книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

ная (обобщенная) характеристики, определяемые так же, как статические характеристики.

Статической характеристикой гидравлических устройств называется зависимость, связывающая между собой различные установившиеся значения либо двух, либо трех следующих величин: расхода рабочей среды, перепада давления, перемещения запорно-регули- рующего элемента [2].

Статические характеристики показывают в квазистационарном режиме зависимость между двумя параметрами при фиксированных (постоянных) значениях входного сигнала: расходная qд = ϕ(x) при

pд −idem; перепадная pд = ϕ(x) при qд −idem; расходно-перепадная qд = ϕ( pд, x), где qд – расход, pд – перепад давления, x – переме-

щение запорно-регулирующего элемента (см. рис. 53, 55, 58). Статические характеристики могут быть получены из известных

формул расхода рабочей среды в гидравлических устройствах, например по формуле (21).

На основании статических характеристик рассчитываются конструктивные и геометрические параметры дросселирующих распределителей и гидроусилителей. Кроме того, они имеют большое значение для определения коэффициентов передачи, постоянных времени, демпфирующих и энергетических свойств гидросистемы. Сравнительный анализ статических и энергетических характеристик с учетом характеристик управления позволяет осуществить в соответствии с техническими требованиями научно обоснованный выбор количества каскадов усиления, типа дросселирующих устройств, структуры гидроусилителей и построить оптимальную гидравлическую систему управления [17].

Дросселирующие гидрораспределители сопло-заслонка имеют простую конструкцию, состоящую из заслонки и одного или двух сопел, а также постоянных дросселей. Примеры конструктивного исполнения однощелевого и двухщелевого дросселирующего распределителя показаны на рис. 51.

131

Рис. 51. Конструктивные схемы дросселирующего гидрораспределителя сопло-заслонка

Заслонка перемещается вдоль или поперек оси сопла, изменяя гидравлическое сопротивление дросселя. Жидкость чаще движется от сопла к заслонке, но применимо и обратное направление движения. В зазоре между соплом и заслонкой возможны два вида течения жидкости – отрывное и безотрывное. Не следует допускать существования двух видов течения для исключения неоднозначности рас- ходно-перепадной характеристики дросселя. Для этого необходимо скруглять острые кромки сопла, уменьшать площадь торцовой поверхности сопла и повышать давление в полости, куда вытекает жидкость из зазора.

Дросселирующие гидрораспределители сопло-заслонка относятся к квадратичным турбулентным дросселям, поэтому их статические характеристики имеют высокую стабильность в широком диапазоне изменения температуры. Вследствие достаточно большого зазора между соплом и заслонкой они могут работать на слабо очищенных жидкостях.

Однощелевой дросселирующий гидрораспределитель соплозаслонка (рис. 51, а) имеет несимметричные статические характеристики. Для него характерен дрейф величины начального давления

132

в междроссельной камере между соплом и постоянным дросселем при изменении температуры рабочей жидкости [2, 17].

Указанные недостатки отсутствуют у двухщелевого дросселирующего распределителя (рис. 51, б) сопло-заслонка, имеющего конструктивную симметрию и симметрию статических характеристик.

Для построения статических характеристик необходимо вывести уравнение обобщенной характеристики, которое получают, вводя понятие идеализированной модели рассматриваемого гидроаппарата. Этот гидроаппарат принято называть идеальным. Для него справедливы следующие допущения: рабочая жидкость невязкая; коэффициент расхода дросселя сопло-заслонка не зависит от перемещения заслонки; потери давления в соединительных гидролиниях и на нерегулируемых участках сопла отсутствуют; давление питания постоянно, а давление слива равно нулю.

Для примера рассматривается гидравлический мостик соплозаслонка, представляющий собой гидроаппарат, состоящий из двух гидравлических потенциометров, в одну диагональ которого включена нагрузка, а в другую – источник питания (рис. 51, б и рис. 52) [2].

Рис. 52. Гидравлический мостик сопло-заслонка

133

Основу симметричного гидравлического мостика составляют четыре гидравлических сопротивления (дроссели), два из которых постоянные и имеют гидравлическую проводимость G1 и G2 , а два

других – переменные проводимостью G3 (h) и G4 (h). Гидравличе-

ская проводимость регулируемых дросселей изменяется при смещении заслонки от своего нейтрального положения и определяется зависимостью

h0 – зазор между соплом и заслонкой при ее нейтральном положении; h – смещение заслонки из нейтрального положения.

При нейтральном положении заслонки относительно сопел, гидравлическая проводимость G0 регулируемых дросселей примет вид

Гидравлическая проводимость Gн.с собственных сопротивлений

сопла определяется сопротивлением каналов, поворотных устройств, фильтров, входных отверстий и цилиндрического насадка сопла на пути жидкости от точки присоединения диагонали до среза сопла и не учитывается в идеальном гидроаппарате.

Гидравлическая проводимость нерегулируемых дросселей

Перепад давлений pд = p3 − p4 мостика называется давлением нагрузки, а расход qд – расходом в диагонали мостика. Гидравличе-

ский мостик относится к элементам управления с большим сопротивлением (импедансом) нагрузки, так как обладает свойством изменения давления pд в широких пределах при сравнительно малых

расходах qд в диагонали.

Расходная характеристика qд = ϕ(h) устанавливает зависимость расхода жидкости в диагонали от смещения заслонки при постоян-

134

ной нагрузке. Эта характеристика определяет начальную скорость нагрузки и позволяет оценить ее быстродействие.

Для идеального гидравлического мостика qд = 0,5 (q4 −q3 ) или

Полезный максимальный расход (qд )max в диагонали мостика

соответствует расходу сопла при нейтральном положении заслонки и возрастает с увеличением расхода сопла qс при нейтральном по-

ложении заслонки (h = 0). Следовательно, для увеличения расхода

жидкости в диагонали мостика с целью повышения быстродействия гидроаппарата нужно увеличивать начальный расход через сопла.

Из уравнения расходной характеристики следует, что идеальный дросселирующий гидрораспределитель сопло-заслонка обладает сравнительно малым полезным расходом жидкости в диагонали и имеет идеальную линейную зависимость этого расхода от перемещения заслонки.

Перепадная характеристика pд = ϕ(h) показывает зависимость

давления в диагонали мостика от смещения заслонки при установившемся движении жидкости и постоянном расходе в диагонали. Перепадная характеристика идеальной модели нелинейная, но в диапазоне смещения заслонки от h = 0 до h = hmax имеет близкую к ли-

нейной зависимость pд = kphh, где kph – коэффициент передачи мости-

ка по нагрузке. Перепадная характеристика может быть использована для расчета жесткости пружин в статическом гидроусилителе.

Расходно-перепадная характеристика qд = ϕ( pд,h) устанавли-

вает зависимость между расходом и давлением в диагонали при различных положениях заслонки. Эта характеристика дает представление о полезных расходах, давлениях и мощностях гидроаппарата. В центральной части характеристики выделяется расчетная зона, где

135

кривые близки к линейным зависимостям, и используется для работы гидроусилителя.

При переходе к статическим характеристикам реального гидроаппарата необходимо учесть, что они выражаются сложными нелинейными уравнениями. Упрощение математической модели возможно при линеаризации исходных уравнений. Уравнение линеаризованной расходно-перепадной характеристики примет вид

Рис. 53. Статические характеристики дросселирующего гидрораспределителя сопло-заслонка: а – расходная; б – перепадная; в – расходно-перепадная

136

Из линеаризованного уравнения расходно-перепадной характеристики (28) могут быть получены уравнения расходной и перепадной характеристик. Статические характеристики дросселирующего гидрораспределителя сопло-заслонка представлены в относительных координатах на рис. 53.

Дросселирующий гидрораспределитель со струйной трубкой

[2] конструктивно состоит из струйной трубки 1 и приемной плиты 2, к которой присоединены исполнительные гидролинии 3 и 4. Конструктивная схема гидроаппарата представлена на рис. 54.

pк;qк

A-A

1

2

p3 4 3 p4

Рис. 54. Конструктивная схема дросселирующего гидрораспределителя со струйной трубкой

В насадке струйной трубки 1 потенциальная энергия жидкости под давлением pк преобразуется в кинетическую энергию вытекаю-

щей струи. Затем снова происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную при попадании струи в приемные окна плиты 2, расположенные напротив насадка.

137

Угловое перемещение струйной трубки относительно оси вращения приводит к перераспределению энергии в приемных окнах и, следовательно, к появлению перепада давления в исполнительных гидролиниях 3 и 4, соединяющих приемные окна плиты 2 с рабочими полостями гидродвигателя.

Приемные окна выполняются обычно круглой формы. Для расширения диапазона линейности перепадной и расходной характеристик, а также увеличения расхода в гидролиниях 3 и 4 при относительно малых перемещениях z струйной трубки отверстия в приемной плите иногда выполняют прямоугольной формы.

Зазор δ между срезом сопла конического насадка и входом в приемные окна плиты 2 составляет (4,05...4,20)dс. На таком рас-

стоянии струя расширяется и при нейтральном положении струйной трубки 1 перекрывает приемные окна. Допустимо уменьшение зазора δ до существенно меньших значений. Ширина перемычки между

приемными окнами составляет (2,0...5,0) 10−4 м.

Дросселирующий гидрораспределитель со струйной трубкой отличается высокой чувствительностью, так как для поворота трубки требуется очень небольшое усилие. Он невосприимчив к загрязнению рабочей жидкости вследствие достаточно большого диаметра dс сопла насадка. У него практически отсутствует «уход» нуля при

изменении давления питания и вязкости [17].

Однако гидроаппараты этого типа конструктивно и технологически сложны, имеют относительно сложные регулировки, склонны при некоторых сочетаниях конструктивных и гидравлических параметров к возникновению вибраций.

Истечение жидкости из насадка струйной трубки может происходить в незатопленную среду (атмосферу) и в свободно затопленную (заполненную жидкостью) среду. Затопленная среда улучшает характеристики дросселирующего гидрораспределителя, потому что воздух не попадает вместе со струей в приемные окна и увеличивается демпфирование колебаний струйной трубки.

138

Гидрораспределители со струйной трубкой применяют в основном для управления предварительных каскадов усиления. Использование в исполнительных каскадах силового гидропривода при наличии источника питания большой мощности ограничено непроизводительным расходом утечек.

Модель идеального гидрораспределителя со струйной трубкой предполагает постоянство давления питания и скорости истечения жидкости из струйной трубки, отсутствие гидравлических потерь в гидроаппарате, давление в полости истечения струи, равное нулю, а значение коэффициента истечения сопла, равное единице.

Скорость струи, вытекающей из сопла трубки,

Средняя скорость струи составляет 30...50 м/с. Скорость по се-

чению свободной турбулентной струи, вытекающей из сопла, неравномерна. Вследствие этого, а также гидравлических и объемных потерь, статические характеристики можно представить в линеаризованном виде. Для обобщенной статической характеристики

139

сткости обобщенной гидравлической характеристики по нагрузке, kpq =1/ kqp .

Коэффициенты уравнений (30) находят из графиков статических характеристик или аналитически по приближенным формулам. Статические характеристики дросселирующего гидрораспределителя струйного типа в относительных величинах представлены на рис. 55.

Рис. 55. Статические характеристики дросселирующего гидрораспределителя струйного типа: а – расходная; б – перепадная; в – расходно-перепадная

Уравнения (30) и статические характеристики на рис. 55 показывают, что дросселирующий гидрораспределитель струйного типа имеет большой коэффициент скольжения kqp и сравнительно мяг-

кую обобщенную и перепадную характеристики, поэтому, обладая хорошим демпфированием, отличается повышенным скольжением под нагрузкой, что затрудняет его применение при больших нагрузках и мощностях.

Наиболее широкое применение в гидросистемах находят дрос-

селирующие гидрораспределители золотникового типа [2]. На-

пример, четырехлинейный дросселирующий гидрораспределитель (рис. 56) обеспечивает симметрию сил и позволяет простыми средствами уменьшить вредные силы, действующие на золотник, имеет малые значения расхода утечек и дрейфа нуля при изменении темпера-

140