Как работает мультипликатор давления

Мультипликатор давления (усилитель, преобразователь давления) — гидравлическое устройство, повышающее давление рабочей жидкости за счёт разности площадей жёстко связанных поршней. Понять, как работает мультипликатор давления, проще всего через баланс сил: жидкость низкого давления действует на поршень большой площади, а связанный с ним плунжер малой площади передаёт то же усилие в цилиндр высокого давления — и во столько раз, во сколько площадь поршня больше площади плунжера, вырастает давление.

Ниже разобраны принцип действия и разность площадей, коэффициент мультипликации и его расчёт, схемы включения и типы устройств, энергетические ограничения (снижение расхода, пульсации, нагрев) и области применения — от кузнечно-прессовых машин до гидроабразивной резки.

Для чего нужен мультипликатор давления

Мультипликатор давления относится к устройствам объёмного гидропривода и служит для местного повышения давления рабочей жидкости выше уровня, развиваемого насосом. Его включают как одну из ступеней в системах высокого и сверхвысокого давления, когда основной гидропривод работает на умеренном давлении, а высокое давление требуется лишь на отдельном участке или в отдельные периоды цикла. Термины и определения в области объёмного гидропривода, к которому относится мультипликатор, устанавливает ГОСТ 17752-81 действующий.

Мультипликатор повышает давление за счёт разности площадей поршней, не потребляя энергии в простое: он включается только тогда, когда системе нужен поток жидкости высокого давления.

Понятие номинального давления и ряд предпочтительных значений, из которого выбирают рабочее давление устройств гидропривода, задаёт ГОСТ 12445-80 действующий. Использование мультипликатора даёт проектировщику гибкость: большую часть цикла система остаётся на низком давлении, а высокое создаётся локально и по требованию.

Как работает мультипликатор давления: разность площадей

В основе лежит закон Паскаля и равенство усилий на жёстко связанных поршнях. Устройство состоит из двух соединённых цилиндров: в цилиндре низкого давления движется поршень большого диаметра D (площадь S₁), жёстко связанный с плунжером малого диаметра d (площадь S₂), который входит в цилиндр высокого давления.

Баланс сил и соотношение давлений

Жидкость низкого давления p₁ действует на большой поршень с силой F = p₁ · S₁. Так как поршень и плунжер связаны, эта сила без изменения передаётся на плунжер, который давит на жидкость высокого давления: p₂ · S₂ = p₁ · S₁. Отсюда давление на выходе:

p₂ = p₁ · (S₁ / S₂) = p₁ · (D² / d²)

То есть выходное давление больше входного во столько раз, во сколько площадь большого поршня больше площади плунжера. При круговых сечениях это отношение равно квадрату отношения диаметров.

Расход и энергетический баланс

Повышение давления не бесплатно: оно достигается за счёт пропорционального снижения объёмного расхода. Поскольку поршень и плунжер перемещаются как одно целое, объём жидкости, вытесняемой в магистраль высокого давления, меньше объёма, поступающего со стороны низкого давления, во столько же раз, во сколько выросло давление. В идеале (без потерь) мощность сохраняется: p₁ · Q₁ = p₂ · Q₂, где Q — объёмный расход. Поэтому мультипликатор нельзя рассматривать как источник «дополнительной» энергии — он перераспределяет её между давлением и расходом.

Коэффициент мультипликации и его расчёт

Отношение выходного давления к входному называют коэффициентом мультипликации (усиления). Он полностью определяется геометрией — соотношением рабочих площадей поршня и плунжера.

В реальном устройстве на выходное давление влияет противодавление на сливе и потери на трение и утечки, поэтому фактическое значение несколько меньше идеального p₁ · i. При проектировании закладывают запас и учитывают КПД.

Схемы включения и типы мультипликаторов

По характеру подачи жидкости высокого давления различают мультипликаторы разового и непрерывного действия; по числу рабочих сред — одно- и двухсредные.

Мультипликатор разового действия не обеспечивает постоянного потока: после рабочего хода требуется возврат плунжера. Для непрерывной подачи применяют устройства возвратно-поступательного действия, а для сглаживания пульсаций давления на выходе устанавливают гидроаккумулятор. Обратные клапаны при этом не допускают перетекания жидкости из магистрали высокого давления обратно в линию низкого.

Из чего состоит мультипликатор давления

В простейшем (одноступенчатом) исполнении устройство образовано двумя соосными цилиндрами и связанными поршнем и плунжером. В автоматических мультипликаторах непрерывного действия к ним добавляются клапанно-распределительная аппаратура и элементы управления реверсом.

Уплотнения ступени высокого давления — наиболее ответственный элемент: именно они определяют герметичность и ресурс при работе на повышенном давлении. Компактные встраиваемые исполнения монтируют непосредственно в линию перед потребителем высокого давления.

Ограничения и особенности эксплуатации

Мультипликатор — компромисс между давлением и расходом, и это определяет большинство его ограничений.

• Снижение расхода. Выходной расход уменьшается во столько же раз, во сколько растёт давление; получить одновременно высокое давление и большой поток от одного мультипликатора нельзя.
• Прерывистость подачи. Устройство разового действия подаёт ограниченный объём за ход и требует обратного хода; для непрерывного потока нужны схема двойного действия, несколько устройств или аккумулятор.
• Пульсации давления. При возвратно-поступательной работе выход пульсирует; пульсации сглаживают гидроаккумулятором.
• Нагрев жидкости. Потери на трение и дросселирование переходят в тепло; при интенсивной работе требуется охлаждение и контроль температуры рабочей жидкости.
• Утечки и чистота жидкости. С ростом давления повышаются требования к уплотнениям и к чистоте рабочей жидкости; загрязнения ускоряют износ пар трения.
• КПД ниже единицы. Идеальное равенство мощностей на входе и выходе на практике не достигается из-за трения и утечек.

Где применяют мультипликаторы давления

Мультипликаторы используют там, где на отдельном участке или в отдельные периоды цикла нужно давление выше, чем развивает насос, а держать всю систему под высоким давлением нерационально.

Преимущества такого подхода: основная часть гидросистемы работает на низком давлении, что снижает износ и повышает безопасность; мультипликатор включается только по требованию и не потребляет энергии в простое; компактные исполнения встраиваются в линию с минимальными доработками.

Как выбрать мультипликатор: рекомендации

1. Определите требуемое выходное давление и расход. Помните об обратной связи: чем выше коэффициент мультипликации, тем меньше выходной расход при том же входном.
2. Выберите коэффициент мультипликации. Исходя из входного (насосного) давления и требуемого выходного: i = p₂ / p₁, затем задайте диаметры D и d.
3. Определите режим подачи. Разовое действие — для кратковременных операций; непрерывное — для постоянного потока высокого давления.
4. Учтите потери и запас. Заложите запас на противодавление, трение и утечки; реальное давление ниже идеального p₁ · i.
5. Предусмотрите сглаживание и охлаждение. При пульсирующей подаче — гидроаккумулятор; при интенсивной работе — контроль температуры и чистоты жидкости.

Вопросы и ответы