1.1. Drosele

1.1.1. Consideraţii teoreticeÎn funcţie de modul prin care se poate regla debitul de ulei care ajunge la hidromotor, se disting

două metode de bază pentru reglarea vitezei: metoda volumică şi metoda rezistivă (prin drosel).La metoda de reglare volumică debitul de ulei ce intră în motor se reglează prin modificarea

cilindreei pompei sau turaţiei de antrenare a pompei având în vedere relaţia Q=V/n. Această metodă este foarte economică, dar prezintă o serie de dezavantaje: se folosesc pompe respectiv motoare cu debit reglabil de construcţie complexă. Rapiditatea acţionărilor hidraulice cu reglare volumică este limitată, timpul de reglare fiind destul de mare.

La reglarea rezistivă (prin drosel), reglarea debitului ce intră în motor se obţine modificându-se rezistenţa hidraulică de trecere a fluidului. Astfel numai o parte din debitul pompei Qp ajunge în motor, diferenţa fiind trimisă prin supapa de deversare în rezervor. Elementul cu care se realizează reglarea debitului către motor este o rezistenţă hidraulică reglabilă (drosel). Reglarea se obţine prin modificarea secţiunii de trecere, respectiv a rezistenţei hidraulice a droselului la trecerea fluidului. Pentru ca droselul să fie eficient trebuie ca rezistenţa să fie mai mare decât rezistenţa generală a conductei şi pentru aceasta viteza lichidului prin drosel trebuie să fie de 9-10 ori mai mare decât viteza în conductă.

Droselele se pot împărţi în două grupe după forma orificiului:a. drosele cu Re mic în care curgerea este laminară (capilarele), iar căderea de presiune este

proporţională liniar cu debitul ce trece prin el ;b. drosele de tip diafragmă, cel mai des utilizate, în care curgerea este în general

turbulentă, iar pierderea de presiune este proporţională cu pătratul debitului .

Droselele uzuale folosite pentru reglarea rezistivă a vitezei motoarelor hidraulice sunt în general de tip diafragmă. Formele lor sunt diferite fiind realizate în funcţie de debitul ce trece prin ele, de obţinerea unei valori reduse a numărului Reynolds, de asigurarea unei insensibilităţi a debitului reglat faţă de vâscozitatea lichidului, respectiv faţă de temperatură. Relaţia de calcul a debitului prin drosel obţinută din ecuaţia energetică a lui Bernoulli este:

(1)

în care:Q [l/min]- debitul ce trece prin drosel;

- coeficient de debit;S [mm2]- secţiunea de trecere a fluidului prin drosel;900 [Kg/m3]- densitatea uleiului;

- căderea de presiune pe drosel (p2÷2,5 [daN/cm2]);

p1 [MPa]- presiunea înainte de drosel;p2 [MPa]- presiunea după drosel.La proiectarea sau alegerea droselului, se impune o viteză maximă vmax şi o viteză minimă vmin a

motorului hidraulic care determină debitul maxim Qmax şi minim Qmin care trece prin drosel. Se determină apoi secţiunile maxime şi minime de trecere a fluidului cu ajutorul relaţiilor:

; (2)

Probleme dificile apar la reglarea prin drosel în domeniul debitelor mici (sub 100 [cm3/min]). Apare fenomenul de înecare a droselului datorită următorilor factori:

a. impurităţi în ulei;b. funcţionarea droselului în regim alternativ laminar-turbulent;

1

c. absorţia moleculară pe pereţii droselului datorită faptului că moleculele, având polaritate, aderă pe pereţii droselului reducând secţiunea de trecere a lichidului (obliteraţie hidraulică).

Construcţia unui drosel de fabricaţie românească (ROMSEH Focşani) este prezentată în figura 1.Elementele principale sunt: droselul 1 şi bucşa de droselizare 2. Uleiul intră prin orificiul I, ajunge în corpul supapei de sens 3 (care este menţinută inchisă de către arcul 4) şi ajunge prin orificiile laterale în secţiunea de droselizare a-b şi iese prin orificiul E. În sens invers, EI, uleiul nu mai este droselizat, el trece direct deschizând supapa de sens din interiorul droselului. Etanşarea este realizată cu ajutorul garniturilor 5.

Fig. 1 Elementele constructive ale unui droselCaracteristicile statice ale droselelor (rezistenţelor reglabile) sunt date de relaţia (1) de calcul a

debitului prin drosel şi sunt prezentate în figura 2.

a bFig. 2 Caracteristicile statice ale droselelor

2

Caracteristica de droselizare este prezentată în figura 2a la diverse secţiuni funcţie de

deschiderea droselului Sdr;

Caracteristica de reglaj (Sdr = f(h)) este prezentată în figura 2b la diverse presiuni de

lucru a droselului. Pentru realizarea reglării prin drosel sunt posibile două metode principial diferite de montare a

droselului în circuit: în serie şi în paralel cu motorul hidraulic.

1.1.2. Reglarea vitezei cu droselul montat în serie cu motorul hidraulicReglarea vitezei prin cuplarea droselului în serie cu motorul hidraulic se poate face în două

variante: cu drosel montat pe intrare în hidromotor (figura 3a); cu drosel montat pe ieşirea din hidromotor (figura 3b).

a b c

Fig. 3 Scheme de reglare a vitezei prin drosel în sistemele hidraulice cu pompă cu debit constant

În schema din figura 3a, circuitul este format din pompa cu debit constant P, supapa de descărcare Sd, droselul Dr şi motorul hidraulic cu tijă bilaterală M.

În momentul când secţiunea droselului este maximă, debitul pompei Qp trece prin drosel şi realizează viteza maximă de deplasare a pistonului. În momentul când se micşorează secţiunea de trecere a droselului, creşte presiunea înaintea droselului şi se deschide supapa de descărcare Sd. O parte din debitul pompei (Qs) trece prin supapă, iar prin motor trece numai debitul Qm corespunzător unei viteze a

cilindrului hidraulic. Aşadar . În momentul închiderii complete a droselului tot debitul

pompei va trece prin supapă în rezervor, iar viteza pistonului va fi nulă. La o deschidere constantă a droselului şi mărirea continuă a forţei F la tijă, presiunea pompei creşte, debitul prin supapă se măreşte, iar viteza pistonului se micşorează. Aceasta deoarece sistemul lucrează la presiune constantă reglată cu supapa de deversare Sd, iar forţa la tijă poate să depăşească forţa corespunzătoare presiunii reglate în sistem, pistonul oprindu-se şi tot debitul pompei trece prin supapă în rezervor. Astfel, în cazul reglării prin drosel, viteza are o variaţie dependentă de sarcina la tija pistonului. Acest lucru poate fi arătat analitic.

Din ecuaţia de echilibru a forţelor pe suprafeţele pistonului rezultă:

3

(3)

Ecuaţia debitului prin drosel:

(4)

în care:p1 – presiunea înainte de drosel;p2 – presiunea după drosel;p3 – contrapresiunea de retur;

SDr – secţiunea droselului.

Viteza corespunzătoare debitului prin drosel:

(5)

Din relaţia 4 se observă dependenţa vitezei pistonului de sarcina F la tijă. Aceeaşi dependenţă apare şi la montarea droselului pe retur, în figura 3b.

(6)

Dependenţa vf(F) reprezintă caracteristica de sarcină a acţionării hidraulice la montaj în serie a droselului. După cum se observă în relaţiile 5 şi 6 graficul vf(F) este o parabolă a cărei reprezentare este dată în figura 4. S-au trasat cinci parabole corespunzătoare unor valori ale deschiderii droselului

.

Fig. 4 Caracteristica de sarcină v=f(F)

4

Viteza maximă a reglajului prin drosel se obţine atunci când droselul este deschis complet,

respectiv pentru . Forţa maximă Fmax la care motorul hidraulic se opreşte (v0) nu depinde de

deschiderea droselului.Din cele două moduri de montaj a droselului pe admisie şi pe retur, cea de-a doua este mult mai des

utilizată având avantajele:1. hidromotorul lucrează mai stabil îndeosebi la sarcină variabilă;2. există posibilitatea ca sistemul să lucreze la sarcină negativă, atunci când forţa F îşi schimbă sensul;3. încălzirea uleiului droselizat nu afectează cilindrul hidraulic, el fiind trimis în rezervor. Reglarea vitezei în sistemele hidraulice cu droselul montat în serie se face cu un randament foarte scăzut, sub 38%, chiar atunci când droselul este deschis la maximum. Randamentul scăzut se explică prin faptul că numai 58% din debitul pompei trece prin drosel, restul prin supapa de descărcare în rezervor. Numai 2/3 din presiunea pompei se foloseşte în hidromotor, restul se pierde prin drosel (se transformă în căldură) deci pierderea de putere se produce simultan prin drosel şi supapă.

1.1.3. Reglarea vitezei cu drosel montat în paralel cu motorul hidraulicReglarea vitezei cu drosel montat în paralel cu motorul hidraulic se realizează după schema din

figura 3c. Debitul pompei P va fi împărţit în două: o parte Qm, către motorul hidraulic, iar cealaltă parte Qdr trece prin drosel ajungând în rezervor.

La închiderea completă a droselului, viteza v a pistonului este maximă. În acest caz supapa Sd are rol de supapă de siguranţă. Presiunea p1 în circuit este variabilă în funcţie de sarcina F la tija pistonului.

Din echilibrul forţelor pe pistonul motorului, , rezultă:

(7)

Debitul prin drosel va fi:

(8)

De obicei p20, p30, deci:

(9)

Debitul prin motor Qm este:(10)

Viteza pistonului este:

(11)

După relaţia (11) se poate trasa caracteristica de sarcină vf(F) a sistemului de reglare a vitezei

cu droselul montat în paralel pentru valori diferite ale lui . Aceste caracteristici sunt prezentate în figura

5.

5

Fig. 5 Caracteristica de sarcină v=f(F)

Se observă că toate punctele pleacă dintr-un punct corespunzător vitezei maxime vmax şi sarcinii nule F0. Sarcina maximă Fmax, care provoacă oprirea motorului hidraulic, scade cu creşterea secţiunii droselului, iar când S0, Fmax. Randamentul acţionării cu montare în paralel a droselului este mai ridicat decât la montarea în serie a droselului şi depinde de deschiderea droselului Sdr.

1.2. Regulatoare de debit

1.2.1. Consideraţii teoreticeÎn sistemele hidraulice ale maşinilor-unelte se utilizează în mod curent reglarea prin drosel

(reglarea rezistivă). Acest mod de reglare a debitului, cu toate că are un randament scăzut, datorită simplităţii reglajului şi folosirii de pompe cu debit constant, mai ieftine, a căpătat o largă răspîndire în toate sistemele hidraulice. O cerinţă importantă a funcţionării normale a sistemelor hidraulice cu reglare prin drosel este menţinerea constantă a vitezei de avans, indiferent de variaţia sarcinii (forţelor de aşchiere). După cum s-a văzut din lucrarea precedentă, indiferent de montarea droselului în circuit (pe admisie, pe retur, sau în paralel) căderea de presiune p pe drosel nu este constantă şi se modifică cu sarcina la tija pistonului. Are loc modificarea debitului ce trece prin drosel, respectiv a vitezei de avans a motorului hidraulic. Acest lucru este mai accentuat la debite mici de trecere prin drosel, respectiv la viteze mici de avans. În general, pentru o presiune maximă de lucru pn=100 bar debitul minim care trece prin drosel este de 0,6 l/min, iar la maşinile-unelte acest debit trebuie menţinut constant, indiferent de variaţia sarcinii. Pentru realizarea stabilităţii debitului ce trece prin drosel (respectiv a vitezei) căderea de presiune pe fanta de droselizare nu trebuie să fie mai mare de 2-2,5 bar.

Reducerea dependenţei debitului de temperatură se realizează prin forma ascuţită a fantei de droselizare. Stabilitatea vitezei mecanismelor, respectiv menţinerea constantă a debitului prin drosel, se realizează prin montarea în serie sau în paralel cu droselele respective a unei rezistenţe hidraulice reglabilă automat (drosel automat) în funcţie de presiunea din sistem. Acesta are rolul de a menţine căderea de presiune constantă pe droselul propriu-zis (debit constant).

1.2.2. Regulatorul de debit cu două căiRegulatorul de debit cu două căi este format din două drosele, droselul propriu-zis şi droselul

automat, legate în serie şi care reuşesc să menţină constantă viteza de avans a motorului hidraulic prin menţinerea constantă a debitului ce iese sau intră în motorul hidraulic, debit reglat prin droselul propriu-zis. Droselul automat este de fapt o supapă de reducţie care măreşte sau micşorează secţiunea de trecere a

6

fluidului (rezistenţă hidraulică) şi menţine constantă presiunea la ieşire, fiind comandată automat de căderea de presiune pe droselul propriu-zis.

Constructia regulatorului de debit cu două căi este data in figura 1. Elementele de bază ale regulatorului de debit sunt: supapa de reducţie 3 (droselul automat) şi droselul propriu-zis 5. Uleiul intră în regulator prin orificiul I (intrare) după care trece, prin bucşa 2 şi fanta supapei de reducţie 3, la intrarea în droselul propriu-zis. De asemenea, uleiul sub presiune pătrunde şi pe suprafaţa frontală a supapei de reducţie. După ce trece şi prin fanta droselului 5, care se poate regla din exterior cu butonul 6, uleiul ajunge la orificiul E (ieşire), respectiv în zona arcului droselului automat (supapa de reducţie). Cele două orificii I şi E sunt marcate pe corpul regulatorului.

Fig. 1 Construcţia regulatorului de debit cu două căi

Faptul că valoarea căderii de presiune este constantă indiferent de variaţia sarcinii poate fi observată scriind echilibrul forţelor ce acţionează asupra sertarului supapei de reducţie (droselului automat) fig. 1.

p2S=Sp3+Farc; p2-p3=Farc/S; p=Farc/S=const. (1)Căderea de presiune pe fanta de droselizare este egală cu raportul dintre forţa arcului supapei de

reducţie şi suprafaţa (S) de secţiune a presiunilor p2 şi p3, cu valori cuprinse între 2-3,5 bar. Menţinerea constantă a căderii de presiune asigură un debit constant pe fanta de droselizare, respectiv în motorul hidraulic. Montarea în circuit a regulatorului de debit cu două căi se face pe conducta de retur. Astfel stabilitatea acţionării creşte, iar parametrul controlat este contrapresiunea din camera cu tijă.

Simbolizarea regulatorului de debit cu două căi conform STAS 7145-86 este prezentată în fig. 2b. Simbolizarea pune în evidenţă existenţa unei supape normal deschise şi a unui drosel montate în serie.

Ansamblul format din rezistenţa reglabilă automat (droselul automat) şi droselul propriu-zis legate în serie, poartă denumirea de regulator de debit cu două căi sau stabilizator de viteză cu două căi (fig. 2a).

7

a) b)Fig. 1 Regulator de debit cu două căi (montat pe retur)

a) Schema funcţională; b) Schema simbolică

În acest caz rezistenţa hidraulică reglabilă automat este de fapt o supapă de reducţie, respectiv o supapă normal deschisă care menţine o presiune constantă după ea, indiferent de variaţia presiunii de intrare. Sistemul hidraulic în care este montat regulatorul de debit cu două căi lucrează la presiune constantă p=const.

1.2.3. Regulatorul de debit cu trei căiAnsamblul format dintr-o rezistenţă reglabilă automat (drosel automat) şi droselul propriu-zis,

montate în paralel, poartă denumirea de regulator de debit cu trei căi sau stabilizator de debit cu trei căi (fig. 3, fig. 4).

În acest caz rezistenţa hidraulică reglabilă (droselul automat) este o supapă normal închisă care realizează menţinerea căderii de presiune pe droselul propriu-zis prin deversarea surplusului de debit a pompei. Sistemul hidraulic în care este montat regulatorul de debit cu trei căi lucrează la presiune variabilă în funcţie de sarcina la tija pistonului. Acest montaj, cu regulator de debit cu trei căi în circuitul hidraulic, este mai avantajos din punct de vedere energetic.

Este format din două rezistenţe legate în paralel: o rezistenţă constantă reglată din exterior la debitul stabilit corespunzător vitezei alese şi droselul automat cu rol de a menţine căderea de presiune constantă, indiferent de variaţia sarcinii pe droselul propriu-zis. Droselul automat este o supapă normal închisă care realizează menţinerea constantă a căderii de presiune prin deversarea surplusului de debit în rezervor prin fanta de droselizare a lui (fig. 3 a). Astfel sistemul hidraulic în care se montează regulatorul de debit cu trei căi va lucra la presiune variabilă în funcţie de sarcina la tija motorului hidraulic. Amplasarea regulatorului de debit cu trei căi se face numai prin conducta de admisie în motor, iar supapa

de deversare nu mai trebuie montată în circuit. Eventual se va monta o supapă de presiune maximă

(supapă maximală) pentru protecţia circuitului.

8

a) b)Fig. 3 Regulator de debit cu trei căi (drosel montat pe admisie)a) Schema funcţională; b) Schema funcţională STAS 7145-76

Există două posibilităţi de realizare a unui regulator de debit cu trei căi: cu drosel pe conducta de admisie (fig. 3) şi cu drosel pe conducta de retur (fig. 4).

În fig. 3a, regulatorul de debit cu trei căi are droselul pe conducta de admisie, după stabilizator (droselul automat). În fig. 3b se prezintă simbolizarea regulatorului în această situaţie. Căderea de presiune p=p1- p2 este constanţă prin deversarea surplusului de debit.

a) b)Fig. 4 Regulator de debit cu trei căi (drosel montat pe retur)

a) Schema funcţională; b) Schema funcţională STAS 7145-76

Acest lucru se constată şi din echilibrul forţelor care acţionează asupra supapei.p1S=p2S+Farc p1- p2=Farc/S pdr=Farc/S=ct. (2)

9

În figura 4a, regulatorul de debit cu trei căi are droselul montat pe retur, stabilizatorul fiind montat pe conducta de admisie şi realizează menţinerea constantă a presiunii la intrarea în drosel prin deversarea (deschiderea fantei) surplusului de debit în rezervor, lucru observat şi din scrierea ecuaţie de echilibru a forţelor supapei:

p1S=Farc p1=Farc/S=ct. (3)

În fig. 4 se prezintă simbolizarea regulatorului de debit cu trei căi cu droselul montat pe retur conform STAS 7145-86. Codificarea regulatoarelor de debit fabricate în ţară la Întreprinderea “HIDROSIB” Sibiu este prezentată în fig. 5.

Fig. 5 Codificarea regulatoarelor de debit

10