Гидравлический насос, клапан и цилиндр могут соответствовать своим индивидуальным техническим характеристикам, но это не обязательно означает, что они будут хорошо работать в комплексе. Во многих гидравлических системах низкая производительность обусловлена несоответствием компонентов, а не их неисправностью.
Цилиндр определяет, какое усилие и какой расход масла требуются для работы машины. Насос должен обеспечивать необходимый расход при требуемом давлении, а клапаны должны регулировать этот расход, не создавая чрезмерных потерь давления и не ограничивая ход привода.
Практическая последовательность сопоставления выглядит следующим образом:
Нагрузка и скорость → Цилиндр → Требуемое давление и расход → Насос → Клапаны → Проверка системы
Понимание этой взаимосвязи помогает избежать таких распространенных проблем, как недостаточная сила действия цилиндра, медленное перемещение, перегрев и излишнее потребление энергии.
Начните подбор гидравлической системы с цилиндра
При подборе гидравлических узлов цилиндр, как правило, является лучшей отправной точкой, поскольку именно он преобразует гидравлическую энергию в фактическое усилие и движение, необходимые для работы машины.
Основными параметрами цилиндра являются диаметр рабочей камеры, диаметр штока, ход, рабочее давление и требуемая скорость перемещения. Размер рабочей камеры определяет площадь поршня и, следовательно, существенно влияет как на усилие, так и на расход масла.
Основная зависимость между силой и объемом цилиндра выглядит следующим образом:
F = P × A
где F — это сила, P — это давление и A — это эффективная площадь поршня.
Больший диаметр цилиндра обеспечивает большую силу при том же давлении, но при этом требует большего объема гидравлического масла для достижения той же скорости перемещения. Это означает, что изменение размера цилиндра может повлиять как на требования к насосу, так и к клапанам.
В случае цилиндра с одним штоком необходимо также отдельно проверять ход втягивания, поскольку шток уменьшает эффективную площадь с его стороны. Поэтому усилие втягивания меньше, чем усилие выдвижения, тогда как скорость втягивания при одинаковом расходе жидкости, как правило, выше.
Согласование давления гидравлического насоса с усилием цилиндра
Зная диаметр цилиндра и необходимое усилие машины, можно рассчитать приблизительное рабочее давление.
Например, цилиндр с диаметром 80 мм имеет площадь поршня примерно 5 027 мм². При давлении 160 бар его теоретическое усилие выталкивания составляет примерно:
F = P × A ≈ 80 кН
Фактическая мощность цилиндра будет несколько ниже из-за механического трения и потерь давления в гидравлической системе.
Поэтому насос должен работать при давлении, достаточном для преодоления нагрузки и потерь в контуре. Однако это не означает, что выбор насоса с гораздо более высоким давлением автоматически повысит производительность системы.
Цилиндр, насос, клапаны, шланги, фитинги и коллекторы имеют свои номинальные значения давления. Рабочее давление гидравлической системы и настройка предохранительного клапана должны оставаться в пределах допустимых значений для всей гидравлической схемы.
Распространенной ошибкой при подборе оборудования является попытка решить проблему недостаточной усилительной способности цилиндра просто за счет повышения давления в системе. Если цилиндр имеет слишком малую мощность для данной нагрузки, правильный подбор размера цилиндра может оказаться более эффективным решением, чем постоянное повышение давления.
Согласование расхода гидравлического насоса со скоростью вращения цилиндра
Давление определяет, сможет ли цилиндр преодолеть нагрузку, а расход — насколько быстро он будет двигаться.
Скорость вращения цилиндра можно рассчитать по следующей формуле:
v = Q ÷ A
где v — это скорость вращения цилиндра, Q это поток и A — это эффективная площадь поршня.
Предположим, что для цилиндра с внутренним диаметром 80 мм требуется скорость выдвижения, равная 0,08 м/с. Необходимый теоретический расход составляет примерно:
24 л/мин
Следовательно, насос должен обеспечивать примерно такой полезный расход, чтобы цилиндр смог достичь заданной скорости.
Рабочий объём насоса, частота вращения и объемный КПД определяют доступный расход:
Расход насоса ≈ рабочий объём × число оборотов × объемный КПД
При выборе насоса следует учитывать потери в системе и реальные условия эксплуатации, а не ориентироваться исключительно на точное соответствие теоретической потребности цилиндра.
Если требуется одновременная работа нескольких цилиндров или гидравлических двигателей, необходимо также учитывать их совокупную потребность в расходе жидкости. Насос, рассчитанный только на один привод, может привести к замедлению работы всех функций при одновременном выполнении нескольких операций.
Подбор гидравлических клапанов с учетом расхода насоса
После того как расход насоса установлен, клапаны должны быть способны эффективно регулировать этот расход.
Слишком маленький клапан создает препятствие для потока. Когда масло проходит через суженный канал, на клапане возникает перепад давления. Это снижает давление, подаваемое на привод, и приводит к преобразованию гидравлической энергии в тепло.
По этой причине при выборе клапана следует учитывать номинальный расход и расчетный перепад давления, а не только размер порта.
Например, если цилиндру требуется расход примерно 24 л/мин, пропускная способность направляющего клапана должна быть значительно выше фактического рабочего расхода при ожидаемых условиях давления. При наличии данных следует сверять кривые «расход-давление», предоставленные производителем.
Тот же принцип применим к регуляторам расхода, обратным клапанам, уравновешивающим клапанам и каналам коллектора. Даже один элемент, размер которого не соответствует требуемому, может снизить производительность всей гидравлической системы.
Соотнесение функций гидравлических клапанов с работой цилиндров
Пропускная способность — это лишь один из факторов, определяющих выбор клапана. Конфигурация клапана также должна соответствовать предполагаемому режиму работы цилиндра.
Для цилиндра двойного действия, как правило, требуется направляющий клапан, способный обеспечивать подачу и слив масла из обеих камер цилиндра. В цилиндре одинарного действия может использоваться иная схема расположения клапанов, поскольку гидравлическое давление обычно перемещает цилиндр только в одном направлении.
Важное значение имеют также условия нагрузки. Для цилиндра, подвергающегося вертикальной нагрузке, может потребоваться обратный клапан с пилотным управлением или уравновешивающий клапан, чтобы предотвратить неконтролируемое движение. Для цилиндра, требующего регулируемой скорости, может потребоваться регулирование расхода, тогда как в системах, где требуется плавное изменение скорости или положения, может применяться пропорциональное управление.
Таким образом, при подборе клапанов необходимо ответить на два вопроса:
Сможет ли клапан выдержать требуемое давление и расход?
и
Обеспечивает ли клапан функцию регулирования, требуемую приводом?
Чтобы гидравлическая система работала исправно, оба параметра должны быть правильными.
Проверить потери давления во всем гидравлическом контуре
Давление в насосе не совпадает с давлением, которое в конечном итоге достигает цилиндра.
Перед тем как попасть в привод, масло может проходить через направляющие клапаны, регуляторы расхода, шланги, фитинги, фильтры и коллекторы. Каждый из этих компонентов вызывает некоторую потерю давления.
Например, если давление на выходе насоса составляет 160 бар, но в контуре перед цилиндром происходит потеря давления в 10 бар, то при таких условиях эксплуатации на приводе будет доступно лишь примерно 150 бар.
Потери давления также приводят к выделению тепла. Приблизительную гидравлическую мощность, теряемую в результате сужения, можно рассчитать по формуле:
Потери мощности (кВт) = Перепад давления (бар) × Расход (л/мин) ÷ 600
Именно поэтому выбор насоса с избыточной производительностью с последующим значительным ограничением расхода с помощью клапана, как правило, неэффективен. Система, возможно, и достигнет требуемой скорости цилиндра, но избыточный расход насоса преобразуется в тепло.
Правильный подбор гидравлических компонентов направлен на обеспечение необходимого давления и расхода без создания чрезмерных потерь в давлении.
Пример подбора насоса, клапана и цилиндра
Рассмотрим простую гидравлическую систему со следующими требованиями к цилиндру:
| Параметр | Пример |
|---|---|
| Диаметр цилиндра | 80 мм |
| Диаметр штока | 40 мм |
| Требуемая скорость удлинения | 0,08 м/с |
| Рабочим давлением | 160 бар |
| Требования к расходу в удлинителе | Прибл. 24 л/мин |
| Теоретическое усилие растяжения | Приблизительно 80 кН |
Требование к рабочему цилиндру гласит, что насос должен обеспечивать примерно 24 л/мин полезного расхода при требуемом рабочем давлении.
Поэтому насос следует подбирать с учетом требуемого расхода, рабочего давления, частоты вращения насоса и ожидаемого КПД. Напорный клапан и другие регулирующие клапаны должны иметь номинальное давление, соответствующее требованиям системы, а их пропускная способность должна значительно превышать фактический рабочий расход.
Полная логика сопоставления заключается в следующем:
Цилиндр 80 мм
→ требуется примерно 160 бар — заданное усилие
→ требуется примерно 24 л/мин при заданной скорости
→ определяет необходимый Давление и расход насоса
→ определяет необходимый Давление в клапане и пропускная способность
→ после чего проводится проверка Потери давления, теплообмен и характеристики управления
Это более надежный способ, чем подбор насоса, клапана и цилиндра по отдельности.
Распространенные ошибки при подборе гидравлических узлов
Одной из распространенных ошибок является подбор компонентов исключительно по максимальному давлению. Два компонента могут иметь номинальное давление 250 бар, но это не означает, что их пропускная способность или характеристики регулирования совместимы.
Еще одной ошибкой является выбор клапанов исключительно по размеру присоединения. Два клапана с одинаковым размером патрубков могут иметь совершенно разные внутренние пропускные способности и перепады давления.
Слишком мощные насосы также могут создавать проблемы. Более высокий расход не всегда является преимуществом. Если цилиндру не требуется дополнительный расход, его может потребоваться ограничить или вернуть в резервуар, что приведет к увеличению энергопотребления и выделению тепла.
Главное — это подобрать требования к усилию и скорости цилиндра с учетом давления и расхода насоса, а затем убедиться, что клапаны способны эффективно и безопасно регулировать этот расход.
Вывод: рассматривать гидравлическую систему как единое целое
Гидравлические насосы, клапаны и цилиндры ни в коем случае не следует выбирать как полностью независимые друг от друга компоненты.
Начните с нагрузки и требуемого хода. На основании этих требований определите размер цилиндра, рабочее давление и необходимый расход. Затем выберите насос, способный обеспечить такое давление и расход, а после этого — клапаны, рассчитанные на необходимую пропускную способность и обеспечивающие нужные функции управления.
Основная зависимость сопоставления выглядит следующим образом:
Сила, действующая на цилиндр → Давление
Скорость вращения цилиндра → Расход
Насос → Обеспечивает давление и расход
Клапаны → Регулирование давления, расхода и направления потока
При правильном подборе этих компонентов гидравлическая система позволяет обеспечить требуемое усилие, скорость и управляемость, одновременно сокращая ненужные потери давления, тепловыделение и избыточные размеры компонентов.
Нужна помощь в подборе компонентов гидравлической системы?
Компания AISOAR поставляет гидравлические силовые агрегаты и решения для гидравлических систем, разработанные с учетом технических характеристик цилиндров, требуемого давления, расхода, рабочего цикла и требований к управлению.
При разработке гидравлической системы для OEM-проекта указание внутреннего диаметра цилиндра, диаметра штока, хода, требуемого усилия, скорости перемещения, рабочего цикла и доступного источника питания поможет нашей инженерной команде подобрать подходящий насос, клапаны и конфигурацию гидравлической системы.
