Лекции по автоматизации управления ПТМ и Р

Основные функции систем управления ПТМ и СДМ. Примеры реализации различных функций систем управления в ПТМ и СДМ.

• Регулирование параметров (скорость, положение, ускорение, температура)

ступенчатое регулирование скорости: например, использование асинхронного двигателя с переключением количества обмоток (в лифтах) с фазным ротором.
бесступенчатое: двигатели постоянного тока с регулируемым напряжениям в цепи ротора, применение гидромоторов и гидронасосов с изменяемым рабочим объемом, дроссельное регулирование.
Так же, как для других параметров, для регулирования скорости могут использовать системы управления с обратными связями или без них.

Регулирование скорости может производится с различными целями:
- поддержание постоянной скорости при различным возмущающих воздействиях
- ограничение ускорения или скорости (лифты)
- регулирование скорости по заданному закону
Заданный закон изменения скорости может быть заранее определенным (разгон конвейера с тяговым органом большой протяженности) или же закон определяется оператором.
• Координация работы привода и исполнительных устройств (включение двигателя механизма подъема и нормально закрытого тормоза; работа кранового оборудования автомобильного крана только при аутригерах; блокировка подачи грузов на ленту ленточного конвейера, если конвейер остановится)
• Остановка и позиционирование рабочих органов (лифт - совмещение пола кабины и этажа)
Любая остановка предполагает позиционирование.
Точное позиционирование может и не требоваться (опускание на какое-либо основание). Можно различить 2 характерных способа остановки и позиционирования рабочих органов: 
- отключение двигателя и наложение тормоза (механизм подъема крана, передвижения крана, механизм поворота крана)
- остановка двигателем и удержание заданной позиции с помощью двигателя
Во втором случае также может использоваться тормоз, но накладывается он тогда, когда рабочий орган уже неподвижен (например, механизм подъема или передвижения крана, поворота крана и т.д.; сбалансированный манипулятор с электроприводом и позиционирование электродвигателя; механизмы с гидроцилиндрами).
• Обеспечение безопасной эксплуатации машин (ограничение перемещений высоты подъема, перемещения поворота)
1. Контроль положения машин, механизмов, исполнительных устройств, груза и т.д.
Примеры:
a. В мостовом кране ограничители высоты подъема мостового крана - предотвращение соприкосновения нижних блоков полиспаста, крюковой подвески, др. грузозахватных органов с несущей конструкцией; обеспечить полтора неприкосновенных витка крепления каната на барабан; положение тележки при подходе к упору; положение крана.
b. В стреловых кранах ограничитель высоты подъема, определение вылета груза относительно оси вращения (угол подъема стрелы, длина стрелы...), координатная защита. 
c. В лифтах контроль положения кабины (контролирует в районе посадочных площадок, т.к. непрерывный контроль положения сложнее и дороже) с целью своевременного снижения скорости при подходе к месту остановки и совмещение пола кабины и пола площадки с заданной точностью; контроль положения дверей кабины и шахты.
d. В СДМ контроль положения рабочих органов (иногда самой машины); в автоматизированных СДМ, предназначенных для формирования определенной поверхности, в настоящее время разрабатываются системы управления машиной по заранее заданной программе (виды работ: планирование ровной горизонтальной поверхности, формирование откосов, рытье траншей), в системах управления таких машин обязательно должны быть датчики положения рабочего оборудования и конкретно рабочего органа. 
e. В промышленных роботах с позиционным управлением постоянно задаются и контролируются отдельные позиции положения рабочего органа. В промышленных роботах с контурным(непрерывным) управлением постоянно контролируется траектория движения рабочего органа и скорость в каждой точке траектории. Этот контроль в системах управления промышленных роботов реализуется как функция-контроль параметров (положение и скорость).
2. Контроль нагрузки
Ограничение грузоподъемности кранов. Существуют краны, в которых контроль грузоподъемности обязателен: свободностоящие грузоподъемные краны, такие как автомобильные и пневмоколесные, портальные, башенные, железнодорожные, краны манипуляторы, краны мостового типа при переменной вдоль пролета грузоподъемности или такие, в которых по условиям технологии производства работ возможна перегрузка. Краны стрелового, мостового типа, лифты, стеллажные краны-штабелеры. При загрузке происходит измерение веса груза, и, если груз выше заданного значения, подается сигнал и блокируется работа машины.
3. Защита от воздействия окружающей среды, которое может привести к аварии
- ветровая нагрузка
- контроль напряженности электромагнитного поля… АСОН
- контроль нахождения людей в опасной зоне
a. В мостовых кранах автоматически отключается питание при выходе человека на мост крана. Отключение осуществляется концевым выключателем, который срабатывает при открывании люка или двери для выхода на мост крана. Если дверь кабины крановщика не закрыта, кран не может двигаться с места.
b. В ленточных конвейерах большой протяженности вдоль всего конвейера есть устройства, с помощью которых можно отключить конвейер, находясь в его галереи или на площадке вдоль конвейера.
c. В РТК по нормам безопасности запрещается нахождение людей внутри огражденной зоны РТК. При входе человека в эту зона, работа РТК останавливается.
4. Диагностика состояния машины или комплекса машины
Различают диагностику перед началом работы и диагностику во время функционирования.
В некоторых машинах с гидроприводом работа допускается только при определенной температуре рабочей жидкости. Идет контроль и изменение температуры за счет систем кондиционирования или нагрева. 
Диспетчеризация лифтов.
5. Другие функции 
- контроль скорости перемещения кабины лифта с помощью ограничителя скорости
- ограничение максимального давления в гидросистеме
- контроль наличия напряжения (и тока) во всех фазах трехфазной электросети
• Информационная функция 
Может включать как простейшие устройства (оповещения о перегрузке крана с помощью светового и звукового сигнала) так и сложные системы, включающие один или несколько мониторов, на которых может отражаться состояние некоторых параметров (давление в гидросистеме, грузовая характеристика, информация о вылете и грузе, угол подъема стрелы). Лифты - оповещение о нахождении кабины. В сложных ПТМ на пульт управления передается информация о состояниях отдельных машин, о состоянии груза, о виде груза и др.
Регистрация параметров работы машины отдельных ее систем и механизмов. Эта информация используется для сравнения реальной нагруженности машины с проектной. Прогнозирование необходимости ремонта и обслуживания, а также для получения информации при расследовании инцидентов и аварий. Эта информационная функция в настоящее время интенсивно развивается. 50 лет назад в основном эта функция реализовывалась с помощью счетчиков моточасов. Приблизительно 30 лет назад счетчики моточасов заменили простейшие регистраторы параметров. Установка регистраторов параметров была рекомендацией. В дальнейшем стала обязательной. В настоящее время кроме регистраторов параметров ведущими краностроительными фирмами разрабатываются системы удаленного мониторинга состояния кранов их механизмов и систем. Предполагается, что с помощью этих систем фирма-производитель крана может контролировать состояние крана в течение его жизненного цикла. Данные о состоянии крана могут использоваться для планирования выпуска запасных частей, для планирования ремонта под надзором фирмы производителя и для накопления информации, необходимой для проектирования кранов такого типа.
 

Классификация систем управления по участию оператора в управлении машиной.

1) Управление, контролируемое оператором
Подавляющее большинство ПТМ и СДМ. Чаще всего используется непосредственный визуальный контроль, который может дополнятся инструментальным контролем. Как правило в таких машинах оператор непосредственно с помощью сигналов управления может изменять параметры функционирования машины, такие как скорость (машины, исполнительных устройств, рабочих органов) остановка и позиционирование, направление движения и т.д. В настоящее время появилось много машин в управлении и функционировании которых учувствует оператор, но при этом он не может непосредственно визуально контролировать функционирование машины. Контроль только инструментальный. В частности, визуальный контроль осуществляется с помощью видеокамер и мониторов. Характерный пример - мобильные роботы. Такой вид управления используется и в мобильных кранах.
a. Непосредственное командное управление с визуальным контролем
b. С телеуправлением (дистанционное управление) 
2) Функционирующие без участия оператора (автоматическое управление)
Промышленные роботы, автоматизированные склады, автоматизированные транспортные комплексы (системы конвейеров) автоматизированные подвесные конвейеры (например, автомобильного производства). В данных системах будем различать 2 класса:
a. Жестко программируемые
Следует отличать жестко программируемые (ЖП) системы от автоматических линий. Отличие заключается в том, что автоматические линии за весь свой срок службы функционируют с одной и той же продукцией, по одной и той же программе. А ЖП имеют возможности для перепрограммирования системы управления относительно простыми средствами. За счет этого их возможности по работе с различными производственными объектами по различным алгоритмам функционирования существенно расширены по сравнению с автоматическими линиями. Недостатком ЖП машин и систем является возможность прекращения функционирования или аварийной ситуации в непредвиденных обстоятельствах. ЖП машины и системы требуют очень высокой организации окружающей технологической среды. В связи с развитием информационных технологий ЖП системы управления вытесняются ГП и адаптивными.
b. Гибко программируемые и адаптивные
Способны изменять некоторые параметры функционирования машины без участия оператора. Для этого программа управления предусматривает альтернативные виды функционирования, а сама система управления оснащается датчиками, с помощью которых и осуществляется выбор какой-то из альтернативных программ.
Способы формирования сигналов управления (команд) при командном управлении:
1) Подача команды (сигнала управления) с помощью специального устройства отдельно на каждый привод
2) Подача команды с целеуказанием (направлением движения)
3) Копирующее управления
Для управления манипулятором используется задающий орган, кинематически подобный манипулятору. Копирующие манипуляторы для атомной промышленности, манипуляторы машин для заготовки лесоматериалов (харвесторы и т.п.).
В сбалансированных манипуляторах с пневмоприводом в качестве сигнала управления подъемом и опускания груза может быть непосредственно силовое воздействие оператора на груз или грузозахватный орган. Этот способ управления можно отнести к командному. Однако не используются кнопки, рукоятки и другие подобные органы управления. Способ удобен для перемещения и точного позиционирования груза навесу. Применяется для точной установки изделий (например, на станки) или при сборочных работах. Также применяется для перемещения относительно небольших грузов (до 250кг).

 

Классификация систем управления ПТМ и СДМ по виду энергоносителя. Области применения в ПТМ И СДМ.

a. Электропривод
Области применения
Стационарные машины и системы, работающие на одной площадке или помещении (либо постоянно работающие на одном месте, либо перемещаемые вместе), например, краны мостового типа (козловые мостовые перегружатели) передвижные стреловые краны, портальные краны, железнодорожные краны, судовые краны, лифты, строительные подъемники, сбалансированные манипуляторы, МНТ, экскаваторы с большим объемом ковша (более 25 м³).
Чем обусловлено применение
Доступностью электроэнергии, отработанными технологиями производства компонентов электропривода, отработанной системой эксплуатации, хорошо сочетаются с информационными технологиями (в качестве источника энергии и в качестве основного вида энергии, используемой с информационными технологиями).
Современные электроприводы применяются в самом широком диапазоне мощностей (от нескольких ват до сотен киловатт); экологически чистый привод.
b. Гидропривод
Области применения
Мобильные ГПМ и СДМ, в частности стреловые, самоходные, автомобильные и пневмоколесные краны, краны-манипуляторы, устанавливаемые на транспортных средствах и стационарные, подъемные системы для перемещения тяжелых грузов с использованием домкратов, СДМ, например, одноковшовые экскаваторы, скреперы, бульдозеры, ковшовые погрузчики, погрузчики (авто- электро-, работающие на складах), лифты (с относительно небольшой высотой подъема), подъемники.
*в мобильных машинах ПТМ и СДМ первичным источником энергии обычно является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). ДВС имеет очень узкий диапазон рабочих скоростей. Для его расширения можно установить специальные механизмы (коробки передач) или использовать электрические приводы и гидравлические приводы.
Чем обусловлено применение
Гидравлические двигатели в настоящее время легче и компактнее электрических и пневматических двигателей при больших мощностях от (1 кВт до 500 кВт). Чем больше грузоподъёмность, тем легче становится гидропривод по сравнению с аналогами.
Гидравлические насосы получают энергию от двигателей внутреннего сгорания или электрических двигателей. Размеры и масса насосов тоже меньше по сравнению с размерами и массой этих первичных двигателей. Мощность гидроприводов обычно от нескольких киловатт до сотен киловатт.
Удобство распределения энергии между несколькими потребителями, удобнее механических приводов и сопоставим с электрическими приводами.
Более хорошие характеристики гидропривода обусловлены высоким давлением рабочей жидкости при передаче энергии, а именно в современных мобильных ПТМ и СДМ рабочее давление гидропривода составляет 25-35 МПа. В специальных гидроприводах (домкратах) применяется до 50 МПа.
Гидродвигатели могут длительное время держать нагрузку при неподвижном положении выходного звена гидродвигателя.
Недостатки гидропривода, которые ограничивают его применение в ПТМ
Необходим первичный источник энергии (ДВС или электрический двигатель), за исключением ручных насосов. Сложность изготовления и обслуживания. Экологически опасен из-за пролива рабочей жидкости.
c. Пневмопривод
Область применения
В ПТМ и СДМ пневматический привод применяется в машинах и в их системах с цикловым управлением. Цикловое управление подразумевает, что в процессе функционирования контролируются только крайние положения рабочих органов и исполнительных устройств. Примеры: затворы бункеров (в том числе для загрузки МТН). В конвейерных системах в сталкивателях штучных грузов. Подъемные столы, поворотные столы. ПТМ для взрывоопасного производства. Краны-штабелеры, сбалансированные манипуляторы.
Преимущества
Экологически чистый, но шумный. Питание машин с пневмоприводом может быть индивидуальным (компрессоры) или централизованным (от пневмосети - распространено на многих предприятиях).

 

Система управления ПТМ и СДМ с гидроприводом.

Давление в гидродвигателе определяется нагрузкой. Перепад давления на дросселе возникает только при расходе рабочей жидкости, отличном от 0. Если расхода рабочей жидкости нет, то и нет перепада давления.
В объёмном и динамическом гидроприводах для передачи и преобразования механической энергии используется рабочая жидкость, т.е. некоторая субстанция, которая в неком рабочем диапазоне температур является жидкостью. Рабочий диапазон температур важен для выбора рабочей жидкости, а также для принятия решения о применении гидропривода.
Первичными источниками энергии являются: в мобильных машинах ДВС, в промышленных - электродвигатели.
Гидроприводы объемного типа имеют насосы (насосные установки), которые приводятся в действие (получают энергию) от первичного двигателя. В мобильных машинах первичным двигателем чаще всего бывает ДВС. В гидроприводах промышленного назначения обычно первичным источником является электродвигатель (трехфазный асинхронный короткозамкнутый самый доступный и используется чаще всего). На схему системы управления объемного гидропривода влияют характеристики первичного двигателя (например, ДВС имеет малый диапазон регулирования скорости, поэтому инструменты для регулирования скорости предусматриваются в гидроприводе, а за счет изменения оборотов ДВС скорость не регулируют; ДВС при перегрузке может заглохнуть, поэтому при использовании его в качестве первичного источника в гидроприводе предусматриваются специальные меры по предотвращению перегрузки ДВС); в объемном гидроприводе используется потенциальная энергия рабочей жидкости.
В гидроприводах ПТМ и СДМ используются различные рабочие жидкости. Для гидроприводов, работающих на открытом воздухе, в том числе при минусовых температурах используются специальные рабочие жидкости, работоспособные в соответствующем диапазоне температур (температура рабочей жидкости существенно влияет на ее вязкость). Кроме рабочей жидкости в гидроприводе могут быть и другие элементы, чувствительные к температуре (например, уплотнения из полимерных материалов). Рабочий диапазон температур является важной характеристикой гидропривода. В частности, температура рабочей жидкости влияет на быстродействие системы управления и на КПД привода.
Инженерная информации по системе управления гидроприводом реализуется с помощью специальной инженерной документации: схема гидравлическая принципиальная. ГОСТ 2.704-2011. На схемах гидравлических принципиальных используются условные графические обозначения, которые отражают функциональные особенности гидравлических машин, аппаратуры и прочего, но не ставят целью отразить конструктивные особенности.
ГОСТ 2.781-96 "Обозначения условные графические. Аппараты гидравлические и пневматические, устройства управления и приборы контрольно-измерительные."
ГОСТ 2.782-96 "Обозначения условные графические. Машины гидравлические и пневматические."
Международный стандарт ISO 1219-1:2012 "Fluid power systems and components - Graphical symbols and circuit diagrams."

 

Системы управления гидроприводами автомобильных и пневмоколёсных кранов. Структурная схема гидропривода автомобильного крана.

Состав гидропривода (системы управления) ПТМ на примере автомобильного крана.

Основные элементы (составные части) гидропривода:
• ДВС - приводит в действие насосы насосной установки (обеспечивает их энергией)
• Насосная установка (один или несколько насосов)
• Гидравлические двигатели
    o Опирание крана (гидроопоры-аутригеры и механизмы выдвижения опор)
    o Крановое оборудование 
        - Гидромоторы механизмов подъема и поворота
        - Гидроцилиндры
• Гидроаппаратура (клапаны, регуляторы потока, гидрораспределители) 
• Рабочая жидкость
• Емкости для рабочей жидкости (бак)
• Гидравлические линии, трубопроводы, рукава, поворотные коллекторы
• Устройства кондиционирования, фильтры, теплообменники (нагрев или охлаждение жидкости)
• Информационные устройства (манометры, реле давления, датчики температуры и т.п.)
Перепад Давлений на гидродвигателе определяется нагрузкой. Перепад давлений на дросселях возникает только при расходе рабочей жидкости, отличном от 0. Если расхода рабочей жидкости нет, то и нет перепада давления.

 

Объёмные гидроприводы с замкнутой и с разомкнутой циркуляциями рабочей жидкости.
Замкнутая циркуляция.

Рис. Принципиальная схема нерегулируемого гидропривода вращательного движения с разомкнутой (а) и замкнутой (б) циркуляциями
Параметр регулирования объемного насоса есть отношение текущего значения рабочего объема к максимальному объему, 0<U_H<1.
Н1 - основной насос, обеспечивает необходимое движение выходного звена двигателя.
М – гидромотор реверсивный (с вращением выходного вала в обе стороны) с постоянным рабочим объемом.
Для того чтобы предотвратить аварийную перегрузку установлены предохранительные клапаны К1 и К2. Они срабатывают в аврийной ситуации, если давление в напорной линии превышает номинальное давление. Клапан К1 защищает верхнюю напорную линию.
ОК1, ОК2 - обратные клапаны.
Вспомогательная гидросистема включает:
Вспомогательный насос Н2.
Переливной клапан К3.
Фильтр Ф.
Бак Б.
Давление в этой вспомогательной магистрале значительно ниже чем в основной, т.к. основное назначение вспомогательной гидросистемы – поддерживать минимально необходимое давление в сливной (для насоса - всасывающий) линии. Величина этого давления определяется настройкой переливного клапана К3. Насос Н2 имеет рабочий объем существенно меньше по сравнению с рабочим объемом Н1. Мощность подпиточной системы обычно не превышает 5% наибольшей мощности, передаваемой гидроприводом. Максимальный расход поступающей из подпиточной системы жидкости должен быть не меньше наибольшей разницы поступающего в насос и выходящего из гидродвигателя расходов (не меньше суммарной утечки жидкости из гидромашин).
В такой гидросистеме как правило выполняется машинное регулирование скорости (т.е. скорость регулируется за счет изменения рабочего объема регулируемого насоса, регулируемого гидромотора, регулируемых насоса и гидромотора).
Гидроприводы с замкнутой циркуляцией получили широкое применение в трансмиссиях самоходных машин.
Преимущества:
+ меньший объем потока рабочей жидкости по сравнению с гидроприводом с разомкнутой циркуляцией
+ меньший бак
+ возможность реверсирования гидромотора путем изменения направленного потока рабочей жидкости реверсивным насосом
Недостатки:
- возможен перегрев
- расход на входе и на выходе ГД должен быть один и тот же, соответственно гидроцилиндр с односторонним штоком применять сложно

 

Способы регулирования скорости в системах управления гидроприводами.

В объемных гидроприводах есть 2 вида регулирования скорости: машинное регулирование и дроссельное регулирование. Оба способа позволяют обеспечить плавное регулирование скорости. Возможно и ступенчатое регулирование с помощью одного или нескольких насосов.
В гидросистемах с машинным регулированием с замкнутой рециркуляцией реверсирование направления вращения гидромотора тоже может быть машинным.
В гидросистемах с разомкнутой рециркуляцией и дроссельным регулированием регулирование скорости осуществляется с помощью регулируемых дросселей или дросселирующим гидрораспределителем. 
Реверсирование направления вращения гидромотора осуществляется гидрораспределителями. 
Виды регулирования скорости и реверсирование гидромотора в гидроприводах.

Гидроприводы с дроссельным регулированием
- это дополнительное сопротивление в системе подачи. Функции дросселя может выполнять и гидрораспределитель (дросселирующий гидрораспределитель).
Дроссель - гидроаппарат управления расходом (местное сопротивление в гидролинии). Дроссели могут устанавливаться отдельно или являться частью других гидроаппаратов. При движении рабочей жидкости и расходе Q на дросселе возникает перепад давлений Pдр. Если расход равен 0, то перепада давления нет.
Дроссели могут устанавливаться отдельно или являться частью других гидроаппаратов. При движении рабочей жидкости при некотором расходе Q на дросселе возникает перепад давлений дельта P. Если расход равен 0, перепада давления на дросселе нет.
Классификация видов дроссельного управления по месту установки дросселя:
• Дроссель на входе гидродвигателя
• Дроссель на выходе гидродвигателя
• Дроссель параллельно гидродвигателю
Классификация по давлению на выходе из насоса; различают дроссельное регулирование:
• С постоянным давлением 
• С переменным давлением
С поступательным движением выходного звена, вращательным и поворотным.
Достоинства дроссельного регулирования по сравнению с машинным регулированием:
• Высокая чувствительность 
• Быстродействие 
• Простота конструкций и невысокая стоимость
• Возможность автономного управления одновременно различными гидродвигателями, питаемыми от одного насоса 
Недостатки
• Более низкий КПД (по сравнению с машинным регулированием)
• Сложность дистанционного управления

Регулирование скорости в гидроприводах с дроссельным регулированием при постоянном давлении
1) Регулирование скорости с установкой дросселя на входе

Рис. Принципиальная схема гидропривода с дросселем на входе (а), рабочая характеристика (б), КПД и мощность (в)
Н - нерегулируемый насос постоянной производительности
К - переливной клапан (через него часть жидкости постоянно сливается в бак)
Др - дроссель, с помощью которого происходит регулирование скорости гидродвигателя
Р - четырехходовой трехпозиционный гидрораспределитель
Ц - поршневой гидроцилиндр
Fp - нагрузка на поршень ГЦ
На поршень нагрузка действует в направлении сжатия рабочей жидкости в рабочей полости ГЦ
Рнг - его значение в рабочем режиме определяется настройкой переливного клапана К
Р1 - давление в гидроцилиндре, определяется нагрузкой поршня Fp
P2 - давление слива, его величина определяется сопротивлениями в линии слива (трубопроводы, фильтры, распределительная гидроаппаратура)

Рис. Схема, поясняющая распределение рабочей жидкости с дросселем на входе
Гидропривод с дросселем на входе пригоден только в случае, когда нагрузка создает повышенное давление в рабочей полости ГД (ГЦ). Если возможно изменение нагрузки на противоположное, такое что в полости гидродвигателя, в которую подается рабочая жидкость от насоса, может возникнуть «разрежение», то такая схема не применима. Разрежение может привести к разрыву рабочей жидкости и кавитации.
Гидропривод с дросселем на входе имеет низкий КПД, особенно при очень малых или при предельных (очень больших) нагрузках. Регулирование скорости осуществляется при постоянном давлении на выходе насоса, при работе привода часть рабочей жидкости сливается через переливной клапан в бак. Чем больше нагрузка, тем больше жидкости сливается в бак.
Движение неплавное!
При таком регулировании на дросселе выделяется тепло, которое нагревает рабочую жидкость, изменяя вязкость гидроаппаратуры, через которую проходит рабочая жидкость. Дроссели на входе обладают демпфирующим эффектом и обеспечивают плавное движение выходного звена гидродвигателя.
2) Регулирование скорости с установкой дросселя на выходе

Рис. Принципиальная схема гидропривода с дросселем на выходе (а), рабочая характеристика (б), КПД и мощность (в)
Выводы по схеме:
1. Установка дросселя на выходе обеспечивает восприятие как сжимающей, так и тянущей нагрузки, а также обеспечивает двухстороннюю жесткость привода.
2. Схема обеспечивает более плавное движение с меньшей вероятностью колебательных процессов, вследствие повышенного давления в сливной полости гидродвигателя.
3. Более плавное страгивание с места. Дроссель на выходе обладает демпфирующими свойствами.
4. Тепло, выделяющееся на дросселе, отводится в бак, минуя распределительную аппаратуру (бак является охладителем).
5. Низкий КПД (ниже чем с дросселем на входе), т.к. часть мощности двигателя тратится на преодоление сопротивления в сливной полости гидродвигателя.

3) Регулирование скорости с дросселирующим гидрораспределителем

Рис. Принципиальная схема гидропривода с дросселирующим гидрораспределителем
Дросселирующий распределитель должен содержать какие-то элементы, которые могут регулировать положение золотника в промежуточных состояниях.
В дросселирующем распределителе расход жидкости, подаваемой ГД и сливаемой из ГД, зависит от перемещения золотника. Если контролировать перемещение золотника, фактически выполняются функции дросселя на входе и дросселя на выходе.
Рабочие характеристики подобны "с дросселем на входе". Схемы с дросселирующим распределителем отличаются высоким быстродействием, часто применяются в следящих приводах, там, где нужна точная отработка управляющего сигнала.

4) Гидропривод с дроссельным регулированием скорости при переменном давлении

Рис. Принципиальная схема гидропривода с дросселем на параллельном потоке (а), рабочая характеристика (б)
Р - гидрораспределитель
Б - бак
Рнг - давление нагнетателя
Др - дроссель
К - клапан
Н - насос
Выводы:
+ более высокий КПД (особенно при малых и средних нагрузках)
+ особенно распространен
- нельзя управлять скоростью при отрицательной нагрузке
- мягкие рабочие характеристики

5) Регулятор расхода
Управление скоростью гидродвигателя с использованием регулятора расхода (потока).
Регулятор расхода – это гидроаппарат управления расходом жидкости, поддерживающий постоянный расход независимо от нагрузки.
В системах управления гидроприводом управление скоростью с помощью регулятора расхода применяется в тех случаях, когда нужно поддерживать постоянную скорость.
Существуют трехходовые регуляторы расхода. В них 3 входа: жидкость, подаваемая в регулятор под давлением; жидкость, подаваемая в ГД, с давлением, соответствующим нагрузке на ГД; слив рабочей жидкости в бак.

Рис. Схема трехходового регулятора расхода
В трехходовом регуляторе потока регулирование расхода жидкости, подаваемой гидродвигателю, осуществляется за счет слива избытка рабочей жидкости в бак. В трехходовые регуляторы расхода часто встраивают предохранительные клапаны или дистанционно-управляемые клапаны (обычно с электромагнитами) для разгрузки насоса на холостом ходу. 
Регулятор расхода предназначен для пропускания жидкости в одном направлении. При его установке в ГП реверсирование потока рабочей жидкости осуществляют с помощью ГР. Если необходимо пропускать рабочую жидкость в обратном направлении без использования ГР, иногда в регуляторы расхода встраивают обратные клапаны.
Конструктивная схема и обознчение на принципиальных схемах двухходового регулятора расхода:
А) С дросселем на выходе или компенсатором перед дросселем

Б) С дросселем на входе или компенсатором после дросселя

Рис. Схема регулирования скорости в гидроприводе с регулятором расхода на выходе

 

Гидропривод с машинным регулированием.

Гидромашинами называются насосы и моторы.
Бывают 3-х типов:
1) Регулируемый насос, нерегулируемый мотор (гидромотор или гидроцилиндр) ЗЦ и ОЦ (закрытая и открытая циркуляция)
2) Нерегулируемый насос, регулируемый мотор (гидромотор) (механизмы передвижения, подъема, поворота) ОЦ
3) Регулируемый насос и регулируемый мотор (гидромотор) (гидравлические трансмиссии) ЗЦ
В общем случае регулирование скорости предполагает изменение скорости в пределах допустимых значений, поддержание постоянной скорости при изменении нагрузки, а также реверсирование направления движения.

 

Регулирование скорости путем регулирования рабочего объема насоса.

Регулирование предполагает изменение скорости в пределах допустимых значений, поддержание постоянной скорости при переменной нагрузке или другие возмущающие воздействия. Реверсирование направления движения выходного звена ГД.
В системах закрытой циркуляции Реверсирование ГД осуществляется путем реверсирования подачи насоса.
В системах с открытой циркуляцией - с помощью гидрораспределителя.
Предохранительный клапан должен предохранять гидропривод от превышения давления сверх допустимого.

Рис. Машинное регулирование скорости в гидроприводе с разомкнутой циркуляцией
Н - насос регулируемый с нереверсивной подачей; ГР - гидрораспределитель, с помощью которого осуществляется реверсирование выходного звена ГД (штока ГЦ или вала ГМ); К - предохранительный клапан, срабатывающий в аварийной ситуации.
Скорость выходного звена гидромотора не зависит от перепада давления. От него зависит только момент.

Регулирование скорости изменения рабочего объёма в гидроприводах с замкнутой циркуляцией

Н1 - основной насос, обеспечивающий движение основного органа с изменяемым направлением подачи и регулированием.
М - гидромотор с вращением в обе стороны и с постоянным рабочим объемом.
К1 и К2 - предохранительные клапаны.
Они срабатывают в аварийной ситуации, если давление в напорной линии превышает номинальное. К1 защищает верхнюю напорную линию, К2 защищает нижнюю линию, если она становится напорной.
Давление определяется нагрузкой!
К3 - переливной клапан.
Уплотнения
а. За счет малого зазора между поверхностями (5-10 икрон) используются, где нужно малое сопротивление трению и где возможны утечки.
б. За счет эластичного уплотнения.
Запиратель – клапан или золотник.
Н2 - насос для компенсации утечек. Его подача расходуется на компенсацию утечек через зазоры.
У привода существует зона нечувствительности, т.к. есть утечки.

Регулирование рабочего объема насоса
Рабочий объем может регулироваться непосредственно органами управления, расположенными на самом насосе или в непосредственной близости от него, а также может регулироваться дистанционно с помощью гидравлического привода регулирования или приводом с электромагнитами. 
Вспомогательный насос и элементы вспомогательной гидросистемы также располагаются в общем корпусе регулируемого насоса. Таким образом, регулируемый насос содержит основной насос, гидроцилиндр системы регулирования, гидрораспределитель управления подачей насоса, вспомогательный насос.

ГР и ГЦ предсталяют собой следящую систему с обратной связью по положению. В общем случае полости вспомогательного насоса связаны с баком.
Примерно такую же конструкцию представляет собой гидромотор. Если гидромотор нерегулируемый, то в нем нет механизма изменения рабочего объема гидромотора. В насосе изменение подачи означает изменение рабочего объем насоса. В регулируемом моторе механизм изменения рабочего объема мотора аналогичен рассмотренному насосному механизму, т.е. есть гидроцилиндр и какой-то направляющий аппарат.
Обычно в гидромоторе устанавливаются предохранительные клапаны, которые предотвращают перегрузку гидромотора. Также в корпусе гидромотора (даже нерегулируемого) может быть установлен гидрораспределитель, через который часть рабочей жидкости сливается в бак для охлаждения.

Регулирование скорости изменения рабочего объема гидромотора в гидроцилиндре с замкнутой циркуляцией

Рис. Схема гидравлическая принципиальная с замкнутой циркуляций и регулированием с помощью регулируемого ГМ
Такая схема регулирования применяется сравниетльно редко.
Для увеличения скорости вращения гидромотора необходимо уменьшить рабочий объем гидромотора.
При малых объемах гидромотора, момент, развиваемый гидромотором, становится очень маленьким, так что он тратится на преодоление механических сопротивлений в самом моторе.
Зависимость между скоростью и моментом такая, что при увеличении скорости момент уменьшается и наоборот, т.е. мощность постоянна.

Такая характеристика учень удобна при работе от ДВС. Диапазон регулирования скорости (отношение максимальной к минимальной) равен 3.5 … 6.
Примечания:
1. Диапазон регулирования скоростей ограничен.
2. Гидромотор обычно располагается на некотором удалении от насосной установки и кабины оператора, поэтому управление гидромотором относительно сложное.
*Управление гидромотором может быть с использованием распределителя с ручным управлением или с дистанционным управлением.
3. Обычно управление гидромотором осуществляется вместе с регулированием насоса.
Регулирование скорости может быть паралельное а может быть последовательное.
1 зона - рабочая характеристика при регулировании и максимальном постоянно рабочем объеме мотора.
2 зона - регулирование рабочего объема мотора.

Рис. Рабочая характеристика гидропривода с замкнутой циркуляцией и с регулируемым насосом и гидромотором
Т.е. малые скорсоти движения реализуются при большом рабочем объеме ГМ, при малых частотах большой момент. Широкий диапазон регулирования (300 … 1000).
Большой крутящий момент при малой скорости актуален для трансмиссии СДМ.

 

Машинное управление в гидроприводах с разомкнутой циркуляцией рабочей жидкости.

Гидропривод с регулятором подачи с обратной связью по давлению

До Рсраб поршень регулятора остается неподвижным. Угол наклона шайбы максимальный и подача постоянна и максимальна.
Давление срабатывания соответствует началу сжатия пружины под действием давления. При повышении давления пружина сжимается (сжатие пропорционально усилию давления), а угол бетта уменьшается
Угол наклона отрезка АВ на рабочей характеристике зависит от геометрических параметром регулятора и от жесткости пружины.

Характеристики: 1-мягкая, 2-жесткая.
Энергия насоса не тратится на перекачивание через предохранительный клапан (можно вообще обойтись без него).
Давлению Р0 соответствует бета = 0, параметры регулирования насоса = 0.

Гидропривод с регулятором подачи с обратной связью по давления и работой в режиме постоянной мощности
Если приводным двигателем является ДВС, то желательно, чтобы он был нагружен постоянной мощностью. При постоянной мощности обеспечивается самый высокий КПД.
ДВС не может работать, если нагрузка превышает мощность самого ДВС.
Для того, чтобы обеспечить режим с постоянной мощностью в регуляторе насоса устанавливают 2 пружины:
- мягкая пружина (большего диаметра);
- жесткая пружина (меньшего диаметра).

Гидропривод с регулятором подачи с обратной связью по расходу (LS-управление)

Функции дросселя:
- элемент измерения расхода
- создание сопротивления
- обеспечение перепада давления
С помощью дросселя система настраивается на определенную подачу, соответствующую расходу и переду давления.
1) Если по какой-то причине расход через дроссель уменьшается (из-за возрастания нагрузки на двигатель), то перепад давления на дросселе уменьшается. Соответственно давление в правом цилиндре увеличивается по сравнению с давлением в левом цилиндре, увеличивается угол бета и увеличивается подача насоса.
2) Если расход через дроссель увеличивается (например уменьшилась нагрузка Fп) то увеличивается перепад давления на дросселе, соответственно угол бетта уменьшается, и объем, и подача насоса тоже уменьшаются.

Рис. Схема ступенчатого регулирования скорости с двумя насосами и направленным ГР
ГР - гидрораспределитель для слива рабочей жидкости из насоса, который в данный момент не используется.
Сопротивления в линии слива маленькие, поэтому потери незначительные.

Рис. Схема ступенчатого регулирования с двумя насосами и клапанами давления
Применяется для механизмов при малой нагрузке.
Н1 - насос малого давления, Н2 - насос большого давления. К1 - переливной клапан (срабатывает при высоком давлении), К2 - предохранительный клапан (октрывается при аварийной нагрузке).
Если нагрузка мала, суммируются подачи насосов Н1 и Н2 и обеспечивается высокая скорость движения. При большой нагрузке в гидродвигателе должно быть высокое давление (выше настройки клапана К1). Из насоса Н1 рабочая жидкость сливается через клапан К1 в бак.
В рассмотренной схеме, в отличие от предыдущей, подача насосной установки изменяется автоматически, в соответствии с нагрузкой. В предыдущей схеме подача менялась по команде (оператора или датчика), подаваемой на гидрораспределитель.

 

Остановка и позиционирование рабочего органа (выходного звена гидродвигателя, связанного с рабочим органом).

Как правило, используются гидрораспределители. Устройство для позиционирования рабочего органа в значительной мере определяется типом гидродвигателя и требованиями к позиционированию. 2 типа гидродвигателей: с уплотнениями в виде колец и уплотнениями в виде малого зазора. Принципиальное отличие с точки зрения функциональности состоит в том, что при уплотнении с зазором могут возникать утечки, а уплотнение специальными кольцами герметично и утечек почти нет. В гидромоторах уплотнение как правило с помощью зазоров, в гидроцилиндрах как правило с помощью специальных уплотнений (полимерных колец и манжет).
Удержание в неподвижном состоянии под нагрузкой рабочих органов, приводимых в действие гидроцилиндрами, осуществляется с помощью гидрозамков. Рабочие органы, приводимые в действие с помощью гидромоторов, как правило удерживаются в неподвижном состоянии с помощью механического тормоза (обычно фрикционного).

 

Позиционирование рабочего органа с помощью гидрозамков.

Гидрозамок - это управляемый обратный клапан. С помощью гидрозамков позиционируются рабочие органы, приводимые в движение ГЦ (потому что в ГЦ используются уплотнения, практически исключающие внутренние утечки). Гидромоторы не позиционируются гидрозамками (из-за внутренних утечек).

Рис. Конструктивная схема (а), условное графическое обозначение - детальное (б) и упрощенное (в) одностороннего гидрозамка
1 и 7 - пробки с уплотнениями
2 - поршень
3 - толкатель, жестко соединен с поршнем
4 - корпус
5 - конический клапан
6 - пружина, поджимающая конический клапан

Рис. Схемы установки гидрозамков
Конструктивно гидрозамок можно представить, как управляемый обратный клапан. В одном направлении рабочая жидкость проходит через гидрозамок свободно от Р-Т к А, как через обычный обратный клапан. В обратном направлении от А к Р-Т гидрозамок пропускает рабочую жидкость только при наличии управляющего давления (вход У). При подаче управляющего давления поршень управления принудительно (с помощью штока) открывает обратный клапан, и рабочая жидкость через открытый обратный клапан сливается в бак.
Гидрозамки бывают разгруженные и неразгруженные. В разгруженном гидрозамке на поршень управления с одной стороны действует управляющее давление, с другой - полость поршня через дренаж связана с баком. Между полостью, связанной с дренажом и полостью, связывающей входы Р-Т и А гидрозамка, есть уплотнение. В разгруженном гидрозамке положение поршня определяется только давлением в управляющей полости (У). На схематическом изображении в разгруженном гидрозамке есть дренажная линия в бак.
В неразгруженном гидрозамке на поршень управления с одной стороны действует управляющее давление У, а с другой - давление в линии слива, т.к. шток не уплотнен.
При увеличении расхода через дроссель давление на поршень управления со стороны пружины может увеличиться, прекратится слив, давление полностью со стороны пружины упадет, поршень сместится вправо и снова откроет обратный клапан. Таким образом, провоцируется неустойчивый слив рабочей жидкости, и, соответственно неустойчивое движение поршня рабочего гидроцилиндра. Поэтому неразгруженный гидрозамок рекомендуется устанавливать в направлении слива только после дросселя. Следствие: если реверсирование движения штока гидроцилиндра и регулирование скорости его движения осуществляется дросселирующим гидрораспределителем, то устанавливать замок между ГЦ и ГР не рекомендуется.
Разгруженный гидрозамок можно устанавливать в любом месте на линии слива как до дросселя, так и после дросселя. Это означает, что:
1) Разгруженный гидрозамок можно использовать в системе управления с дросселирующим ГР. 
2) Разгруженный гидрозамок можно устанавливать непосредственно на ГЦ (без промежуточных трубопроводов).

 

Позиционирование (удержание в неподвижном состоянии) рабочих органов с гидромотором.

В гидромоторах вращательного движения уплотняются плунжеры за счет малых зазоров (между плунжером и цилиндром).
Это значит, что при перепаде давления в гидромоторе при наличии постоянной нагрузки в ГМ есть утечки. Поэтому запиранием рабочей жидкости в полостях гидромотора нельзя предотвратить медленное, но постоянное и не управляемое движение рабочего органа под нагрузкой. Для удержания рабочего органа под нагрузкой в неподвижном состоянии в этом случае используют механические тормоза. Эти тормоза подключаются таким образом, чтобы при движении гидродвигателя тормоз был разомкнутый, а при отключении - замыкался. В частности, в приводах механизма подъема обязательно применение тормозов, которые должны накладываться и предотвращать движение груза при выключении ГД механизма подъема.

 

Позиционирование гидродвигателя механическим тормозом управляемым.

Рис. Схемы управления гидромотором и тормозом механизма поворота с использованием обратных клапанов и клапана "или"

 

Тормозные клапаны в механизмах подъема.

Предотвратить просадку груза при размыкании тормоза, особенно актуально при начале опускания груза, потому что в сливной магистрали отсутсвует сопротивление течения жидкости, а груз создает нагрузку на гидромотор, действующую в сторону опускания. Тормозной клапан создает сопротивление на сливе при размыкании механического тормоза. Тормозной клапан открывается давлением рабочей жидкости, подаваемой в магистраль В. Для вращения двигателя в сторону опускания. Если управление тормозным клапаном выполнить от магистрали В непосредственно, то получается система, склонная к автоколебаниям. Дроссели 1 и 2 предотвращают автоколебания. Для того, чтобы не возникло авторезонансных колебаний, устанавливается не один дроссель, а два с различными сопротивлениями. Для подъема груза добавляется либо обратный клапан ОКЗ, либо переливной клапан К2 с относительно невысоким давлением. Тормозной клапан предотвращает опускание груза и, соответственно, вращение гидромотора со скоростью большей, чем та, которая определяется подачей насоса (под действием веса груза).

Рис. Схема установки тормозного клапана в механизме подъема груза

Рис. Схема установки тормозного клапана в механизме подъема стрелы

 

Координация работы приводов.

Делитель потока представляет собой гидромашину. Делители бывают дроссельные и объемные. Если нагрузки на исполнительные гидродвигатели одинаковы, оба гидродвигателя - делители потока, работают в режиме гидромоторов и синхронизируют движения ГЦ. Если нагрузки на основные гидродвигатели различаются то один из них работает как насос.

Часть рисунков взята из учебника "Никитин, О. Ф. Гидравлика и гидропневмопривод: учебное пособие / О. Ф. Никитин. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: МГТУ им. Баумана, 2012. — 430 с."

Также отличные лекции по гидроприводу смотрите здесь.