ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Управление насосом в закрытой гидросистеме


Современные самоходные машины с гидростатическими трансмиссиями содержат многосекционные насосы. Как правило, это аксиально-поршневые с наклонной шайбой и шестеренные насосы.

Их секции установлены на одном общем валу, а крепится весь агрегат непосредственно к дизельному
двигателю.

Главный аксиально-поршневой гидронасос приводит в действие механизм хода машины, дополнительный – элементы рабочего оборудования. В колесной спецтехнике используется третий насос для привода рулевого управления и тормозов.

Как известно, расход рабочей жидкости, вырабатываемый насосом, зависит от величины его рабочего объема и частоты вращения вала. Таким образом, изменяя частоту вращения вала двигателя, можно регулировать величину расхода насосов.

Но при работе любой машины на ее исполнительные механизмы действуют внешние силы сопротивления. Чтобы их преодолеть, в гидросистеме растет давление рабочей жидкости. Насос трансформирует давление в крутящий момент сопротивления и передает его на вал двигателя.

Двигателю необходимо выработать и передать насосу дополнительную энергию (мощность), чтобы обеспечить требуемую скорость движения исполнительного гидромеханизма.

Чтобы сохранить постоянную частоту вращения вала, а следовательно, расход гидронасоса, двигателю надо увеличить крутящий момент. Изменение крутящего момента, вырабатываемого двигателем, в зависимости от частоты вращения его вала носит нелинейный характер.



Рис. 1. Изменение крутящего момента двигателя в зависимости от частоты вращения его вала

Такая характеристика приведена на рис. 1. График, выраженный кривой линией, показывает величину предельного крутящего момента при определенных значениях частоты вращения вала.

Вся зона, расположенная ниже этой линии, является рабочей. Область над линией – критическая. Устойчивая частота вращения вала двигателя ограничена установленным диапазоном.

Если в рабочей зоне при частоте вращения вала двигателя его крутящий момент меняется от нулевых значений до предельной величины, ограниченной кривой линией, насос, отбирая энергию у двигателя, автоматически преодолевает сопротивление давлению, обеспечивая постоянный расход.

Если давление нагруженного гидронасоса вызывает увеличение крутящего момента двигателя от значения А до величины В, находящейся в критической области выше предельной кривой, то частота вращения вала двигателя упадет до точки С, в которой он развивает предельный крутящий момент. Следовательно, расход насоса станет меньше.

Этот процесс произойдет автоматически. Если потребный крутящий момент увеличивается до значения, соответствующего точке D, лежащей в критической области, и не снижается частота вращения вала, двигатель заглохнет.

За пределами диапазона рабочей частоты вращения вала двигатель работает неустойчиво и может заглохнуть либо пойти вразнос. Таким образом, развиваемый двигателем крутящий момент непосредственно связан с изменением рабочего давления в гидросистеме.

Рост давления является причиной достижения двигателем предельного крутящего момента, при этом в качестве компенсации уменьшается частота вращения его вала.

Такое преобразование влияет на величину расхода насоса, подаваемого в гидросистему. Поэтому, чтобы избежать перегрузок и исключить потребление чрезмерной мощности, превышающей возможности двигателя, необходимо использовать управление рабочим объемом насоса.

Совершенная конструкция, правильный выбор гидронасоса и системы управления частотой вращения вала двигателя позволяют исключить существенное влияние изменений внешней нагрузки на работу гидросистемы.

При работе различных машин для эффективного управления конкретными гидромеханизмами часто требуется регулировать полезную мощность, например, режим подъема стрелы экскаватора.



Рис. 2. Характерный график предельной мощности двигателя

Выше были рассмотрены соотношения частоты вращения вала и крутящего момента, реализующие мощность двигателя в гидравлическую энергию, которая, в свою очередь, может быть представлена соотношением давления и расхода.

Поэтому, если поставить предельную мощность двигателя, характерный график которой приведен на рис. 2, и потребную гидравлическую мощность вместе, можно увидеть следующую картину, изображенную на рис. 3.



Рис. 3. Характерные графики предельной мощности двигателя и потребной гидравлической мощности

Мощность, потребляемая гидросистемой, меньше, чем предельная (полезная) мощность двигателя, поэтому гидросистема будет справляться с потребностью энергии, направленной на преодоление внешней нагрузки.

Но при работе машины нередко возникают экстремальные режимы, когда потребность исполнительного механизма в гидравлической мощности превышает максимальную величину мощности двигателя. В этом случае двигатель заглохнет. Для предотвращения экстремальных режимов используется устройство ограничения выходного расхода насоса.

Уменьшение расхода гидронасоса снижает величину потребной гидравлической мощности и позволяет отобрать у двигателя только такое количество энергии (мощности), которое он в состоянии отдать.

Поэтому достижение предельной мощности контролируется насосом за счет уменьшения его рабочего объема. Устройство, контролирующее работу насоса, называют регулятором, а в зарубежном техническом лексиконе – компенсатором.

Часто в мобильной технике от одного двигателя приводятся два или более контура гидросистемы машины. Это требует применения устройств, суммирующих гидравлическую мощность. Рассмотрим фундаментальные принципы таких систем.

Обратимся к графикам на рис. 4. Сумма потребных мощностей каждого контура гидросистемы является общей потребной гидравлической мощностью. На графиках рис. 4 это выразится следующим.



Рис. 4. Графики суммирования гидравлической мощности

Сумма площадей прямоугольников, характеризующих значения потребных гидравлических мощностей 1 и 2, равна площади прямоугольника, выражающего значение суммарной гидравлической мощности.

Таким образом, чтобы обеспечить бесперебойную работу машины, оставаясь в рамках полезной мощности двигателя, необходимо уменьшить суммарную мощность гидросистемы. Это можно осуществить управлением потоков каждого насоса.

В результате скорость гидродвигателя уменьшится, но его способность преодолевать внешнюю нагрузку останется прежней, т.е. давление в контурах гидросистемы не изменится. На рис. 5 показан график работы двигателя с регулируемым сдвоенным насосом.



Рис. 5. Работа двигателя с регулируемым сдвоенным насосом

При различной частоте вращения вала двигателя гидронасос отбирает крутящий момент, равный сумме крутящих моментов каждой секции насоса, т.е. М = М1 + М2.

Изменяя значения расхода в каждой из секций за счет регулирования рабочего объема, насос обеспечивает величину давления в гидравлических контурах, необходимую для преодоления внешней нагрузки.