Regulatory przepływu
Prędkość ruchu odbiornika mo\
na regulować najlepiej przez zmianę wielkości strumienia
doplywającego do jego komór roboczych (metoda objętościowa) lub przez zastosowanie w układzie
odpowiednich zaworów sterujących natę\
eniem przepływu.
1.0. Zawory sterujÄ…ce natÄ™\
eniem przepływu
Zadaniem tej grupy zaworów jest wpływanie na wartość natę\
enia przepływu czynnika
dostarczanego do odbiornika dowolnego typu. Oddziaływanie to mo\
e mieć na celu sterowanie
prędkością (np. siłownika) lub ustalenie jej na zadanym poziomie.
Zawory sterujÄ…ce natÄ™\
eniem dzielimy na:
zawory dławiące: umo\
liwiają zmianę prędkości roboczej silnika zasilanego pompą o stałej
wydajności (metoda dławieniowa regulacji prędkości),
regulatory przepływu: pozwalają na stabilizację prędkości silnika (siłownika) niezale\
nie od
jego obciÄ…\
enia zewnętrznego,
synchronizatory: zadaniem ich jest podział strumienia na dwa strumienie zasilające
równocześnie pracujące np. siłowniki.
Zawory te budowane sÄ… jako:
nastawne (pole przekroju przepływowego mo\
na zmieniać),
nienastawne.
2.0. Dwudrogowy regulator przepływu
2.1. Uwagi ogólne
Zadaniem regulatora przepływu jest utrzymanie nastawionej wartości natę\
enia przepływu na
jego wyjściu niezale\
nie od zmian ciśnienia w tej gałęzi oraz chwilowych zmian wydajności pompy.
Regulator zasilany jest strumieniem Q1, przy stałym ciśnieniu , nastawionym za pomocą
zaworu przelewowego. Strumień ten doznaje podziału na przechodzący przez regulator strumień
u\
yteczny Q2, zasilający odbiornik i strumień Qz odprowadzony przez zawór przelewowy do
zbiornika. Czyli:
Q1 = Q2 + Qz
Regulator dwudrogowy włącza się w układzie na dopływie do odbiornika lub na odpływie.
Symbole graficzne regulatorów przepływu (dwudrogowych) przedstawiono poni\
ej.
nastawialny nienastawialny
2.2. Budowa i działanie regulatora dwudrogowego
Regulator dwudrogowy składa się z dwu zaworów: zaworu dławiącego i zaworu ró\
nicowego
połączonych szeregowo. Kolejność połączenia zaworów jest dowolna, ale częściej stosuje się
połączenie z zaworem dławiącym na wejściu.
BudowÄ™ regulatora przedstawiono na rysunku poni\
ej.
Konspekt: Regulatory przepływu 1
 schemat szczegółowy schemat uproszczony
Zawór ró\
nicowy składa się z tłoczka i sprę\
yny. W czasie pracy regulatora (Q1>Q2), suwak zaworu
ró\
nicowego jest obciÄ…\
ony siłą sprę\
yny ps wynoszÄ…cej:
ps = ks Å"(x0 + x),
gdzie: ks  sztywność sprę\
yny, x0  napięcie wstępne sprę\
yny, x  przemieszczenie suwaka.
oraz siłami pochodzącymi od ciśnień panujących przed i za zaworem dławiącym, oddziałującymi na
tej samej wartości pola powierzchni czołowych tłoczka .
Przy pominięciu siły hydrodynamicznej i sił tarcia lepkiego równanie równowagi tłoczka ma postać
p1 Å" ft = p2 Å" ft + ks Å"(x0 + x),
Spadek ciśnienia na zaworze dławiącym przy niezmiennym polu powierzchni fd otworu
dławiącego:
(x0 + x)
"pd = p'1- p2 = ks Å"
ft
W czsie pracy układu hydraulicznego regulator podnosi ciśnienie w układzie o wartość "preg i
otwiera zawór przelewowy tak, \
e nadwy\
ka cieczy, której nie pobierze odbiornik (siłownik lub
silnik) przelewa się do zbiornika. Jeśli ciśnienie otwarcia zaworu przelewowego wynosi p1 to:
p1 = "preg + p2 ,
gdzie:
"preg = "pd +"pr - spadek ciśnienia na regulatorze jest sumą spadku ciśnienia na
dławiku i spadku ciśnienia na zaworze ró\
nicowym,
p2 - ciśnienie u\
yteczne odbiornika.
Zakładając, \
e od strony odbiornika ciśnienie ma wartość stałą i jeśli natę\
enie przepływu
przez regulator wzrośnie to na zaworze dławiącym wystąpi większy spadek ciśnienia . Spowoduje to
wzrost ciśnienia p 1, które działając na tłoczek przesunie go do góry i przydławi (zmniejszenie
szczeliny fr) przepływ do wartości nastawionej.
Zmniejszenie natÄ™\
enia przepływu przez regulator powoduje zmniejszenie spadku ciśnienia
na dławiku, a tym samym spadek ciśnienia p 1. Tłoczek pod działaniem sił przesunie się w dół i
powiększy przekrój przepływowy . Natę\
enie przepływu przez regulator powiększy się do wartości
nastawionej. Poniewa\
ugięcie ruchowe x sprę\
yny jest niewielkie w porównaniu z ugięciem
wstępnym sprę\
yny x0, dlatego mo\
na przyjąć, \
e "pd = const, a więc tak\
e i strumień wyjściowy
będzie miał wartość stałą.
Konspekt: Regulatory przepływu 2
 W praktyce przyjmuje siÄ™, \
e spadek ciśnienia na dławiku (przy konstruowaniu regulatora)
powinien zawierać się w granicach 0,2 - 1 MPa.
W czasie pracy regulatora spadek ciśnienia na zaworze dławiącym mo\
na przyjąć za stały, to
przy zmieniającym się ciśnieniu p2, właściwie największe zmiany spadku ciśnienia występują na
zaworze ró\
nicowym. Jeśli np. p1 = 10 MPa, p2 = 1 MPa, "pd = 0.5 MPa to:
"pr = p1  p2 - "pd = 8,5 MPa
Jeśli p2 = 9 MPa, a pozostałe wartości jak wy\
ej to:
"pr = 10  9  0,5 = 0,5 MPa.
2.3. Bilans mocy regulatora dwudrogowego
Bilans mocy tego regulatora przedstawiono na rysunku poni\
ej.
Całkowita moc doprowadzona do regulatora nie zale\
y od obciÄ…\
enia. Niezale\
ne od obciÄ…\
enia sÄ…
równie\
straty na zaworze dławiącym (prostokąt dolny) i przelewowym (prostokąt górny). Przekątna
prostokąta wewnętrznego dzieli pole na moc u\
yteczną oraz na stratę na zaworze ró\
nicowym (obie
wielkości są proporcjonalne do obcią\
enia ; pierwsza wprost, druga odwrotnie). Im mniejsze jest
obciÄ…\
enie na wyjściu z regulatora, tym większa jest strata mocy na zaworze ró\
nicowym. Z rysunku
widać, \
e sprawność regulatora dwudrogowego przy małym obcią\
eniu jest bardzo mała. Stosowanie
zatem tego typu regulatora w układach napędowych o cyklu roboczym zakładającym dłu\
sze okresy
pracy bez obciÄ…\
enia jest niewskazane.
2.4. Charakterystyka regulacyjna i przepływowa.
Charakterystyka regulacyjna regulatora przedstawia zale\
ność Q2 = f(nastawa dławika) przy stałym
ciśnieniu p2, a charakterystyka przepływowa jest to zale\
ność Q2 = f(p2) przy stałej nastawie na
zaworze dławiącym regulatora (stały przekrój przepływowy).
20
12
Char. teoret.
15
8
Char. rzeczyw.
10
Q2 Q2
p2  const
Wartość nastawy  const.
4
5
0
0
0 2 4 6 8 10
0 2 4 6 8 10
p2
Wartość nastawy
Charakterystyka regulacyjna Charakterystyka przepływowa
Konspekt: Regulatory przepływu 3
Regulator spełnia swoją funkcję dopiero wówczas, gdy
Q1 > Q2 oraz (p1  p2) < "pd + "pr
Odchylenie rzeczywistej charakterystyki przepływowej od poziomu wyznacza wartość błędu
regulacji .
3.0. Regulator trójdrogowy
Regulator trójdrogowy zbudowany jest z dwóch zaworów elementarnych (dławiący i
ró\
nicowy) połączonych równolegle.
symbol graficzny
schemat uproszczony
schemat szczegółowy
Regulator trójdrogowy montowany jest w układzie hydraulicznym tylko na dopływie do odbiornika
Działanie mo\
na samemu opisać zakładając, \
e ciśnienie p2 = const. Regulator ma własny
upust cieczy do zbiornika i w zwiÄ…zku z tym na regulacjÄ™ pobiera znacznie mniej mocy ni\
regulator
dwudrogowy. Strumień regulowany występuje na wyjściu z tego regulatora.
Bilans mocy regulatora trójdrogowego przedstawiono na poni\
szym rysunku.
Moc doprowadzona do regulatora wynosi:
N = NU + "Nd + "Nr ,
gdzie: Nu=Q2*p2  moc u\
yteczna, "Nd=Q2*"pd  strata mocy na zaworze dławiącym, "Nr=Qr*p1=
Qr*(p2+"pd)  strata mocy na zaworze ró\
nicowym.
Konspekt: Regulatory przepływu 4
4.0 Regulacja natÄ™\
enia przepływu dławikiem
Zawory dławiące (dławiki) posiadają ró\
nego rodzaju szczeliny dławiące. W jednym skrajnym przypadku
szczelinę stanowi długi otwór o małej średnicy (kapilara), w drugim otworem jest kryza ostrokrawędziowa.
Przepływ oleju przez dławik opisuje zale\
ność:
Q = k Å" Sd Å" "pm ,
gdzie:
2
k- współczynnik proporcjonalnoÅ›ci: dla kapilary k=d2/32µl, dla kryzy k= Å› Å" ,
d, l  wymiary kapilary; µ,  lepkość i gÄ™stość oleju, ¾- współczynnik strat,
Sd  pole przekroju przepływowego dławika, "p  ró\
nica ciśnień na dławiku, m-wykładnik potęgowy(dla
kapilary m=1, dla kryzy m=0.5).
Postać końcowa wzorów na przepływy przez dławiki jest następująca:
- dla kapilary
4
Ä„ d
Q = Å" "p Å" ,
128 µ Å" l
- dla kryzy ostro krawędziowej
2
Q = Å" Sd Å" "p .
¾ Å"Å›
Charakterystyki przepływowe dla obu dławików przedstawiono na poni\
szym rysunku.
CharakterystykÄ™ dla kapilary przedstawia linia prosta a charakterystykÄ™ dla kryzy parabola.
Q
1
2
"Qd
"pd p
Na rysunku pokazano tak\
e mo\
liwość regulacji prędkości np. tłoka siłownika (małe zmiany "Q przy
znacznie większych zmianach "p, odpowiadających zmianom siły na tłoczysku siłownika). Stąd widać, \
e
dławikiem nie mo\
na utrzymać stałej prędkości tłoka. Jednak niekiedy w praktycznych zastosowaniach takie
wahania prędkości są dopuszczalne.
Poni\
ej rozpatrzono trzy przypadki monta\
u dławików w układzie hydraulicznym:
- dławik montowany na dopływie oleju do siłownika,
- dławik wmontowany na wypływie oleju z siłownika,
- dławik zamocowany równolegle do siłownika.
Jeśli dławik mocowany jest na dopływie oleju do siłownika (rys. poni\
ej) to strumień oleju
podawany przez pompę dzieli się na dwa. Jeden strumień płynie przez siłownik (jednocześnie te\
przez
dławik) a drugi przez zawór przelewowy. Zawór przelewowy jest otwarty i ciśnienie w układzie jest stałe i
równe ciśnieniu otwarcia zaworu po. Jeśli przyjąć, \
e ciśnienie w prawej komorze siłownika jest równe zero,
to w lewej komorze ciśnienie p będzie zale\
eć od siły F przyło\
onej do tłoczyska (przy pominięciu sił tarcia).
Z warunku równowagi sił rzutowanych na kierunek tłoczyska otrzymano:
p * St - F = 0 ,
czyli:
p = F/St .
A prędkość tłoka będzie równa;
Konspekt: Regulatory przepływu 5
 v = Q/ St .
St
F
Sd
ZakÅ‚adajÄ…c dla dÅ‚awika m = ½ to wzór na jego przepustowość ma postać:
Q = k*Sd* "p = k * Sd * ( po - p)0.5 .
Jeśli siła obcią\
ająca tłoczysko zmienia się od wartości minimalnej Fmin do wartości maksymalnej Fmax, to
równie\
podobnie zmieniają się ciśnienia (od pmin do pmax ). Sile maksymalnej odpowiada jednak minimalna
prędkość tłoka (dla stałego strumienia pompy);
Sd
vmin= kÅ" Å" po - pmax ,
St
a prędkość maksymalna
Sd
vmax= kÅ" Å" po - pmin .
St
Stąd względna nierównomierność prędkości tłoka wynosi
vmax - vmin po - pmax
´max = = 1- .
vmax po - pmin
Nierównomierność prędkości jest tym mniejsza im większą wartość posiada wyra\
enie pod pierwiastkiem,
czyli im mniejsza jest ró\
nica między pmin i pmax ( odpowiednio Fmax i Fmin) oraz im większą wartość ma
ciśnienie po . Ciśnienie po musi być zawsze większe od pmax .
Dla przykładu: jeśli po=1.25pmax a pmin=0.25pmax to współczynnik nierównomierności prędkości ruchu tłoka
wynosi ´=0.5, co oznacza, \
e prędkość tłoka zmienia się o 50% przy zmianie siły obcią\
ajÄ…cej w/w granicach.
Dławik zamocowany na wypływie oleju z siłownika
St
F
Sd
Mo\
na jak poprzednio wyprowadzić zale\
ność na nierównomierność prędkości ruchu (współczynnik
´), przyjmujÄ…c \
e w lewej komorze cylindra ciśnienie pozostaje stałe a w prawej zmienia się w zale\
ności od
wartości siły F obcią\
ającej tłoczysko. Okazuje się, \
e współczynnik ´ opisany jest takÄ… samÄ… zale\
nością jak
w układzie z dławikiem umieszczonym na dopływie oleju do siłownika.
Konspekt: Regulatory przepływu 6
Dławik zamocowany równolegle do siłownika (regulacja dławieniowa upustowa)
W tym układzie zawór ciśnieniowy jest zamknięty (pełni rolę zaworu bezpieczeństwa) w odró\
nieniu od
poprzednich przypadków, gdzie zawór ciśnieniowy był otwarty (pełnił funkcję zaworu przelewowego).
Strumień oleju podawany przez pompę Qc dzieli się na dwa strumienie: jeden, zasadniczy Q płynie do
siłownika w celu wykonania pracy u\
ytecznej i drugi (jako upustowy) płynący przez zawór dławiący Qd.
St
Qc = Q + Qd .
F
Sd
Dla siły F zmieniającej się od wartości minimalnej do maksymalnej mo\
na wyprowadzić następujące
zale\
ności:
Fmax Fmin
pmax = , pmin = ,
St St
Qmax = Qc - Qd min = Qc - k Å" Sd Å" pmin ,
Qmin = Qc - Qd max = Qc - k Å" Sd Å" pmax ,
Qmax 1
vmax = = Å" (Qc - k Å" Sd Å" pmin ) ,
St St
Qmin 1
vmin = = Å" (Qc - k Å" Sd Å" pmax ) ,
St St
Qc - k Å" Sd Å" pmax
vmax - vmin
´max = = 1- .
vmax
Qc - k Å" Sd Å" pmin
Wynika stÄ…d, \
e maksymalna nierównomierność prędkości tłoka jest tym mniejsza, im mniejsza jest ró\
nica
między pmax i pmin (czyli równie\
Fmax i Fmin) oraz im większą wartość ma wydajność pompy Qc. Układ ten jest
korzystniejszy od poprzednich układów pod względem energetycznym, poniewa\
pompa pracuje przeciw
ciśnieniu proporcjonalnemu do siły roboczej F, podczas gdy w układach poprzednich ciśnienie za pompą jest
stałe i odpowiadające maksymalnej sile roboczej, niezale\
nie od jej chwilowej wartości.
Konspekt: Regulatory przepływu 7