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 01.12.2017 Гидравлические фильтры призваны повысить надежность гидропривода и уменьшить риски загрязнения масла. В рамках опроса мы попытались выяснить у экспертов: насколько применим к гидравлическим фильтрам принцип «очистка вместо замены»?
Детали & Материалы 29.11.2017 Методы 3D-печати активно развиваются и начинают проникать в промышленное производство. Крупные компании уже создают специальные КБ, занятые ревизией классических конструкций изделий с учетом возможностей, которые предоставляют аддитивные технологии.
Гидравлика & Пневматика 29.11.2017 В микро-экскаваторе фирмы JCB дизельный двигатель мощностью 14 кВт был заменен 10-киловаттным электродвигателем с литий-титановыми батареями. Системы управления рабочими органами выполнены в виде блоков DDH на основе шестеренных насос-моторов внутреннего зацепления с электрическими сервомоторами.
Детали & Материалы 28.11.2017 Выставка formnext-2017, посвященная новейшим разработкам в области аддитивных технологий, прошла в ноябре во Франкфурте-на-Майне в третий раз и была отмечена рекордным ростом посетителей. Россию представляли десять компаний, в их числе и PICASO 3D производитель устройств для персональной 3D-печати.
Гидравлика & Пневматика 13.11.2017 Контрольные точки давления нельзя назвать принципиально новыми устройствами, однако фирмой Stauff они доведены до совершенства. Эти устройства широко применяются для безопасного подключения к гидросистеме аналоговых, цифровых или дисплейных измерительных приборов с целью тестирования давления.
Гидравлика & Пневматика 13.11.2017 Компания освоила серийное производство нерегулируемых аксиально-поршневых насосов с наклонным блоком компактной серии 311.К с рабочими объемами 12 и 34 см3. Таким образом, номенклатурный ряд теперь содержит типоразмеры от 12 до 107 см3.
Гидравлика & Пневматика 27.10.2017 компания Schmalz выпустила приложение, которое позволяет управлять работой вакуумных компонентов со смартфона или планшета. Разработчики утверждают, что это сделает управление рабочим процессом более прозрачным для пользователей.