Как один золотник направляет масло в цилиндр и решает, с какой скоростью тот поедет? Двигай ручку, меняй тип центра и смотри поток P→A, B→T.
Внутри корпуса с кольцевыми канавками ходит золотник, стальной стержень с поясками. Пояски перекрывают канавки. Сдвинешь золотник в одну сторону, и откроются окна P→A и B→T: шток поедет наружу. В другую сторону P→B и A→T: шток поедет обратно. Окно открывается не сразу целиком, а постепенно, поэтому распределитель управляет не только направлением, но и скоростью. Так оператор экскаватора плавно подводит ковш к кузову самосвала, а не бьет им.
Распределитель управляет скоростью, потому что меняет площадь щели. Через щель масло протискивается только при перепаде давления. Числа под формулами считаются по опыту.
Сколько масла пройдет через щель?
Перепад давления разгоняет масло в щели, скорость струи √(2Δp/ρ). Умножаем скорость на площадь щели и получаем расход. μ учитывает, что струя сжимается сразу за кромкой и не заполняет щель целиком.
С какой скоростью поедет шток?
Каждую секунду в полость входит объем Q, и поршень должен отойти так, чтобы освободить этот объем. Подробно в теме механики «Гидроцилиндр».
Какую мощность берет гидросистема?
Насос всегда отдает мощность p · Q. Полезна только та часть, которая двигает груз. Все остальное греет масло: на щели распределителя, в открытом центре и в предохранительном клапане.
До щели масло почти стоит под давлением p₁, после щели давление p₂. Разница давлений работает как горка: по уравнению Бернулли (механика, раздел «Механика жидкостей») она превращается в скорость струи: Δp = ρv²/2, отсюда v = √(2Δp/ρ).
Объем за секунду равен скорости, умноженной на площадь: Q = f · v. Струя после острой кромки сжимается, поэтому добавляют μ около 0,65. Получается Q = μ · f · √(2Δp/ρ).
Важно, что расход растет только как корень из перепада. Чтобы протолкнуть через щель вдвое больше масла, нужен вчетверо больший перепад. Поэтому при узкой щели давление насоса быстро упирается в настройку предохранительного клапана.
На большом карьерном экскаваторе стоит несколько распределителей, по одному золотнику на стрелу, рукоять, ковш, поворот и каждую гусеницу. Джойстик сдвигает золотник через пилотное давление.
Распределитель подъема имеет позиции «подъем», «удержание», «опускание» и «плавающее»: в нем кузов опускается под своим весом.
Плавающее положение позволяет отвалу идти по грунту, повторяя неровности, без давления сверху. Так зачищают площадку под буровой станок.
Зазор между золотником и корпусом всего 5–15 мкм. Когда он изнашивается, масло перетекает мимо пояска, и стрела медленно опускается сама даже при отпущенном джойстике.
Если машинист работает «на щелях», держит джойстик в полухода под нагрузкой, масло греется сильнее. Это видно по температуре в баке и по ресурсу уплотнений.
Рычаги навески трактора и фронтального погрузчика устроены так же. Многие из них с открытым центром: в нейтрали насос гонит масло в бак почти без давления.
Насос с постоянной подачей, предохранительный клапан открывается точно при 250 бар без наклона характеристики. Нагрузка всегда направлена против движения штока, трение и масса не учтены, поэтому шток разгоняется мгновенно. Площадь окна задана упрощенно: первые 2 мм узкие канавки, затем полный поясок. Утечки через зазор, сжимаемость масла и потери в шлангах не учтены. Ход штока 1 м, цилиндр 125/70 мм, такие стоят на средних бульдозерах и погрузчиках. На больших экскаваторах распределители управляются пилотным давлением, а не прямо ручкой, и часто имеют компенсаторы давления (LS, тема 5.4).