Распечатать

Гидравлика & Пневматика

Энергосбережение в приводах с дросселирующими гидрораспределителями

25.08.2015
Новые возможности энергосбережения в приводах с дросселирующими гидрораспределителями

Проблема энергосбережения в приводах современных машин становится все более актуальной. Применительно к гидроприводам энергосберегающие технологии позволяют также повысить надежность, упростить конструкцию (например, уменьшить вместимость баков, исключить теплообменники), существенно увеличить срок службы рабочих жидкостей (РЖ) и уплотнений.

КПД гидроприводов напрямую зависит от дроссельных потерь мощности Рпот в компонентах, через которые проходит поток РЖ Q, л /мин, при перепаде давлений Δр, кГс/см2: Рпот = Δр · Q/612 кВт.

При этом потери давления, равные 10 кГс/см2, вызывают разогрев проходящего потока РЖ на 0,6 оС.

Широко распространенные приводы с четырехкромочными дросселирующими гидрораспределителями (ДГР) классической версии обладают превосходным комплексом статических и динамических характеристик, однако их существенным недостатком является пониженная энергоэффективность. Поскольку для таких систем максимум отдаваемой мощности достигается при потере 1/3 подводимого давления на рабочих кромках золотника, их КПД не может быть выше 0,66. Кроме того, потери существенно увеличиваются в случае применения дифференциальных гидроцилиндров.

 Рис. 1. Схема с четырехкромочным ДГР классической версии

Рассмотрим гидросистему (рис. 1) с дифференциальным гидроцилиндром 1 (соотношение площадей штоковой Ашт и поршневой Ап камер Ашт / Ап = φ), четырехкро-мочным ДГР 2 с приводом от задающего шагового электродвигателя (ШД) [1] и наиболее экономичным трехлинейным компенсатором давления 3, поддерживающим постоянство перепада давлений Δрвх = 10 кГс/см2 на входной кромке золотника ДГР и изменяющим давление в напорной линии нерегулируемого насоса в зависимости от нагрузки на гидроцилиндре (Р и Т – напорная и сливная линии).

Если пренебречь силами трения в цилиндре, потерями давления в гидросистеме, а также принять инженерные размерности площади А, см2; давления р, кГс/см2; скорости v, м/мин; усилия F, кГс и площади проходного сечения дросселирующих кромок золотника f, мм2, для движения вправо можно записать: Qвх = 0,1·Av ; Qвых = 0,1·Av φ ; где Qвх и Qвых – расходы РЖ через входную и выходную кромки золотника ДРГ. Площадь проходного сечения входной кромки: fвх = Av/19.

Учитывая, что в данном случае площади проходных сечений входной и выходной кромок одинаковы, записываем уравнение расхода РЖ через выходную кромку: 0,1·Av φ = 0,6·, откуда перепад давлений на выходной кромке: Δрвых = (φ/0,316)2 . Поскольку на шток гидроцилиндра справа действует сила F, уравнение усилий имеет вид: (р – 10)А = F + (φ/0,316)2 · Aφ, где р – давление в напорной линии Р.

Если принять А = 50 см2, F = 4000 кГс и φ = 0,5, получаем р = 91,25 кГс/см2.

Теперь рассмотрим движение влево вхолостую (быстрый возврат).

Qвх = 0,1·Av ; Qвых = 0,1·Av/φ ; Уравнение расхода РЖ через выходную кромку золотника: 0,1·Av/φ = 0,6·, откуда Δрвых = . Уравнение усилий на гидроцилиндре: (р – 10)Aφ = ·А, откуда р = 10и при φ = 0,5 имеем р = 90 кГс/см2.

В результате мы видим, что давления р при движении вправо под нагрузкой и влево вхолостую практически одинаковы из-за того, что в последнем случае существенно возрастает подпор в сливной линии, действующий на площадь поршня.

Зависимость р = f (φ) при Δрвх = 10 кГс/см2 для втягивания штока гидроцилиндра без нагрузки показана на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость р = f (φ) при Δрвх = 10 кГс/см2

Таким образом, существующие методы снижения и стабилизации потерь давления на кромках золотника ДГР (компенсаторы давления, LS-регуляторы насосов) относятся к входным кромкам, а потери на выходных остаются как бы "в тени" и в ряде случаев являются причиной значительных потерь мощности. Решением проблемы может быть использование ДГР с асимметричными потоками к гидродвигателю, имеющих различные площади проходных сечений дросселирующих кромок. Недостаток этого метода - отсутствие гибкости управления и возможности точного подбора проходных сечений для громадного разнообразия сочетаний площадей рабочих камер гидроцилиндров.

Применение четырехкромочных ДГР с раздельным регулированием открытия дросселирующих кромок - идея, которая в последние годы начинает все шире обсуждаться разработчиками инновационного гидрооборудования [2]. Один из возможных вариантов - соединение камер цилиндра с линиями Р или Т через два двухкромочных ДГР (рис. 3). Здесь может быть любое заранее заданное программой соотношение открытий входной и выходной кромок. В свете впечатляющего развития систем электронного управления последний вариант представляется наиболее перспективным.

Проведя несложные выкладки, подобные описанным выше, можно сказать, что при втягивании штока без нагрузки и Δрвх = 10 кГс/см2 площадь проходного сечения на выходе должна быть в 2,83 раза больше, чем площадь на входе. В этом случае р = 20 кГс/см2.

Рис. 3. Схема ДГР с раздельным регулированием открытия рабочих кромок: 1 – гидроцилиндр; 2 – ДГР; 3 – трехлинейный компенсатор давления

Оптимальное соотношение открытий дросселирующих кромок может обеспечиваться автоматически путем установки в камерах гидроцилиндра датчиков давления ДД1 и ДД2, позволяющих стабилизировать на заданном уровне (возможно уменьшающемся в зависимости от скорости движения) перепад давлений Δрвых на выходных кромках. Так например, при движении вправо скорость задается шаговым электродвигателем ШД1, а ШД2 управляется от датчика ДД2 таким образом, что в штоковой камере цилиндра устанавливается заданное программой давление подпора. При движении влево функцию задания скорости реализует ШД2, а стабилизацию давления подпора - ШД1.

Дальнейшая возможность снижения потерь мощности - уменьшение давления настройки Δр компенсатора с помощью специального ШД3, изменяющего усилие пружины. Однако, во избежание ухудшения жесткости привода и точности позиционирования это рекомендуется производить пропорционально скорости движения гидроцилиндра с тем, чтобы в режиме позиционирования Δр был достаточно высоким.

Интересной особенностью схемы (рис. 3) является возможность реализации дифференциального включения цилиндра путем одновременного соединения его рабочих камер с линией Р, причем переключение с дифференциальной схемы на обычную может производиться непосредственно в процессе движения штока вправо после соединения штоковой камеры с линией Т. Для реализации ручных наладочных перемещений рабочих органов обе камеры могут одновременно соединяться с линией Т.

Возможность программного изменения проходных сечений всех дросселирующих кромок позволяет снизить потери мощности и улучшить динамическое качество привода.

Разработанный в ЭНИМСе вариант ДГР с раздельным регулированием открытия рабочих кромок показан на рис. 4.

Рис. 4. ДГР с раздельным регулированием открытия рабочих кромок

Аппарат состоит из корпуса 11, гильзы 12, двухкромочных золотников 13, крышек 1, шаговых электродвигателей 9, фланцев 7, эксцентриков 6, винтов 3 и 4, возвратных пружин 2, подшипников 5 и 15, манжет 8, маховичков 10 и пробки 14 сливной линии. В нейтральной позиции, настраиваемой регулировкой винтов 3 и 4, золотники удерживаются пружинами 2. При повороте шаговых электродвигателей на угол до ± 45о (ограничен стопором) эксцентрики 6 через подшипники 15, расположенные в поперечных пазах золотников 13, смещают последние в осевом направлении, сжимая пружины 2. Каждый из золотников соединяет линии подключения гидродвигателя А и В с напорной Р или сливной Т линией, обеспечивая движение гидродвигателя в соответствующем направлении со скоростью, определяемой углом поворота вала ШД. При отключении ШД (аварийном или штатном) развиваемый им крутящий момент падает, и золотник пружинами устанавливается в нейтральную позицию, соответствующую остановке гидродвигателя. Гидрораспределитель имеет условный проход Dу = 10 мм по ISO 4401.

В настоящее время успешно завершены испытания опытного образца аналогичного четырехкромочного ДГР [1]. Изготовление и испытание версии с раздельным регулированием открытия рабочих кромок (рис. 4) зависят от возможностей финансирования этого проекта.

 В.К. Свешников, к.т.н., ЭНИМС

 Список литературы:

1. Иванов Г.М., Свешников В.К., Сазанов И.И. Цифровой распределитель для электрогидравлических приводов // Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 5. С. 30-33.

2. Юрген Вебер. Раздельные управляющие кромки дают много преимуществ // Конструктор. Машиностроитель. 2013. № 2. С. 41.

Гидравлика & Пневматика 24.04.2017 Компания Thomas Magnete GmbH разработала новый «умный» пропорциональный клапан вставного монтажа мод. РРСD08 для регулирования давления. Его основные преимущества — компактные размеры при большой пропускной способности, высокие стабильность и динамика.
Мнение 13.04.2017 Рынок импорта гидравлических компонентов в Россию в 2016 г вырос в стоимостном выражении на 8,5 - 9% по отношению к 2015 году. При этом иностранные производители импортировали в 2016 году готовой продукции на сумму более 310 млн долларов США.
Мнение 11.04.2017 Компания Bosch Rexroth предлагает новую модульную систему управления Rexroth Motion Controls для электрогидравлических осей широкого диапазона мощности, предназначающуюся для самых разнообразных систем- от децентрализованного одноосевого контроллера до сложных многоосевых решений.
Мнение 06.04.2017 Компания Deutsche Messe объявила о слиянии специализированных выставок – ежегодной Industrial Automation и Motion, Drive & Automation, которая до сих пор проводилась на двухгодичной основе. Новая, выставка будет называться IAMD и проводиться в рамках Hannover Messe ежегодно.
Гидравлика & Пневматика 03.04.2017 Гидрораспределители компании Argo-Hytos для станкостроения отличают мощные электромагниты и трех- или пятикамерный дизайн. Для распределителей с условным проходом Dу = 10 мм (расход до 140 л/мин, давление до 350 бар) характерны исключительные значения мощности.
Гидравлика & Пневматика 27.03.2017 Новые быстроразъемные соединения (БРС) мод. FD85 фирмы Eaton широко используются в нефтяной и газовой промышленности, а также в мобильной и промышленной гидравлике, работающей при давлении до 350 бар.
Гидравлика & Пневматика 24.03.2017 Компактный двухконтурный регулируемый аксиально-поршневой насос мод A30VG серии 10 компании Bosch Rexroth полностью совместим с пакетом программных продуктов BODAS для мобильной гидравлики и проверенным стандартным программным обеспечением.
Гидравлика & Пневматика 24.03.2017 Danfoss выпустил орбитальные гидромоторы серий OMP-X и OMR-X с улучшенными техническими характеристиками. В отличие от ранее выпускавшихся моделей OMP/OMR крутящий момент повышен на 15 %, а по сравнению с моделями DH и DS — на 45 %.