Zakład Napędów i Automatyki Hydraulicznej
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
Politechnika Wrocławska
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Porównanie metod sterowania i
regulacji prędkości odbiornika
hydraulicznego
Opracował: Grzegorz Łomotowski
1
Wstęp teoretyczny
W hydraulicznych układach napędowych rozróżnia się dwa sposoby zadawania
prędkości odbiornikowi hydraulicznemu: sterowanie z użyciem zaworu dławiącego oraz
regulację z użyciem regulatora przepływu.
Sterowanie dławieniowe-szeregowe przedstawia rysunek 1 natomiast sterowanie
dławieniowe równoległe przedstawia rysunek 2.
Rys. 1. Sterowanie dławieniowe szeregowe a) na dopływie, b) na odpływie; [2]
Rys. 2. Sterowanie dławieniowe równoległe
Problemy w sterowaniach dławieniowych są widoczne wtedy, gdy obciążenie
odbiornika hydraulicznego nie jest stałe. Wtedy prędkość odbiornika nie zależy jedynie od
powierzchni szczeliny dławiącej, ale także od różnicy ciśnień na zaworze dławiącym, na co
ma wpływ obciążenie siłownika. Aby skompensować niekorzystny wpływ obciążenia
odbiornika hydraulicznego na jego prędkość do sterowania dławieniowego szeregowego
stosuje się dwudrogowe regulatory przepływu, a do sterowania dławieniowego równoległego
dwudrogowe lub trójdrogowe regulatory przepływu. Otrzymujemy wtedy regulację
dławieniową równoległą lub szeregową. Schemat ogólny dwudrogowego regulatora
przepływu znajduje się na rysunku 3a) natomiast schemat szczegółowy na rysunku 3b)
Rys. 3. Dwudrogowy regulator przepływu a) symbol b) schemat obrazujący zasadę działania; [1]
2
Dwudrogowy regulator przepływu składa się z nastawnego zaworu dławiącego oraz
zaworu ciśnieniowego różnicowego. Zasada działania dwudrogowego regulatora przepływu
jest taka, że zawór różnicowy utrzymuje stały spadek ciśnienia na zaworze dławiącym
∆
p
d
niezależnie od ciśnienia p
2
. Dla każdej nastawy zaworu dławiącego będzie więc określone
natężenie przepływu przez ten zawór niezależnie od ciśnienia p
2
. Zobrazujmy to przykładem.
Wyobraźmy sobie, że ciśnienie p
2
wzrasta, wzrasta więc również ciśnienie p
1
’. Jako, że
ciśnienie p
1
jest stałe i zależne tylko od zaworu przelewowego to szczelina regulacyjna
zaworu różnicowego ulega zwiększeniu. Skutkuje to tym, że spadek ciśnienia na niej
∆
p
r
ulega zmniejszeniu i ciśnienie p
1
’ wraca do stanu pierwotnego.
Podsumowując: dwudrogowy regulator przepływu utrzymuje stały spadek ciśnienia na
szczelinie dławiącej, a więc natężenie przepływu cieczy płynącej przez zawór (które wpływa
na prędkość odbiornika) zależy jedynie od wielkości szczeliny dławiącej.
Przykłady regulacji dławieniowej szeregowej oraz równoległej z użyciem
dwudrogowego regulatora przepływu przedstawiono na rysunkach 4 oraz 5. Układ z rysunku
5 ma większą sprawność niż układ z rysunku 4, gdyż przy regulacji dławieniowej szeregowej
pompa pracuje cały czas przy maksymalnym ciśnieniu ustawionym na zaworze
bezpieczeństwa.
Rys. 4. Schemat układu hydraulicznego z regulacją dławieniową szeregową z użyciem dwudrogowego
regulatora przepływu; [2]
Rys. 5. Schemat układu hydraulicznego z regulacją dławieniową równoległą z użyciem
dwudrogowego regulatora przepływu; [2]
Do regulacji dławieniowej równoległej można stosować także trójdrogowe regulatory
przepływu. Na rysunku 6a) znajduje się uproszczony i szczegółowy schemat trójdrogowego
3
regulatora przepływu, na rysunku 6b) natomiast znajduje się przykładowy układ hydrauliczny
z wykorzystaniem tego elementu.
Zasada działania tego elementu jest taka, że na nastawnej szczelinie dławiącej
utrzymywany jest zawsze taki sam spadek ciśnienia
∆
p
d
, w wyniku tego natężenie przepływu
przez nią zależne jest tylko od pola jej powierzchni. Utrzymywanie stałego
∆
p
d
odbywa się
poprzez upuszczanie określonej ilości cieczy do zbiornika sprzed szczeliny dławiącej z
wykorzystaniem zaworu różnicowego. Przykładowo jeśli ciśnienie silnika wzrośnie to
wzrośnie również ciśnienie za szczeliną dławiącą co skutkowałoby spadkiem
∆
p
d
, a w
konsekwencji spadkiem natężenia przepływu. Dlatego też ciśnieniowe sprzężenie zwrotne
powoduje przydławienie szczeliny zaworu różnicowego i w konsekwencji spadek strumienia
upuszczanego do zbiornika oraz wzrost
∆
p
d
i natężenia przepływu płynącego do odbiornika
do poprzedniej wartości.
Ten rodzaj regulacji ma dużo większą dokładność od sterowania dławieniowego
równoległego z użyciem dwudrogowego regulatora przepływu, gdyż zawór dławiący, na
którym utrzymywanie jest stały spadek ciśnienia jest włączony do układu szeregowo.
Regulowane jest więc natężenie przepływu kierowane do odbiornika hydraulicznego,a anie
do zbiornika. Z drugiej jednak strony sprawność tego rozwiązania jest nieco niższa, gdyż
ciśnienie pompy musi być zwiększone o dodatkową wartość
∆
p
d
. Wynosi ona przeważnie
mniej niż 0,5MPa, tak więc ta strata mocy jest dużo mniejsza niż strata mocy wynikająca z
upuszczania określonego strumienia cieczy bezpośrednio do zbiornika.
Rys. 6 a) Schemat uproszczony i szczegółowy trójdrogowego regulatora przepływu; b) przykład
regulacji dławieniowej równoległej z użyciem tego elementu; [1], [2]
4
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zbadanie zależności między obciążeniem silnika hydraulicznego,
a jego prędkością obrotową dla układów w których realizowane jest sterowanie prędkością i
regulacja prędkości.
Przebieg ćwiczenia
Podczas realizacji ćwiczenia należy wykonać następujące czynności:
a) Zmontować układ hydrauliczny przedstawiony na rysunku 7. Zaobserwować zmiany
prędkości silnika. Wykonać następujące czynności:
1. Otworzyć zawory dławiące oraz uruchomić pompę.
2. Nastawić określoną wartość szczeliny dławiącej zaworu dławiącego służącego do
sterowania prędkością.
3. Stopniowo zwiększać obciążenie silnika (za pomocą zaworu dławiącego w układzie
obciążenia)
4. Dla każdego obciążenia silnika zmierzyć ciśnienie przed silnikiem p
s
oraz ciśnienie
obciążenia p
obc
5. Dla każdego obciążenia silnika zmierzyć natężenie przepływu cieczy płynącej przez
silnik Q
s
(rejestrując czas zmiany napełnienia się zbiornika o określoną wartość (na
przykład 0,5 litra) oraz dzieląc zmianę objętości przez czas)
6. Punkty 3 do 5 powtórzyć dla innej wartości szczeliny dławiącej zaworu dławiącego
służącego do sterowania prędkością.
b) Zmontować układ hydrauliczny przedstawiony na rysunku 8. Zaobserwować zmiany
prędkości silnika. Wykonać następujące czynności:
1. Otworzyć dwudrogowy regulator przepływu oraz zawór dławiący obciążenia oraz
uruchomić pompę.
2. Nastawić określoną wartość szczeliny dławiącej dwudrogowego regulatora
przepływu w taki sposób, aby powodowała takie same natężenie przepływu jak to
miało miejsce w punkcie a2
3. Stopniowo zwiększać obciążenie silnika (za pomocą zaworu dławiącego w układzie
obciążenia)
4. Dla każdego obciążenia silnika zmierzyć ciśnienie przed silnikiem p
s
oraz ciśnienie
obciążenia p
obc
5. Dla każdego obciążenia silnika zmierzyć natężenie przepływu cieczy płynącej przez
silnik Q
s
(rejestrując czas zmiany napełnienia się zbiornika o określoną wartość (na
przykład 0,5 litra) oraz dzieląc zmianę objętości przez czas)
6. Punkty 3 do 5 powtórzyć dla takiej wartości szczeliny dławiącej dwudrogowego
regulatora przepływu, która powodowałaby takie samo natężenie przepływu jak w
punkcie a6
5
Rys. 7. Schemat hydrauliczny układu pierwszego
Rys. 8. Schemat hydrauliczny układu drugiego
6
Wytyczne do sprawozdania
W sprawozdaniu należy sporządzić wykres obrazujący zależności między prędkością
obrotową silnika hydrostatycznego, a momentem obrotowym na wałku tego silnika dla
sterowania prędkością oraz dla regulacji prędkości.
Do obliczeń należy przyjąć chłonność jednostkowa silnika równą q
s
=5 cm
3
/obr.
W tabeli pomiarowej powinny znaleźć się dla każdego punktu pomiarowego
następujące wielkości:
a)
Ciśnienie przed silnikiem p
s
[MPa]
b)
Ciśnienie obciążenia p
obc
[MPa]
c)
Wzrost objętości zbiornika V [dm
3
]
d)
Czas po którym nastąpiła zmiana objętości t [s]
e)
Natężenie przepływu cieczy płynącej przez silnik Q
s
[dm
3
/min]
liczone ze
wzoru:
t
V
Q
s
=
f)
Prędkość obrotową silnika liczoną ze wzoru:
s
s
s
q
Q
n
=
g)
Moment na wałku silnika liczony ze wzoru
π
2
s
s
s
p
q
M
=
Sprawozdanie należy wykonać w formie elektronicznej i zakończyć je wnioskami.
Uwaga!!!
Wszystkie obliczenia powinny być wykonywane po sprowadzeniu jednostek do
układu SI.
Literatura
1.
Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny, tom I elementy Wydawnictwo Naukowo-
Techniczne Warszawa 2003
2.
Stryczek S.: Napęd hydrostatyczny, tom II układy Wydawnictwo Naukowo-
Techniczne Warszawa 2003