ры, пороховые заряды, предварительно заполненные газом под
давлением баллоны, газогидравлические аккумуляторы и ак­кумуляторы, в которых давление жидкости создает поршень, нагруженный пружиной.

Источники энергопитания гидро - и пневмоприводов могут быть составной частью энергосиловой установки объекта, в системе управления которым применен привод, или быть обо­собленным энергетическим агрегатом. Например, пневмопри­воды общепромышленного назначения преимущественно пи­тают воздухом под давлением от компрессорной станции, к которой подключены и другие потребители сжатого воздуха. Жидкость под давлением, подводимая к гидроприводам, мож­но также использовать в системах смазки узлов станков и ма­шин. Но чаще гидроприводы имеют обособленные источни­ки энергопитания, что вызвано повышенными требованиями к свойствам рабочих жидкостей для таких приводов и целе­сообразностью применения высоких давлений, позволяющих уменьшать габаритные размеры и массу всего гидрооборудо­вания. Наиболее широко применяют источники энергопитания гидроприводов с шестеренными, пластинчатыми, аксиально­поршневыми и радиально-поршневыми насосами.

Мощность 7ГИ<П потока жидкости на выходе из источника энергопитания определяется соотношением

^и. П — ФпРп - (1*16)

Здесь фп> Рп — расход и давление жидкости на выходе из ис­точника энергопитания соответственно.

Мощность ТУдас необходимая для работы насоса,

]Г„ас = ^(Рнас-Рвх^ (1Л7)

'По'Пт

Где С}нас и рнас — расход и давление жидкости на выходе из

Насоса; рвх — давление на входе в насос; г]0 — объемный КПД

Насоса, учитывающий утечки и перетечки жидкости в насосе; т/г — гидромеханический КПД насоса, учитывающий потери энергии вследствие гидравлического сопротивления каналов и трения в насосе.

Давление рвх должно быть таким, чтобы в насосе не воз­никала кавитация из-за снижения давления в каком-либо ме­сте потока жидкости до значения рк, при котором из жидкости
сначала выделяется растворенный в ней газ, а затем образу­ются насыщенные пары. При кавитации нарушается сплош­ность жидкости и возникают высокочастотные колебания да­вления, которые могут быть причиной разрушения деталей на­соса. Допустимое значение рвх зависит от конструкции насо­са, свойств жидкости, температуры и давления окружающей среды. Для гидроприводов, эксплуатируемых в заводских по­мещениях, значение рвх близко к атмосферному давлению. В летательных аппаратах давление в баке, из которого насос за­бирает жидкость, должно быть выше атмосферного, так как давление окружающей среды будет уменьшаться по мере уве­личения высоты полета. Повышенное давление в баке созда­ют, заполняя инертным газом полость над поверхностью жид­кости. Баки с таким “наддувом” используют и в наземных установках, когда для для уменьшения массы источника энер­гопитания гидроприводов применяют высокооборотные насо­сы или установки, эксплуатируемые при низких температу­рах, вызывающих значительное увеличение вязкости жидко­сти. Примерами могут служить гидроприводы, применяемые в транспортных машинах.

Расход фнас связан с геометрической подачей насоса фг соотношением

Фнас — Фг?7о - (1-18)

Значение <3Т можно найти по формуле

= (1.19)

Где Унас — рабочий объем насоса, равный разности изменения объемов рабочих камер насоса за один оборот его вала.

Вследствие отмеченной ранее обратимости роторных ги­дромашин понятие “рабочий объем” и для насоса, и для ги­дромотора является общим, причем вычисленный при помощи этой величины расход будет иметь усредненное за время оборо­та вала значение. Мгновенные значения расхода отличаются от усредненного, что характеризуется степенью неравномерно­сти подачи насоса. У большинства насосов она незначительна, в связи с чем при расчетах обычно используют формулы (1.18)
и (1.19). Однако из-за влияния процессов, протекающих вну­три насоса, пульсации расхода на выходе насоса могут быть значительно больше расчетного значения неравномерности его подачи. Для уменьшения колебаний жидкости, вызванных та­кими пульсациями, применяют либо газогидравлические акку­муляторы, либо гасители колебаний, состоящие из полностью заполненных жидкостью объемов и дополнительных гидравли­ческих сопротивлений.

Жидкости, 5 — переливной или предохранительный клапан, 6 — охладитель для поддержания температуры рабочей жидкости в допустимых пределах. Насос всасывает жидкость из бака и подает ее через фильтр в напорную магистраль. Ис­точники энергопитания различаются способом регулирования давления в напорной магистрали. Согласно схеме, предста­вленной на рис. 1.26, а, при фп = 0 вся жидкость, поступаю­щая от насоса, возвращается через переливной клапан в бак. При потреблении жидкости из напорной магистрали перелив­ной клапан частично или полностью (при фп = Фнас) закрыт. Значение давления рп в напорной магистрали поддерживается клапаном в соответствии с его характеристикой, устанавли­вающей зависимость ри от расхода жидкости через клапан. Недостаток этого достаточно простого способа стабилизации давления в напорной магистрали заключается в том, что при пропуске жидкости через клапан происходят необратимые за­траты энергии.

Нецелесообразные затраты энергии несколько снижаются, если в начале напорной магистрали установлен газогидравли­ческий аккумулятор 7 (рис. 1.26,6), в который насос подает жидкость через обратный клапан 8. Согласно этой схеме, кла­пан 5 действует как дискретный автомат разгрузки насоса, соединяя его выход с баком, при давлении в газогидравличе­ском аккумуляторе, равном заданному значению. Благодаря малому гидравлическому сопротивлению клапана вся подава­емая насосом жидкость поступает на слив при низком давле­нии, а обратный клапан удерживает жидкость в аккумуляторе. При падении давления в аккумуляторе клапан 5 закрывается и жидкость, которая подается насосом, открыв обратный кла­пан, поступает в аккумулятор. Эффективность рассмотрен­ного способа уменьшения потерь энергии в значительной мере зависит от объема газогидравлического аккумулятора и гра­фика работы гидропривода.

Следующим шагом в повышении эффективности источни­ка энергопитания гидроприводов является применение насоса с автоматическим регулированием подачи (рис. 1.26, в). Схема показывает, что регулятор при отклонении давления на выходе из насоса от предварительно установленного значения изменя­ет подачу насоса так, чтобы с требуемой точностью восстана­вливалось давление. Зависимость установившихся значений подачи фнас насоса от риас представлена на рис. 1.26, г. Уча­сток характеристики, находящийся между значениями давле­ний Рнас 1 и Рнас 2 > соответствует зоне регулирования насоса, причем разность указанных давлений равна установившейся ошибке ер, с уменьшением которой возрастает точность регу­лирования давления. Наибольшая точность будет при ер = 0. В этом случае регулятор поддерживает постоянное давление на выходе из насоса при изменении его подачи от нулевого до максимального значений. Однако осуществлению такой точно­сти регулирования может помешать неустойчивость системы, состоящей из регулятора и насоса с подключенным к нему ги­дроприводом. Чтобы устранить неустойчивость, в регулятор вводят дополнительные корректирующие устройства.

В ряде случаев требуется поддерживать не давление на выходе из насоса, а близкую к постоянной мощность насоса при различных значениях его подачи. Такое требование, на­пример, возникает, когда насос приводится в действие от ди­зеля. Для поддержания постоянной мощности насоса зависи­мость его подачи от давления должна быть близка к гипер­болической (рис. 1.26, д), так как необходимо, чтобы выполня­лось соотношение

ФнасРнас — COnst.

При подключении нескольких гидроприводов к одному ис­точнику энергопитания повышение его эффективности, как бы­ло отмечено ранее, может обеспечить чувствительная к на­грузке на гидроприводы система регулирования насоса. В та­кой системе автоматически изменяется настройка регулятора насоса в зависимости от действующих на выходные звенья ги­дроприводов нагрузок.

Известны различные конструкции регулируемых насосов, применяемых в источниках энергопитания гидроприводов. Ре­гуляторы насосов также достаточно разнообразны; по виду

Рис. 1.27. Схемы гидромеханических регуляторов пря­мого (а) и непрямого (б) действия

Основных устройств их подразделяют на гидромеханические и электрогидравлические.

Схема гидромеханического регулятора прямого действия, управляющего подачей аксиально-поршневого насоса 1, дана на рис. 1.27, а. Регулятор имеет поршень 2, на который с од­ной стороны действует давление ркас жидкости, подведенной из напорной камеры насоса. С противоположной стороны пор­шень нагружен пружиной 3 и посредством штока 4 соединен с наклонной шайбой 5 аксиально-поршневого насоса. При да­влении рнас 1 сила пружины превышает силу от действия да­вления на поршень, поэтому он смещен в крайнее правое поло­жение, при котором шайба наклонена на максимальный угол Тшах) соответствующий максимальной подаче насоса. По мере увеличения давления на выходе из насоса поршень, преодоле­вая силу пружины, смещается влево, уменьшая при этом угол наклона шайбы. Когда давление достигнет значения рНас2> поршень установит шайбу в положение, при котором угол 7 близок к нулю. Подача насоса в этом случае будет равна утеч­кам жидкости по зазорам в насосе и регуляторе. При падении давления рнас снова увеличивается угол 7 наклона шайбы, тем самым повышается подача насоса.

Зависимость установившихся значений подачи фНас насо­са от давления ркас на выходе из насоса определяется стати­ческой характеристикой, которую найдем, воспользовавшись уравнением равновесия поршня регулятора

*$рРнас “ ^шт “ ^Опр спрУр — О? (1.20)

Где 5Р — площадь поршня регулятора, на которую действует

Давление Рнас; Ршт — сила, приложенная к штоку 4 со стороны шайбы 5 насоса; Ропр и спр — сила при начальном натяжении пружины 3 и ее жесткость; ур — перемещение поршня 2 регу­лятора, измеренное ОТ положения, при котором 7 = 7шах*

Для рассматриваемой схемы насоса

Фнас = ^о^п^н^п^ос ^5 7? (1*21)

Где гп — число плунжеров (поршней) насоса; пн — частота

Вращения вала насоса; 5П — площадь поперечного сечения од­ного плунжера насоса; Бос — диаметр окружности, на которой расположены оси плунжеров насоса.

В данном случае угол наклона шайбы связан с перемеще­нием штока регулятора следующим соотношением:

Ур = ^8 7т« “ ^7) Гр, (1.22)

Где гр — расстояние от оси поворота шайбы до оси штока регулятора.

Предполагая, что Ршт мало по сравнению с Ропр и незна­чительно изменяется в зависимости от 7, с помощью формул (1.20)—(1.22) получаем уравнение статической характеристики в виде

Фнас = Фнас 1 ^р(Рнас “ Рнас 1)> (1.23)

Ропр + ^шт ^ 0 ~

Где Рнас 1 — г» ? Унас1 — г1о^пп^и^ос »»87тах*

Ор

Величины (?нас1 и Рнас 1 являются координатами началь­ной точки регулируемого участка характеристики насоса (см. рис. 1.26, г), поэтому в уравнении (1.23) рнас > РнасЬ а коэф­фициент Кр определяется соотношением

Гг '^рТ/о^пЯ'Н'З'п-^ОС Ар —

Спр^р

Согласно (1.24) при увеличении жесткости спр коэффици­ент Кр уменьшается, соответственно регулируемый участок характеристики насоса становится более пологим. С уменьше­нием жесткости пружины крутизна этого участка возрастает и значение установившейся ошибки ер регулирования давления на выходе из насоса также уменьшается. Однако при боль­шом значении коэффициента Кр процесс регулирования мо­жет быть неустойчивым: возникают расходящиеся колебания поршня регулятора вместе с шайбой насоса, что приводит к колебаниям жидкости в напорной и сливной магистралях ис­точника энергопитания.

Наличие в регуляторе прямого действия поршня, который выполняет функции чувствительного элемента, измеряющего отклонение давления от допустимых значений, и одновремен­но служит исполнительным устройством, управляющим углом наклона шайбы насоса, ограничивает возможности обеспече­ния высокоточного регулирования. В более совершенных ре­гуляторах чувствительный элемент отделен от исполнитель­ного устройства и управляет им с помощью вспомогательно­го гидравлического усилителя. Схема такого регулятора не­прямого действия показана на рис. 1.27,6. Чувствительным элементом является золотник 6, нагруженный пружиной 7. Жидкость из напорной камеры насоса подводится в полость слева от золотника, а также поступает в кольцевое простран­ство между буртами золотника. На кромках среднего бурта сделаны прорези, через которые жидкость попадает в канал, соединенный со сливом. При смещении золотника от средне­го положения проходное сечение одной прорези увеличивается, другой — уменьшается, что вызывает изменение давления ру в полости гидроцилиндра, управляющего положением шайбы насоса. Статическая характеристика регулятора зависит те­перь не только от жесткости пружин, нагружающих золотник и поршень гидроцилиндра, но и от размеров прорезей на кром­ках золотника.

В электрогидравлическом регуляторе применяют датчик, преобразующий измеряемое на выходе из насоса давление в электрический сигнал, который через электронный усилитель передается на вход ЭГУ При смещении в соответствии с этим сигналом золотника ЭГУ изменяется давление в полостях ги- дроцилиндра и управляющий шайбой или каким-либо другим регулирующим органом насоса поршень перемещается. Жид­кость под давлением поступает в ЭГУ от регулируемого насо­са или от отдельного насоса, вал которого приводится во вра­щение от общего с регулируемым насосом двигателя. Элек - трогидравлический регулятор по сравнению с гидромеханиче­ским позволяет в более широких пределах осуществлять его настройку и корректирование как статической, так и динами­ческой характеристик. Электрические сигналы могут переда­ваться на вход ЭГУ не только от датчика давления, но и от ЭВМ, посредством которой обеспечивается оптимальное упра­вление энергоснабжением системы гидроприводов. Управляе­мый с помощью ЭГУ насос может быть также составной ча­стью гидропривода с объемным регулированием (см. рис. 1.2).

При описании источников энергопитания гидроприводов газогидравлический аккумулятор был показан только на рис. 1.26,6 в связи с тем, что без него нельзя поддерживать давление рп, если насос работает с автоматом разгрузки. Но необходимость в аккумуляторе (газогидравлическом или с на­груженным пружиной поршнем) возникает и в тех случаях, ко­гда быстродействие переливного клапана или регулятора на­соса недостаточно для поддержания давления рп при резких изменениях расхода (^п в напорной магистрали.

Для бесперебойного поступления жидкости в насос раз­меры бака должны быть такими, чтобы находящаяся в нем жидкость могла заполнить всю систему, а оставшееся количе­ство жидкости равнялось приблизительно подаче насоса за од­ну минуту. Более точно объем бака определяют в результате теплового расчета системы гидроприводов вместе с источни­ком энергопитания при наличии или в отсутствие охладителя жидкости.

Компрессорные установки, к которым подключают пнев­моприводы на промышленных предприятиях, имеют свою ре­гулирующую аппаратуру. В летательных аппаратах и транс­портных машинах источниками энергопитания пневмоприво­дов могут быть автономные компрессоры, ступени компрессо­ров или турбин реактивных двигателей, работающие на твер­дом или жидком топливе генераторы газа. Регулирование та­ких источников энергопитания осуществляют преимуществен­но с помощью клапанных устройств, так как возможности ис­пользования золотников ограничены вследствие плохой смазы­вающей способности газов, которые к тому же могут содер­жать частицы продуктов сгорания топлива.

В некоторых системах управления источники энергопита­ния могут состоять из газового мотора и насоса. Это при необ­ходимости позволяет уменьшить влияние сжимаемости рабо­чей среды на динамические харатеристики системы, применив в ней гидроприводы вместо пневмоприводов.