Управление гидравлическим давлением

Контроль давления достигается в гидравлических системах путем измерения потока жидкости в ограниченный объем или из него. Предохранительные клапаны и редукционные клапаны не являются регуляторами давления. Они ограничивают или снижают давление, но на самом деле не контролируют давление до желаемого значения. Редукционные клапаны могут только снижать давление и только на заданное соотношение. Давление на выходе ограничено давлением на входе. Предохранительные клапаны ограничивают давление только до установленного значения. Другое ограничение этих типов устройств заключается в том, что они используют пружины и являются только устройствами пропорционального регулирования. У них нет контроля скорости или возможности изменять различные давления на лету.

Клапаны PQ (регулирование давления и расхода) могут регулировать либо давление, либо расход, а иногда и расход с ограничением давления. Эти клапаны обычно имеют микропроцессоры или процессоры цифровых сигналов, внутри которых находится полноценный ПИД-регулятор. Клапаны PQ подходят для многих применений с регулированием давления, где нет необходимости быстро изменять давление или контролировать быстро меняющееся давление в системе. Проблема с клапанами PQ заключается в том, что они используют датчик давления там, где поток высокий и турбулентный.

Кроме того, когда масло течет с высокой скоростью, измеренное давление будет низким из-заЭффект Бернулли. Предполагая, что сумма кинетической энергии, потенциальной энергии и внутренней энергии движущейся жидкости остается постоянной,Эффект Бернуллиутверждает, что по мере увеличения скорости жидкости ее статическое давление уменьшается. Поэтому в динамических приложениях датчики давления следует устанавливать там, где поток жидкости не является быстрым или турбулентным.

Некоторые гидравлические контроллеры движения также могут управлять давлением, усилием и положением. Преимущество этих контроллеров состоит в диагностике, алгоритмах управления и возможности координировать работу многих клапанов одновременно. Это необходимо для таких применений, как гидроформинг, где давление масла будет быстро меняться при сжатии или разжатии, даже незначительном. В этих типах приложений для регулирования давления требуется быстрое реагирование и возможность измерять количество масла в сжатом объеме масла или из него. Давайте рассмотрим несколько примеров.

Все дело в энергии

Добавление жидкости к фиксированному объему увеличивает давление, тогда как выпуск жидкости уменьшает давление. Существует заблуждение, что давление регулируется кривой прироста давления клапана. Это верно только для испытательного приложения, где датчики давления подключены непосредственно кАиБпорты клапана. Объем масла при сжатии отсутствует.

Еще одно заблуждение состоит в том, что «давление — это сопротивление потоку». Лучше было бы сказать, что асопротивление потоку приведет к падению давления. Еще одна проблема заключается в том, что давление связано с внутренней энергией жидкости. Сопротивление потоку не добавляет энергии, но рассеивает энергию в виде тепла. Еще одно широко распространенное заблуждение состоит в том, что насосы создают поток, а не давление. Насосы преобразуют электрическую энергию в механическую, а затем в гидравлическую. Чтобы жидкость обладала энергией, она должна находиться под давлением, а потенциальная энергия обусловлена либо высотой, либо скоростью. Насос добавляет энергию к нефти любым из трех способов, как описано уравнением Бернулли:

гдепэто давление,

р - плотность,

вэто скорость,

гускорение свободного падения, а

часявляется возвышением.

Все три термина связаны с энергией. Члены скорости и гравитации имеют элемент плотности, что делает их непосредственно членами плотности энергии. Давление по-прежнему измеряется в фунтах на квадратный дюйм, но его можно преобразовать в энергию, умножив на объем:

Теперь умножьте на кубический дюйм:

Единица фунт-сила-дюйм (lbф-in.) являются единицами энергии. Эти единицы также могут быть преобразованы в BTU, что менее неудобно для нас.

Контроль давления

Абсолютное давление обычно точно не известно. Что можно рассчитать, так это изменение давления. Основная формула для расчета изменения давления:

где Δпизменение давления,

β – модуль объемного сжатия масла,

ΔВ- изменение объема масла при сжатии, а

Вобъем масла при сжатии.

Рассмотрим простой пример. Предположим, что у цилиндра с одним штоком нет мертвого объема, а его поршень находится на расстоянии 10 дюймов от конца крышки. Предположим, что объемный модуль упругости масла составляет 200 000 фунтов на квадратный дюйм. Насколько увеличится давление, если поршень сдвинется на 0,001 дюйма (от 10,0 до 9,999 дюйма) в сторону закрытого конца? Ответ: давление увеличится на 20.

Если поршень переместится еще на 0,001 дюйма ближе к торцевой крышке, давление увеличится еще на 20,002 фунта на квадратный дюйм — общее увеличение на 40,002 фунта на квадратный дюйм. Это связано с тем, что объем масла меньше, когда поршень перемещается с 9,999 дюйма на 9,998 дюйма от конца крышки. Обратите внимание, что давление будет увеличиваться все больше и больше с каждым шагом в 0,001 дюйма. движение. С помощью Excel легко рассчитать, насколько увеличится давление при сжатии масла поршнем. Обратите внимание, что точность будет увеличиваться по мере того, как шаги становятся меньше. Точное уравнение может быть получено с помощью исчисления.

В реальных системах давление не изменяется ступенчато. Изменения давления зависят от скорости изменения объема или скорости потока в или из объема масла при сжатии. Это можно выразить следующим дифференциальным уравнением:

где dp/dT — скорость изменения давления,

Вопрос(т) - поток в или из сжатого объема масла, и

В- сжатый объем масла. В этом примере громкость не меняется.

Легко увидеть скорость потока в сжатый объем масла или из него. Теперь предположим, что диаметр цилиндра составляет 4 дюйма, поршень находится на расстоянии 10 дюймов от закрытого конца, а скорость потока в объеме составляет 0,1 дюйма.3/сек.

Ясно, что для быстрого увеличения давления требуется очень небольшой поток.

Расчет силы еще проще:

То есть 2 фунта силы в миллисекунду. Уравнение скорости изменения давления умножается на площадь поршня, что уравновешивает площадь в знаменателе.

Давление или сила обычно контролируются, когда цилиндр не движется и каждый раз находится в одном и том же положении. Так обстоит дело с большинством пресс-приложений. Иногда при движении необходимо контролировать давление или силу, что представляет собой более сложную ситуацию. В этом случае поток на толкающей стороне должен быть равен увеличению объема, создаваемому движущимся поршнем, а поток на противоположной стороне должен быть равен скорости уменьшения объема.

Уравнение скорости изменения давления в движущемся гидроцилиндре:

В этом уравнении рассчитывается скорость изменения давления на крышке цилиндра. Это в основном то же уравнение, что и предыдущие, но числитель был расширен для учета движения поршня. По мере выдвижения штока поршня давление будет падать, если расход масла не будет равен скорости изменения объема. Знаменатель также увеличивается по мере увеличения позиции, что приводит к увеличению объема закрытия.

Скорость изменения со стороны штока поршня аналогична. Когда скорость положительна, давление со стороны штока будет увеличиваться, если выходной поток не будет равен скорости уменьшения объема при движении поршня:

Давление с обеих сторон поршня должно контролироваться при контроле усилия. Сила измеряется с помощью тензодатчика или с помощью двух датчиков давления по обе стороны от поршня. Если используется последний метод, давление на конце крышки умножается на площадь поршня. Давление на конце штока умножается на площадь поршня за вычетом площади штока и вычитается из силы со стороны крышки, чтобы получить чистую силу.