При работе различного рода технологического оборудования, оснащаемого гидравлическими и пневматическими системами, часто возникает необходимость изменения скорости движения исполнительных двигателей.
Известны два способа регулирования скорости - объемный и дроссельный.
Объемный способ регулирования скорости гидродвигателей заключается в применении регулируемых насосов и гидроцилиндров. Объемным этот способ называют потому, что регулирование скорости осуществляется путем изменения рабочих объемов насосов и моторов. Схема объемного регулирования частоты вращения гидромотора приведена на рис.2.122.
Рис.2.122. Схема объемного бесступенчатого регулирования скорости движения гидравлических двигателей
Регулируемый насос 1 подает рабочую жидкость к регулируемому гидромотору 3. Тогда частота вращения выходного вала гидромотора ωм будет определяться по формуле: ωм = Qн/vм = vнnн/vм, где Qн – подача насоса, vн, vм- рабочий объем соответственно насоса и мотора, nн- частота вращения приводного вала насоса. Поскольку в схеме применены регулируемые и насос, и мотор, то в этом приводе частоту вращения вала гидромотора можно изменять, меняя рабочие объемы и насоса, и мотора. Такое регулирование может давать диапазон R изменения скорости (отношение наибольшей частоты вращения к наименьшей) более 1000. Регулирование скорости получается бесступенчатым в широком диапазоне, причем приведенная схема обеспечивает и реверсирование привода. Поскольку схема объемного регулирования скорости представляет собой замкнутую систему, то для восполнения возможных наружных утечек и создания во всасывающей полости регулируемого насоса давления подпора Pп необходимо подключить в схему насос подпитки 2 со своим предохранительным клапаном 6. Благодаря обратным клапанам, насос подпитки подкачивает жидкость всегда во всасывающую полость основного насоса 1. Если, например, насос 1 начнет качать вниз (по схеме), т.е. нижний трубопровод станет напорным, а верхний всасывающим, то насос подпитки будет подавать жидкость через верхний обратный клапан именно во всасывающий трубопровод (нижний обратный клапан будет закрыт действием давления в напорной гидролинии). Предохранительные клапаны давления 4 и 5 обеспечивают ограничение давления в напорных гидролиниях основного насоса.
Другой способ регулирования скорости двигателей - дроссельный заключается в изменении величины подаваемого к двигателю потока рабочей среды путем ее дросселирования. Как уже установлено выше, для этого используются аппараты регулирования расхода - дроссели, источники энергии в этом случае нерегулируемые. По месту установления дросселя по отношению к двигателю различают дроссельное регулирование на входе в двигатель, на выходе из него, на ответвлении и смешанное дроссельное регулирование.
Эти схемы представлены на рис.2. 123. Способы дроссельного регулирования «на входе» и «на выходе» (рис.2.123а, б) называют последовательным дроссельным регулированием, т.к. дроссель в этих случаях включается в гидролинии последовательно с двигателем. Дроссельное регулирование на «ответвлении» (рис.2.123в) называется параллельным дроссельным регулированием, потому что дроссель включается в этом случае параллельно двигателю. Смешанное регулирование (рис.2.123г) называют параллельно-последовательным или дроссельно-дифференциальным. Название «дроссельно-дифференциальное регулирование» означает, что этот способ регулирования может быть применен лишь для дифференциальных цилиндров (эффективные площади левой и правой полостей цилиндра различные по величине).
Проанализируем эти способы регулирования. Дроссельное регулирование «на входе» (рис.2.123) обеспечивает цилиндру с двусторонним штоком одинаковые скорости движения поршня в обе стороны v = Qдр/S при постоянном давлении Pн на входе в аппарат, равным настройке предохранительного клапана, Pн = Gпр/Sкл. Зависимость скорости от открытия дросселя линейная. Если нагрузка на поршень в виде силы F переменна по величине, то это влияет на регулировочную характеристику. Это влияние носит нелинейный характер, причем с ростом нагрузки скорость движения уменьшается. Потребляемая насосом мощность Nпотр при дроссельном регулировании постоянна и максимальна и равна Nпотр = PнQн, где Qн - подача насоса.
Дроссельное регулирование «на выходе» имеет одинаковые регулируемые статические характеристики с дроссельным регулирование «на входе». Поэтому считается, что способы дроссельного регулирования «на входе» и «на выходе» с точки зрения статики равнозначны. Однако с точки зрения динамики это не равнозначные способы. При регулировании «на выходе» работа двигателя происходит при постоянном подпоре в сливной полости двигателя (даже при отсутствии нагрузки F). Этот подпор повышает и давление в напорной области Pн, что в конечном счете увеличивает частоту собственных колебаний привода регулированием «на выходе» при прочих равных условиях по сравнению с регулированием «на входе». Особенно это выгодно в случае знакопеременной нагрузки F. Поэтому с точки зрения динамики способ дроссельного регулирования «на выходе» предпочтительнее. Однако потребляемая насосом мощность в этом случае несколько выше, чем при регулировании «на входе».
Рис.2.123. Схемы дроссельного регулирования скорости движения гидравлических двигателей: а - последовательное регулирование «на входе»; б - последовательное регулирование «на выходе»; в - параллельное регулирование (регулирование «на ответвлении»); г - параллельно-последовательное регулирование (смешанное или дроссельно-дифференциальное регулирование)
Дроссельное регулирование «на ответвлении» (дроссельно-параллельное, рис.2.123в) имеет наихудшие по качеству статические регулировочные характеристики, так как на величину скорости чувствительное влияние оказывают утечки насоса и колебание самой нагрузки, приводящей к колебаниям давления Р. Поэтому этот способ регулирования рекомендуется применять при постоянной и небольшой по величине нагрузке F. Положительным моментом при регулировании «на ответвлении» является прямая зависимость потребляемой насосом мощности Nпотр от нагрузки: Nпотр = PQн = var. При ее отсутствии мощность потребляемая минимальна и растет с ростом нагрузки. Здесь же надо заметить, что скорость движения поршня v растет с уменьшением площади проходного сечения дросселя и пропускаемого им потока Qдр.
Дроссельно-дифференциальное (параллельно - последовательное) регулирование скорости (рис.2.123г) основано на использовании лишь дифференциальных цилиндров и дает возможность проводить не только регулирование скорости, но и реверс поршня. Если в трех предыдущих схемах для реверса нужен был гидрораспределитель, то в этой схеме реверс гидравлического двигателя осуществляется настройкой самих дросселей.
Ведь если изменить настройку хотя бы одного из дросселей Др1 и Др2, то изменится и давление Р в левой полости цилиндра. Вследствие этого нарушится равновесие сил на поршне (PS1 = F + PнS2). Поэтому поршень будет двигаться в сторону большей силы со скоростью v, зависящей от открытия дросселей. Например, если перекрывать дроссель Др2 при постоянном открытии дросселя Др1, то давление Р начнет возрастать, и сила, действующая на поршень слева, превысит сумму сил, действующих на поршень справа. Тогда поршень будет двигаться вправо. Если же дроссель Др2 открывать, то поршень будет двигаться влево. Если при постоянном открытии дросселя Др2 уменьшать открытие дросселя Др1, то давление Р будет уменьшаться, а поршень начнет двигаться вправо. При увеличении открытия дросселя Др1 поршень начнет двигаться вправо.
Дроссельно-дифференциальное регулирование скорости увеличивает быстродействие гидравлического привода, особенно в тех случаях, когда изменение проходных сечений обоих дросселей взаимосвязано: увеличение одного приводит к уменьшению другого. Поэтому этот способ регулирования нашел широкое применение в системах автоматического регулирования, в частности, в гидравлических следящих (копировальных) приводах. Однако, потребляемая насосом мощность при этом способе регулирования скорости гидравлических цилиндров максимальна и постоянна независимо от величины нагрузки на двигателе.