Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Регулирование скорости в гидроприводе решает прикладную задачу: задать и удерживать заданную скорость выходного звена гидродвигателя (штока гидроцилиндра или вала гидромотора) при изменении нагрузки. На практике применяют два принципиально разных способа — дроссельное и объёмное регулирование, а также их комбинации. Способы различаются принципом действия, регулировочными и нагрузочными характеристиками, КПД и тепловыделением, поэтому выбор схемы определяет энергоэффективность и тепловой режим всей установки.
В материале разобраны три схемы дроссельного регулирования (с дросселем на входе, на выходе и в ответвлении), объёмное регулирование за счёт изменения рабочего объёма насоса или гидромотора, формула расхода через дроссель, потери мощности и нагрев рабочей жидкости, а также критерии выбора схемы под конкретный гидропривод.
В объёмном гидроприводе скорость выходного звена однозначно связана с расходом, поступающим в гидродвигатель, и его рабочим объёмом (для гидроцилиндра — с эффективной площадью поршня). Поэтому изменить скорость можно двумя независимыми путями: изменить расход на входе в гидродвигатель либо изменить сам рабочий объём гидромашины. На этом и строится разделение способов регулирования.
Согласно действующей терминологии, дроссельное управление — это способ, при котором скорость регулируют изменением гидравлического сопротивления дросселя в напорной, сливной или параллельной линии, а избыток подачи нерегулируемого насоса отводится через переливной клапан в бак. Объёмное (машинное) управление — способ регулирования за счёт изменения рабочего объёма насоса или гидродвигателя, без отвода избыточного потока. Существует также комбинированный, объёмно-дроссельный, способ.
Регулирование рабочим объёмом гидромотора применимо только в приводах вращательного движения. Для гидроцилиндров «объёмное регулирование» означает регулирование рабочим объёмом насоса.
В схеме с дроссельным регулированием используется нерегулируемый насос постоянной подачи и регулируемый дроссель. Изменение проходного сечения дросселя меняет расход, поступающий в гидродвигатель, и тем самым задаёт скорость движения штока или вала. Избыточная часть подачи насоса непрерывно сбрасывается через переливной клапан в бак — это и есть главный источник потерь.
Расход через регулируемый дроссель описывается уравнением истечения через местное сопротивление:
Q = μ · A · √(2 · ΔP / ρ),
где Q — расход через дроссель, м³/с; μ — коэффициент расхода (для дросселей с острой кромкой — порядка 0,6…0,7, зависит от формы канала и числа Рейнольдса); A — площадь проходного сечения, м²; ΔP = P₁ − P₂ — перепад давлений на дросселе, Па; ρ — плотность рабочей жидкости, кг/м³.
Зависимость нелинейная: расход пропорционален корню из перепада давлений. Это значит, что при заданной площади дросселя скорость выходного звена меняется при колебаниях нагрузки, поскольку нагрузка определяет давление в полости гидродвигателя, а через него — перепад на дросселе.
Пусть давление настройки переливного клапана P_н = 16 МПа, давление в полости гидроцилиндра под нагрузкой P_ц = 6 МПа, площадь дросселя A = 5 мм² = 5·10⁻⁶ м², плотность минерального масла ρ ≈ 870 кг/м³, μ = 0,65.
Перепад на дросселе: ΔP = 16 − 6 = 10 МПа = 1·10⁷ Па.
Расход: Q = 0,65 · 5·10⁻⁶ · √(2·10⁷ / 870) ≈ 0,65 · 5·10⁻⁶ · 151,7 ≈ 4,93·10⁻⁴ м³/с ≈ 29,6 л/мин.
Мощность, рассеиваемая на дросселе и идущая в нагрев: ΔN_др = Q · ΔP ≈ 4,93·10⁻⁴ · 1·10⁷ ≈ 4,93 кВт.
Простой регулируемый дроссель не обеспечивает независимости скорости от нагрузки. Чтобы устранить этот недостаток, применяют регулятор расхода — гидроаппарат, в котором последовательно с дросселем установлен компенсатор давления (редукционный или переливной золотник). Компенсатор автоматически поддерживает постоянный перепад на дозирующем дросселе вне зависимости от перепада давлений в подводимом и отводимом потоках, благодаря чему расход через регулятор зависит только от площади дросселя.
Различают двухлинейные регуляторы расхода (компенсатор последовательно с дросселем) и трёхлинейные (компенсатор сливает избыточный поток в бак или вспомогательную линию). Двухлинейные применяют преимущественно с насосами постоянного давления, трёхлинейные — с насосами постоянной подачи в гидросистемах с одним потребителем.
В зависимости от места установки регулирующего дросселя различают три схемы дроссельного регулирования. От выбора схемы зависят регулировочная характеристика, способность работать при знакопеременной нагрузке, тепловой режим и место выделения тепла.
Дроссель ставится в напорной линии перед гидродвигателем, последовательно с ним. Поток, идущий к гидродвигателю, ограничивается сечением дросселя; избыточная подача насоса непрерывно перетекает в бак через переливной клапан, поддерживающий давление настройки.
Особенности схемы:
Дроссель устанавливается в сливной линии после гидродвигателя. Подача насоса идёт в гидродвигатель полностью, а сопротивление сливу формирует противодавление в сливной полости.
Преимущества по сравнению со схемой «на входе»:
Энергетически обе последовательные схемы — «на входе» и «на выходе» — близки: насос постоянно работает при давлении настройки переливного клапана, и избыток подачи сбрасывается в бак с потерей мощности.
Дроссель установлен параллельно гидродвигателю и отводит часть подачи насоса напрямую в бак. В гидродвигатель идёт разность подач — Q_н − Q_др. Регулирование скорости осуществляется изменением расхода через ответвление: чем больше открыт дроссель, тем меньше идёт в гидродвигатель.
Особенности:
Все три схемы дроссельного регулирования не обеспечивают постоянства скорости при изменении нагрузки. Для стабилизации скорости вместо обычного дросселя устанавливают регулятор расхода с компенсатором давления.
Объёмное регулирование меняет скорость выходного звена за счёт изменения рабочего объёма регулируемой гидромашины. Поскольку избыток потока не образуется, нет и обязательных потерь на переливной клапан и дросселе. Это главный энергетический выигрыш способа.
В качестве регулируемых гидромашин в объёмных гидроприводах применяются преимущественно аксиально-поршневые (с наклонным диском или наклонным блоком) и радиально-поршневые насосы и гидромоторы. Рабочий объём изменяется за счёт изменения угла наклона диска (блока) или эксцентриситета — что меняет ход поршней за один оборот.
Подача регулируемого насоса описывается соотношением:
Q_н = q_н · n_н · η_об,
где q_н — рабочий объём насоса, м³/об; n_н — частота вращения вала, об/с; η_об — объёмный КПД насоса.
При неизменной частоте вращения изменение рабочего объёма прямо пропорционально меняет подачу, а значит и скорость выходного звена. Давление в напорной линии при этом определяется только нагрузкой на гидродвигателе и сопротивлением гидролиний — энергия не расходуется на дросселирование. Регулирование рабочим объёмом насоса возможно как для приводов поступательного движения (с гидроцилиндром), так и вращательного (с гидромотором).
При неизменном моменте на валу гидромотора такой способ обеспечивает регулирование при постоянном крутящем моменте: изменение подачи меняет частоту вращения, не затрагивая момент.
Изменение рабочего объёма гидромотора применяется только в приводах вращательного движения. При неизменной подаче насоса частота вращения гидромотора обратно пропорциональна его рабочему объёму. При этом крутящий момент уменьшается пропорционально уменьшению рабочего объёма, а мощность (при постоянном давлении) остаётся практически неизменной — это способ регулирования при постоянной мощности.
Применяется в приводах, где нужен широкий диапазон скоростей при относительно постоянной мощности первичного двигателя, например в тяговых трансмиссиях.
Комбинированный способ — одновременное изменение рабочих объёмов и насоса, и гидромотора. Сначала регулируют насос (диапазон с постоянным моментом), затем — гидромотор (диапазон с постоянной мощностью). Это позволяет существенно расширить диапазон регулирования скорости при сохранении высокого КПД.
Системы Load Sensing — современное развитие объёмного регулирования: регулятор насоса получает сигнал давления непосредственно от линии нагрузки и устанавливает рабочий объём так, чтобы насос подавал ровно столько жидкости, сколько требуют исполнительные механизмы, при перепаде на дросселирующих кромках управляющих гидроаппаратов, равном фиксированному значению. Это сочетает гибкость дроссельного управления с экономичностью объёмного.
Энергетика разных схем регулирования различается принципиально. В дроссельном регулировании потери — это «врождённый» элемент схемы: они возникают всегда, когда подача насоса больше потребности гидродвигателя, и всегда, когда есть перепад давлений на регулирующем дросселе.
Вся мощность, рассеянная на дросселе и переливном клапане, преобразуется в тепло и переходит к рабочей жидкости.
Полные потери в дроссельной гидросистеме складываются из:
Полный КПД дроссельной системы — произведение КПД насоса, гидродвигателя и КПД процесса регулирования. У последнего значение тем ниже, чем больше доля подачи сбрасывается через перелив и чем больше перепад «нагрузка — давление настройки переливного клапана».
В установившемся режиме количество выделяемого в гидросистеме тепла равно количеству, отводимому от поверхностей бака, гидролиний и (при необходимости) теплообменника. Уравнение теплового баланса в общем виде:
N_пот = k_тп · S · (t_ж − t_в),
где N_пот — потери мощности, переходящие в тепло, Вт; k_тп — коэффициент теплопередачи поверхности гидробака и гидролиний в окружающую среду, Вт/(м²·К); S — приведённая площадь теплоотводящей поверхности, м²; t_ж — установившаяся температура рабочей жидкости, °C; t_в — температура окружающего воздуха, °C.
При расчёте поверхности гидробака смачиваемая часть учитывается с коэффициентом 1, несмачиваемая — с понижающим коэффициентом, поскольку её теплоотдача ниже из-за паровой прослойки.
Если расчётная установившаяся температура превышает допустимую для применяемой рабочей жидкости, в схему вводят теплообменник (воздушный или водяной маслоохладитель), увеличивают объём гидробака или площадь его поверхности. Для минеральных гидравлических масел типовой верхний предел длительной рабочей температуры — около 60–70 °C; точное значение принимают по техническим условиям на конкретное масло.
Превышение допустимой температуры рабочей жидкости приводит к ускоренному окислению, снижению вязкости, росту внутренних утечек, ухудшению смазки трущихся пар и преждевременному отказу гидрооборудования.
Выбор способа регулирования делают на этапе разработки принципиальной схемы. Опорные критерии: передаваемая мощность, требования к стабильности скорости при изменении нагрузки, характер нагрузки (положительная или знакопеременная), длительность работы под нагрузкой, требования к точности и динамике, ограничения по тепловому режиму.
Дроссельное регулирование меняет скорость гидродвигателя, ограничивая поток с помощью регулируемого дросселя; избыток подачи нерегулируемого насоса непрерывно сливается через переливной клапан. Объёмное регулирование меняет рабочий объём гидромашины, и насос подаёт ровно столько жидкости, сколько нужно гидродвигателю. Объёмное регулирование энергетически выгоднее; дроссельное реализуется проще по схеме и применяемому оборудованию.
Дроссель на выходе ставят, когда нагрузка может быть знакопеременной или обгоняющей: противодавление в сливной полости тормозит гидродвигатель и не даёт ему «убегать». Также схема предпочтительна, когда важно не нагревать сам гидродвигатель — на сливе нагретая жидкость уходит сразу в бак. Дроссель на входе допустим только при стабильной положительной нагрузке.
В параллельной схеме давление в напорной линии равно давлению нагрузки, а не давлению настройки переливного клапана. Потребляемая насосом мощность пропорциональна нагрузке: при малой нагрузке потребляемая мощность тоже мала. В последовательных схемах насос постоянно работает при давлении настройки переливного клапана независимо от нагрузки.
Расход через дроссель пропорционален корню из перепада давлений на нём. Когда меняется нагрузка, меняется давление в полости гидроцилиндра и, соответственно, перепад на дросселе — а значит и расход через него. Чтобы стабилизировать скорость, вместо простого дросселя устанавливают регулятор расхода с компенсатором давления, который поддерживает перепад на дозирующем дросселе постоянным.
Да — за счёт изменения рабочего объёма насоса. Сам гидроцилиндр имеет постоянную эффективную площадь поршня, поэтому регулирование «рабочим объёмом гидродвигателя» к гидроцилиндру не применимо. Регулировать рабочий объём гидромотора можно только в приводах вращательного движения.
Полностью в тепло рабочей жидкости. При расходе Q и перепаде ΔP мощность потерь равна Q · ΔP. То же относится к мощности, рассеиваемой на переливном клапане при сбросе избытка подачи насоса. Эту тепловую мощность отводят от поверхностей гидробака, трубопроводов и при необходимости — теплообменника.
В общем случае объёмное регулирование имеет наибольший КПД; дроссельное с дросселем в ответвлении — выше, чем последовательное; дроссельное последовательное (на входе или на выходе) — наименьший. Конкретные значения зависят от соотношения «фактическая нагрузка — давление настройки переливного клапана», диапазона регулирования, состояния гидрооборудования и других факторов; рассчитываются для конкретной схемы.
LS (Load Sensing) — система регулирования рабочего объёма насоса по сигналу давления нагрузки. Регулятор настраивает подачу насоса так, чтобы перепад на дросселирующих кромках управляющих гидроаппаратов оставался постоянным. Применяется в гидроприводах мобильных машин (экскаваторов, погрузчиков, кранов), где одновременно работают несколько потребителей с разной нагрузкой.
Точное значение принимают по техническим условиям на применяемое масло. Для типовых минеральных гидравлических масел верхний предел длительной рабочей температуры обычно ограничен примерно 60–70 °C. При превышении допустимой температуры ускоряется окисление масла, падает вязкость, растут утечки и ухудшается смазка пар трения.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.