Определить диаметр отверстия дросселя, установленного на сливе из гидроцилиндра, при условии движения штока цилиндра под действием внешней нагрузки F = 60 кН со скоростью v = 200 мм/с. Диаметры: штока dш = 40 мм, цилиндра D = 80 мм, коэффициент расхо за 99 рублей 212573 – СтудИзба

Дроссель — это гидроаппарат, предназначенный для изменения расхода и давления потока рабочей жидкости в результате прохождения этого потока через местное регулируемое или нерегулируемое сопротивление. Дроссель устанавливается на пути потока с целью создания перепада давления, вследствие чего происходит сброс части жидкости через переливной клапан в сливную магистраль или бак и соответственно изменяется расход, поступающий к потребителю (гидродвигателю).

Дросселирующие устройства в гидравлических системах рекомендуются для выполнения следующих операций:

• а) регулировки расхода жидкости (скорости движения гидродвигателей) — регулируемые дроссели, дроссельные муфты;
• б) уменьшения расхода жидкости на отдельных участках гидросистемы — дроссельные муфты, демпферы;
• в) периодического перекрытия трубопроводов — осевые дроссели;
• г) создания искусственного перепада давления в магистралях (местного сопротивления) — щелевые дроссели, дроссельные муфты;
• д) сглаживания пульсации и гидравлических ударов — дроссельные муфты, демпферы.

Основной характеристикой гидродросселя является зависимость расхода Q от перепада давлений Ар в подводимом и отводимом потоках:

По принципу действия различают следующие дроссели:

• — вязкостного сопротивления, потеря давления в котором определяется преимущественно сопротивлением потоку жидкости в дроссельном канале большой длины;
• — вихревого сопротивления, потеря давления в котором определяется в основном деформацией потока жидкости и вихреобра- зованием в канале малой длины.

Дроссели первого типа характеризуются относительно большой длиной и малым сечением дроссельного канала, ввиду чего потеря в них давления обусловлена трением при преимущественно ламинарном течении и является при прочих равных условиях практически линейной функцией скорости потока.

Подобный дроссель обладает высокой стабильностью характеристик, под которой понимается свойство сохранения параметров работы при повторных установках дросселя в одно и то же регулировочное положение. Однако, поскольку потеря давления в таком дросселе изменяется прямо пропорционально вязкости жидкости, гидравлическая характеристика его Ар — f(Q) зависит от температуры.

На рис. 5.35 показан дроссель, сопротивление потоку в котором регулируется изменением длины канавки однозаходного винта.

Рис. 5.35. Винтовой линейный дроссель

Расход через линейный дроссель с каналами круглого сечения (или близкой формы) определяется по закону Пуазейля:

где / и cl — соответственно длина и диаметр канала; v — кинематический коэффициент вязкости; р — плотность рабочей жидкости;

Ар — перепад давления в подводимом и отводимом потоках.

Дроссельный канал можно рассматривать как трубку прямоугольного или треугольного, в зависимости от профиля резьбы, сечения, и расчет сопротивления в первом приближении вести по общим формулам для труб.

Для канавки прямоугольного сечения со сторонами а и Ь

где L = ndk — длина канавки при среднем диаметре d резьбы и числе к витков; ab

г-–гидравлический радиус, равный отношению площади ab се-

2 (а Ь)

чения канавки к ее периметру 2(а b); г — гидравлический радиус;

и — скорость потока;

р — плотность жидкости.

Значение Re = .

v

Еще раз подчеркнем, что сопротивление потоку в таком дросселе зависит от вязкости жидкости, поэтому его применение рационально при t° * const.

В дросселях второго типа изменение давления происходит практически пропорционально квадрату скорости потока жидкости, ввиду чего такой дроссель называют квадратичным. Характеристика такого дросселя практически не зависит от вязкости в распространенном ее диапазоне, они могут работать в широком температурном диапазоне.

Должно, однако, соблюдаться следующее требование — форма проходного сечения дроссельного канала не должна влиять на коэффициент расхода жидкости при изменении температуры (при изменении вязкости) жидкости. Лучшими с этой точки зрения являются дроссели с меньшим отношением периметра дроссельной щели к площади ее сечения и с наиболее короткими каналами (проходами для жидкости), например в виде тонкой шайбы (диафрагмы) с круглым отверстием и острыми кромками (рис. 5.36, а).

Дросселирующие свойства таких конструкций обусловлены в основном потерями энергии при внезапном сужении и расширении потока, причем расширение потока сопровождается интенсивным

Рис. 5.36. Схемы квадратичных дросселей вихреобразованием. Благодаря этому подобные дроссели обладают относительно малой чувствительностью к изменению вязкости. Для таких дросселей справедлива формула

где ц — коэффициент расхода;

/ — площадь сечения отверстия;

12Ар

и_т — расчетная скорость потока; и = /——;

V Р

р — плотность жидкости.

Если требуется дроссель, обладающий высоким гидравлическим сопротивлением (большим перепадом) и стабильной расходной характеристикой при колебаниях вязкости, применяются многоступенчатые дроссели из нескольких последовательно расположенных дроссельных шайб (рис. 5.36, б и в), принцип действия которых основан на многократном сужении и расширении потока жидкости. Сопротивление такого дросселя регулируется при данном размере отверстия подбором количества шайб. Поскольку расстояние между шайбами обычно мало, а поперечное сечение шайбы (диаметра D) велико в сравнении с сечением отверстий в шайбе, можно условно считать, что гидравлическое сопротивление такого пакета обусловлено потерями давления при истечении через отверстия в тонкой стенке.

На расходные характеристики такого дросселя несколько влияют расстояния / между шайбами (рис. 5.36, в), а также толщина s дросселирующей шайбы или ее кромки. Должны соблюдаться соотношения

где d — диаметр отверстия.

Диаметр d отверстий в шайбах должен быть не меньше 0,3 мм, так как иначе возможно их засорение. При сборке дроссельного пакета шайбы обычно смещают относительно друг друга так, чтобы отверстия в них не находились одно против другого. Применяется также наборный дроссельный пакет из чередующихся последовательно шайб с несколькими (двумя и четырьмя) отверстиями (рис. 5.36, в), чтобы оси отверстий не совпадали.

При расчете многошайбового дросселя, состоящего из п одинаковых шайб на расстоянии / друг от друга, обычно делают допущение, что общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных шайб:

Так как расход через любую шайбу один и тот же, то

где х_п — приведенный коэффициент расхода пакета, показывающий на сколько расход через пакет дроссельных шайб меньше, чем через одну шайбу.

С учетом (5.94) имеем

Аналогично для диаметров дроссельных отверстий (5.96)

Для более точного расчета необходимо учитывать так называемое противодавление среды, в которую происходит истечение жидкости. При установившемся турбулентном режиме (Re > 2000) приведенный коэффициент расхода будет несколько отличаться от расчетного по формуле (5.95):

где к — поправочный коэффициент; к « 1,25.

Необходимо учитывать, что поскольку диаметр d одношайбового дросселя меньше диаметра шайб многошайбового дросселя d_n, разными при постоянных Q и Ар будут также числа Рейнольдса:

Для многошайбового дросселя

С учетом выражения (5.96) эта зависимость Re от п примет вид

Расход через многошайбовый дроссель зависит при всех прочих равных условиях от расстояния / между шайбами, оптимальным значением которого следует считать / > 5d.

Расчет многошайбового дросселя с чередующимися шайбами с одним и двумя отверстиями равных размеров производят исходя из условия, что проводимость шайбы с двумя отверстиями в 2 раза выше проводимости шайбы с одним отверстием. В соответствии с этим расчет такого дросселя можно практически производить по равенству (5.94), учитывая, что

где «j и «₂ — количество шайб соответственно с одним и двумя отверстиями. Тогда имеем также

В одношайбовых регулируемых дросселях регулирование осуществляется применением дроссельной иглы (рис. 4.36, г), посредством которой изменяется проходное сечение дросселя.

Для повышения чувствительности (тонкости) настройки регулируемого дросселя его проходное сечение часто выполняют в виде угловых или прямоугольных канавок (рис. 5.36, д) на цилиндрической части запорного (перекрывающего) элемента. Канавки могут быть как постоянного, так и переменного сечения.

Потери давления на дросселе с регулирующим вентилем можно оценить по формуле

где Ар — перепад давления на дросселе; и — расчетная скорость потока;

?, — коэффициент местного сопротивления; ?, « 2,0—2,2.

Когда требуется обеспечить постоянный расход, например для поддержания постоянной скорости вращения гидромотора при переменной нагрузке (давлении), в линии питания устанавливают регуляторы расхода (потока), которые автоматически обеспечивают заданный расход.

Регулятор расхода — гидроаппарат, предназначенный для поддержания потока проходящей через него рабочей жидкости на постоянном уровне, вне зависимости от колебаний давления в подводящей и отводящей гидролиниях (рис. 5.37).

Рис. 5.37. Схема действия регуляторов расхода: а: 1 — поршень; 2 — пружина; б: 1 — поршень; 2 — направляющая для пружины; 3 — пружина

Регулятор расхода (см. рис. 5.37, а) имеет два дросселя. Дроссель нерегулируемого типа размещен в донышке поршня. Автоматически регулируемый дроссель (в зависимости от перепада давления) выполнен в виде окна d переменного сечения. Жидкость из входного канала а поступает в камеру b и далее через дроссель с в поршне 1 и окна d в корпусе направляется к выходу е, связанному с гидродвигателем. Поршень 1 нагружен слабой пружиной 2, усилие которой уравновешивается перепадом давления, создаваемым сопротивлением отверстия с. Если расход жидкости потребителем увеличится, то увеличится и перепад давления, в результате поршень 1 переместится вправо и частично перекроет окна d, уменьшая расход до значения, на которое рассчитан ограничитель. При уменьшении расхода поршень 1 переместится влево и уменьшит суммарное сопротивление окон d и отверстия с.

Если отверстие с в донышке поршня 1 выполнено по схеме, приведенной на рис. 5.36, а (в виде отверстия в тонкой стенке), то условие равновесия поршня 1 определится выражением

где F — площадь сечения поршня 1;

Ар — перепад давления в отверстии с;

Р_пр — усилие сжатия пружины 2

Q — расход жидкости через отверстие с;

/— площадь отверстия с.

Площадь /и усилие Р_пр рассчитывают обычно на перепад давления Ар ~ 3—5 кГ/см² для заданного предельного расхода жидкости.

В конструкции, представленной на рис. 5.37, б в отличие от рассмотренной выше схемы деталь 2, служащая направляющей пружины 3, имеет осевое калиброванное отверстие Ь, обеспечивающее минимальный расход жидкости при максимальном давлении, при котором расходные окна а и с перекрыты плавающим поршнем 1 с отверстием в торце.

При изменении направления потока жидкости поршень 1 устанавливается в крайнее левое положение, жидкость протекает через полностью открытые окна с и калиброванное отверстие Ь. Конструкция обеспечивает заданный расход с ошибкой, не превышающей 1 % независимо от давления на выходе (давления нагрузки).

Регулятор расхода, представленный на рис. 5.38, а, также состоит из двух дросселей — шайбового 1 постоянного сопротивления и автоматически регулируемого, сопротивление которого определяется положением его дросселирующего плунжера 3, находящегося

Рис. 5.38. Схемы регуляторов расхода:

/ — дроссель; 2 — поршень; 3 — плунжер; 4 — толкатель; 5 — пружина под действием пружины 5. Пружина должна смещать его вправо и увеличивать проходное сечение (уменьшать сопротивление). Перепад давления Ар — — р₂ жидкости на дросселе 1 стремится сместить плунжер 3 влево и уменьшить проходное сечение (увеличить сопротивление дросселя), воздействуя на поршень 2.

Перепад давления Ар_{ = — р₂ определяется характеристикой

(усилием) пружины 5 и практически не зависит от давления р, на входе в регулятор и давления р₂ на выходе из него.

При повышении давления р₂ в междроссельной камере а сверх заданного перепад давления на поршне 2 А/?, — р₂ — р₂ уменьшается (при р^ = const), и пружина 5 через толкатель 4 смещает дросселирующий плунжер 3 вправо, увеличивая сечение дросселя. При понижении давления р₂ процесс протекает в обратном порядке. Следовательно, перепад давления А/?, — р₂ — р₂ на дросселе 1 поддерживается постоянным, в соответствии с чем постоянным будет также и расход через него жидкости.

Условие равновесия поршня 2, управляющего дросселирующим плунжером 3, имеет вид:

где Р — усилие сжатия пружины 5 при х = О (соответствует минимальной расходной щели); Р=Р₀±Сх;

Т — сила трения подвижных частей;

R— гидродинамическая сила (реакция) потока жидкости, действующая на плунжер 3

P_Q — усилие начального натяжения пружины (при максимальном значении х);

С — коэффициент жесткости пружины;

х — перемещения плунжера 3 от полностью закрытого положения;

?₀ — площадь поршня 2.

Сила трения Т ухудшает характеристику регулятора, и для ее понижения на плунжере 3 и поршне 2 делают кольцевые (разгрузочных) канавки.

Повышение чувствительности достигается тем, что при увеличении диаметра поршня периметр трения повышается пропорционально первой степени диаметра, а площадь — пропорционально его квадрату.

Суммарное сопротивление Ар (перепад давлений в регуляторе):

где Д/?[ = р — р₂— перепад давления на дросселе /;

Ар2⁼ Pj — Рт,— перепад давления в щели регулируемого дросселя.

Расходы жидкости через отверстие дросселя 1 Q_} и щель (окно) Q₂ регулируемого дросселя равны (согласно закону неразрывности потока):

где Р| и р₂^— коэффициенты расхода отверстия дросселя / и щели, образуемой плунжером 3;

/i н /₂ – площади проходных сечений отверстия дросселя 1 и щели, образуемой плунжером 3.

Коэффициенты расхода для предварительных расчетов р, = – 0,62, р₂⁼ 0,7—0,75.

Приближенно реакция потока жидкости на плунжер 3

где (3 — угол выхода струи, зависящий от формы перекрывающей части плунжера (при острых прямоугольных кромках р « 69°).

Регулятор по схеме, представленной на рис. 5.38, б, имеет два последовательно расположенных дросселя. Дроссель 4 является нерегулируемым, определяющим перепад давления р₂ — р₃ на поршне 2, а дроссель 1 автоматически корректирует расход жидкости в зависимости от нагрузки.

Для стабилизации расхода используется разность усилий от перепада давления р₂ — р₂ на поршне 2 и усилия затяжки пружины 3.

Допустим, что при постоянном /?j расход жидкости повысился. Тогда должен повыситься также и перепад давления р₂ — р₂, вследствие чего поршень 2, перемещаясь в сторону закрытия рабочих окон, уменьшит их площадь сечения и уменьшит соответственно расход через автоматически регулируемый дроссель 1. При снижении же расхода происходит обратный процесс — поршень 2

перемещается в сторону открытия рабочих окон, и расход жидкости увеличивается.

Типовые схемы включения дросселей в гидросистему представлены на рис. 5.39.

На рис. 5.39, а рабочая жидкость от нерегулируемого насоса 1 через дроссель 2 и распределитель 4 поступает в рабочую полость цилиндра 3, а из противоположной полости сливается в бак. Таким образом регулируется скорость движения штока цилиндра. Дроссель ограничивает расход, поступающий в цилиндр, оставшаяся часть сливается в бак через предохранительный клапан 5, настроенный на давление, достаточное для преодоления нагрузки F на штоке. Так как через клапан 5 постоянно проходит часть потока, насос постоянно работает под максимальным давлением независимо от нагрузки F.

Рис. 5.39. Типовые схемы включения дросселей в гидросистему

При постоянной настройке дросселя расход масла зависит от Ар_ар — перепада давления на дросселе. В рассматриваемой схеме Ар_ар = р_н — Ру (pj = F/A — давление в рабочей полости цилиндра; А — площадь поршня), расход Q через дроссель и скорость движения штока v = Q/А будут изменяться в зависимости от нагрузки F, причем при F > 0 -» Ар > р_н.

Возможны также схемы установки дросселя на выходе гидродвигателя или в параллельном отводе (рис. 5.39, б, в). При установке дросселя на выходе гидродвигателя р = const, а давление в штоковой полости цилиндра р₂ = {р^А — F)A₂ = Ар, т.е. расход Q также зависит от F, причем при F > 0 (или изменении направления действия нагрузки) AM может превышать р_н. В случае установки дросселя в параллельном отводе Ар = р_н = = F/A_{ = const, что

позволяет снизить энергетические потери в гидроприводе (рабочая жидкость через предохранительный клапан может проходить лишь при перегрузке или остановке гидроцилиндра, если дроссель не пропускает всего потока от насоса, при давлении настройки предохранительного клапана). Однако в этом случае скорость штока v также зависит от нагрузки F, причем в большей степени, так как с ростом р_н увеличивается расход через дроссель и одновременно несколько снижается подача насоса (возрастают объемные потери в насосе).

Схема с дросселем на выходе обеспечивает более плавное движение рабочего органа и может использоваться, в том числе, в гидроприводах с изменяющимся направлением действия нагрузки F. Однако при применении этой схемы возрастает опасность рывков штока цилиндра в момент пуска в работу. Максимальная плавность движения при малых скоростях достигается при применении специальных дросселей, устанавливаемых в обеих линиях подключения гидродвигателя.

При выборе схемы следует учитывать, что в варианте с дросселем на входе давление в цилиндре меньше, поэтому снижается трение и улучшаются условия работы уплотнений. Обычно дросселируется поток, поступающий в поршневую полость цилиндра, и этим облегчается получение малых подач. Вместе с тем, если в качестве гидродвигателя используется гидромотор, может не хватать давления подпора для нормальной работы. Выделяющееся при дросселировании тепло поступает в гидросистему (при потере давления 1 МПа поток масла нагревается примерно на 0,6 °С), что практически всегда нежелательно.

Таким образом, при всех схемах установки дросселя скорость исполнительного гидродвигателя зависит от нагрузки, а Д/?_др может достигать больших значений, что затрудняет получение малых скоростей (малых расходов), так как для этого приходится почти полностью перекрывать дросселирующую щель. В гидросистемах строительных и путевых машин это ведет, как правило, к быстрому перегреву жидкости и, соответственно, нарушению нормального режима работы гидропривода. Щели с площадью сечения менее 0,1—0,3 мм² (при условии, что форма щели близка к кругу, квадрату или равностороннему треугольнику, т.е. имеет минимальный периметр) стараются не делать даже при хорошей фильтрации масла.

В некоторых случаях требуется, чтобы скорость подачи уменьшалась при увеличении нагрузки. Это можно обеспечить путем применения обычных дросселей. Однако в большинстве случаев желательно, чтобы скорость движения гидродвигателей была постоянной в широком диапазоне изменения нагрузок на рабочих органах, поэтому перепад давлений на дросселирующей щели должен поддерживаться постоянным и небольшим (~0,2—0,3 МПа). Указанным условиям удовлетворяют регуляторы расхода, которые представляют собой комбинацию дросселя с регулятором, поддерживающим постоянный перепад давлений на дросселирующей щели. Для снижения влияния температуры рабочей жидкости на расход, кромки дросселирующей щели выполняют острыми. Различные модификации регуляторов расхода могут дополнительно выполнять функции предохранительного клапана непрямого действия; иметь встроенный обратный клапан; комплектоваться обратным клапаном и механически управляемым распределителем, позволяющим реализовать цикл движения: быстрый подвод — рабочая подача — быстрый отвод.