Шесть основных законов гидравлических систем: от создания давления до распределения потока

Фундаментальные законы гидравлических систем основаны на фундаментальных принципах механики жидкости. Упрощённые и уточнённые инженерной практикой, они образуют шесть основных законов, уникальных для гидравлической отрасли. Эти взаимосвязанные законы в совокупности объясняют такие фундаментальные вопросы, как создание давления, управление потоком, а также передача и распределение энергии в гидравлических системах. К ним относятся: закон создания давления (закон P), закон создания потока (закон Q), закон потерь давления (закон ΔP), закон распределения давления при многонагрузочной нагрузке, закон распределения потока и закон потерь потока (закон ΔQ).

1. Обзор шести основных законов гидравлики

2. Закон развития давления (P-закон): источник гидравлической силы

«Давление зависит от нагрузки» — эта классическая поговорка в области гидравлики точно отражает суть закона развития давления (P-закона). В гидравлической системе давление создаётся не только гидравлическим насосом; это реакция системы на внешнюю нагрузку. Когда гидравлическое масло толкает поршень цилиндра, преодолевая внешнее сопротивление, давление в системе естественным образом увеличивается; когда нагрузка уменьшается, давление также уменьшается. Этот закон раскрывает фундаментальную логику работы гидравлических систем: насос обеспечивает поток, а давление определяется сопротивлением нагрузки движению жидкости.

Этот принцип можно проверить с помощью простого эксперимента: поместите гидравлический домкрат под автомобили разной массы. При подъёме небольшого автомобиля манометр показывает низкие показания; при подъёме тяжёлого грузовика показания манометра значительно выше. Хотя насос подаёт одинаковое количество масла, давление полностью определяется нагрузкой. В инженерной практике операторы часто наблюдают за изменениями давления в системе, чтобы определить степень нагрузки оборудования, что является применением закона изменения давления.

Закон развития давления имеет два важных исключения, которые углубляют наше понимание развития давления:

Развитие динамического давления: при внезапном препятствовании высокоскоростному потоку жидкости (например, при резком закрытии клапана) его кинетическая энергия преобразуется в энергию давления, создавая скачок давления, значительно превышающий статическое. Это явление особенно ярко проявляется при резких остановках или изменении направления движения строительной техники, что может привести к вибрации трубопровода или нарушению герметичности.

Давление в условиях утечки: В системе с утечкой возможность нагнетания давления зависит не только от нагрузки, но и от баланса между утечкой и подачей масла. При чрезмерной утечке система может не обеспечить достаточного давления для поддержания нагрузки, что часто встречается в изношенных гидравлических насосах или цилиндрах.

3. Закон развития потока (Q-закон): регулятор скорости движения

3.1 ​​Взаимосвязь между потоком и скоростью

Закон развития потока (закон Q) раскрывает сущность скорости движения в гидравлической системе: скорость исполнительного механизма определяется подаваемым на него потоком. Этот закон демонстрирует точную математическую связь для гидроцилиндров и гидромоторов:

• Скорость гидроцилиндра: V = Q / A

(V: скорость поршня; Q: расход; A: эффективная площадь поршня)

• Скорость гидромотора: n = Q / q

(n: скорость; Q: расход; q: рабочий объем двигателя)

Эти формулы показывают, что увеличение скорости выдвижения цилиндра может быть достигнуто за счёт увеличения расхода масла или уменьшения площади поршня; увеличение крутящего момента двигателя требует увеличения давления или выбора двигателя с большим рабочим объёмом. Во время работы экскаватора перемещение рукоятки управления эффективно управляет открытием клапана, тем самым регулируя поток, поступающий в цилиндр, и, в конечном счёте, обеспечивая точное управление скоростью ковша.

3.2 Реальное влияние утечек

В идеале выходной поток гидравлического насоса должен полностью преобразовываться в движение исполнительного механизма. Однако в реальности внутренние и внешние утечки неизбежны, что является фундаментальной характеристикой гидравлической передачи. Внутренние утечки возникают, главным образом, в зазорах между парами трения насоса, клапана и гидромотора, например, между плунжером и отверстием цилиндра плунжерного насоса и между сердечником клапана и втулкой золотникового клапана. Хотя эти утечки снижают объёмный КПД, они необходимы для смазки и обслуживания гидростатических подшипников.

Внутренние утечки в современных гидравлических компонентах эффективно контролируются. Например, современные резьбовые картриджные клапаны имеют внутреннюю утечку всего 3–6 капель/час (примерно 1 мл). Однако внешние утечки в системе по-прежнему требуют пристального внимания, особенно в местах соединения труб и уплотнений. С развитием таких технологий, как высокопрочные болты класса прочности 12,9, проблема внешних утечек была значительно решена.

Закон сохранения мощности — ещё одно важное проявление закона расхода: N = P × Q / 60 (кВт). Это количественное соотношение гласит, что при постоянной мощности давление и расход взаимно ограничены: увеличение давления требует уменьшения расхода, и наоборот. Насосы переменной производительности с постоянной производительностью используют этот принцип, автоматически уменьшая рабочий объём при увеличении давления нагрузки для поддержания постоянной мощности.

4. Закон потери давления (закон ΔP): основная причина нагрева системы

4.1 Причины и количественная оценка потери давления

При движении гидравлического масла по системе оно неизбежно встречает сопротивление, что приводит к падению давления. Эта потеря давления (ΔP) является основной причиной нагрева в гидравлических системах. Потеря давления обусловлена, главным образом, двумя факторами:

• Продольное сопротивление: трение между нефтью и стенками трубы при ее течении по трубопроводу, пропорциональное длине и шероховатости внутренней стенки.
• Местное сопротивление: возникает при прохождении потока через местные препятствия, такие как клапаны, колена и соединения, и обычно составляет более 70% общей потери давления.

Соотношение между ΔP и квадратом скорости потока (ΔP ∝ v²) лежит в основе закона потери давления. Это означает, что при увеличении скорости потока вдвое потери давления увеличиваются вчетверо. Поэтому управление скоростью потока является ключевым принципом проектирования гидравлических систем:

• Всасывающая линия насоса: Скорость потока должна быть <1 м/с (для предотвращения кавитации).
• Обратная линия: 1-3 м/с
• Линия давления: 3-6 м/с
• Локальная площадь отверстия клапана: <10 м/с

5. Закон распределения давления при многонагрузке: координация сложных систем

В многоактуаторных гидравлических системах закон распределения давления раскрывает ключевой принцип: различные нагрузки не могут напрямую использовать один и тот же источник давления. Это объясняется тем, что давление в гидравлической системе равномерно — давление в каждой точке одного и того же трубопровода одинаково в установившемся режиме. При параллельном подключении нескольких нагрузок давление в системе сначала будет соответствовать требованиям наименьшей нагрузки, в то время как требования более высоких нагрузок останутся неудовлетворенными.

Это явление можно наблюдать с помощью простого эксперимента: когда два цилиндра, требующие разного давления (например, 5 МПа и 10 МПа), работают одновременно, то при установке давления в системе на 10 МПа цилиндр низкого давления сработает быстро из-за избыточного давления, даже превышая безопасную скорость; тогда как при установке давления в системе на 5 МПа цилиндр высокого давления не сработает. Этот конфликт распределения давления особенно заметен при сложных движениях строительной техники.

6. Принцип распределения потока: ключ к координации нескольких исполнительных механизмов

6.1 Традиционные методы распространения и их ограничения

Распределение потока в гидравлической системе подобно «делению пирога». Ограниченные потоковые ресурсы должны быть рационально распределены в соответствии с потребностями различных приводов. Традиционные методы распределения потока включают в себя два основных метода:

• Демпфирование (дросселирование): распределение потока осуществляется путём регулирования степени открытия дроссельных клапанов в каждой ветви. Этот метод прост и экономичен, но он характеризуется значительными потерями энергии и низкой стабильностью потока при колебаниях давления нагрузки. Особенно при одновременной работе нескольких приводов поток будет преимущественно направляться к приводу с меньшей нагрузкой, что приводит к несогласованной работе.
• Распределение объёма: выходной расход напрямую регулируется изменением производительности насоса (регулируемый насос) или частоты вращения двигателя (частотно-регулируемый привод). Этот метод высокоэффективен, но значительно увеличивает стоимость и сложность технического обслуживания.

Эффект регулирования скорости дроссельной заслонки основан на принципе «гидравлического полумоста». Один дроссельный клапан не может стабильно регулировать поток; он должен работать с сопротивлением на входе и выходе, чтобы создавать перепад давления. Понимание этого принципа критически важно для анализа неисправностей системы. При отклонении расхода через дроссельный клапан от нормы важно проверить не только сам клапан, но и стабильность давления в системе.

6.2 Инновационное решение: система LUDV

Для устранения недостатков традиционного распределения потока в строительной отрасли была разработана инновационная система LUDV (система распределения потока, не зависящая от нагрузки). Эта система обеспечивает распределение потока по требованию благодаря ряду оригинальных конструктивных особенностей:

• Сеть челночных клапанов: определяет максимальное давление нескольких нагрузок в системе (PLs = max(PL1, PL2, ... PLn))
• Группа клапанов компенсации давления: обеспечивает одинаковый перепад давления на каждом отверстии (ΔP1 = ΔP2 = ... = ΔPn)
• Пропорциональное отверстие: точно контролирует углы открытия с помощью электрических сигналов от рукоятки управления.

В системе LUDV расход на каждый привод пропорционален исключительно площади отверстия и не зависит от перепадов давления нагрузки. Например, оператор может одновременно управлять подъёмом стрелы (при высокой нагрузке) и наклоном ковша (при низкой нагрузке), а система автоматически распределяет соответствующий расход для обеспечения согласованной работы, избегая явления «перетекания малых нагрузок», характерного для традиционных систем.

Более продвинутое решение для электронного распределения потока использует ЭБУ (электронный блок управления) для независимой регулировки площади сечения каждого отверстия, интегрируя обратную связь от датчиков для интеллектуального распределения потока. Например, новая гидравлическая система погрузчика оснащена независимо управляемым отверстием (OR31) между выходом насоса и обратной линией. Это позволяет осуществлять несогласованное регулирование с рабочими отверстиями (OR32, OR33 и т.д.), обеспечивая более точное управление потоком и минимизируя потери энергии.

Шесть фундаментальных законов гидравлики — формирование давления, формирование потока, потеря давления, распределение давления, распределение потока и потеря потока — составляют теоретическую основу гидравлической технологии. Эти законы не только объясняют принципы работы гидравлических систем, но и служат руководством при проектировании и диагностике неисправностей. В современных быстро развивающихся технологиях такие инновационные направления, как высокие давления, интеллектуализация и электрогидравлическая интеграция, по-прежнему основаны на этих фундаментальных законах.

Глубокое понимание этих законов позволяет инженерам-гидравликам перейти от «знания явления» к «пониманию сути» и от «опоры на опыт» к «научному проектированию». Будь то анализ первопричины нескоординированных сложных движений экскаватора, проектирование гидравлической системы для высокоточной литьевой машины или решение проблемы повышения температуры 10 000-тонного пресса, эти шесть законов предлагают фундаментальные решения. Освоение этих законов означает овладение сутью гидравлической технологии.