Гідравлічний підсилювач

Гідропідсилювач

Гідравлічний підсилювач - це пристрій, який дозволяє при невеликій потужності на вході, керувати розподілом потужного потоку робочої рідини на виході, що надходить від зовнішнього джерела енергії. Це гідравлічний пристрій, у якому рух керуючого елемента перетворюється у рух керованого елемента великої потужності, узгоджений з рухом керуючого елемента за швидкістю, напрямом і переміщенням.

Гідропідсилювач стежачого типу являє собою силовий гідропривід, в якому виконавчий механізм (вихід) відтворює закон руху керуючого органу (входу), для чого в системі передбачений безперервний зв'язок між вихідним і вхідним елементами, який називається зворотним зв'язком. Вихід такого гідропідсилювача автоматично усуває через зворотній зв'язок неузгодженості між керуючим впливом (вхідним сигналом) і відповідною дією (вихідним сигналом). Гідравлічні приводи стежачого типу знайшли широке застосування в різних галузях техніки і особливо в системах управління сучасними транспортними машинами, включаючи автомашини, морські судна, літаки та інші літальні апарати.

Загальні відомості

У сучасному машинобудуванні найбільшого поширення набули електричні, пневматичні та гідравлічні системи автоматичного керування (САК). Вони застосовуються у різних галузях техніки і особливо у системах керування сучасними транспортними машинами, включаючи автомашини, морські судна, літальні апарати, у верстатобудуванні, робототехніці, гнучких виробничих системах. Особливо широко автоматичні гідравлічні системи застосовуються у машинобудуванні для копіювання переміщень (копіювальні слідкуючі системи).

Рис. 1. Одна із конструктивних схем гідропісилювача

Усі системи автоматичного регулювання і керування для автоматизації виробничих процесів можна розділити на системи прямої (без підсилення потужності) і непрямої (з підсиленням потужності) дії. Гідравлічна система автоматичного керування, як правило, складається з трьох основних вузлів: вводу інформації, гідропідсилювача та виконавчого механізму. Одним із основних вузлів САК є гідропідсилювач.

Гідравлічні підсилювачі призначені для підсилення сигналів, які надходять на їхній вхід від чутливих елементів або датчиків, а також для керування гідравлічними виконавчими механізмами. У загальному випадку вони є підсилювачами потужності, тобто потужність потоку робочої рідини, що існує на виході підсилювача, у багато разів більша потужності, яка витрачається на керування підсилювачем. Підсилення потужності досягається шляхом відбору потужності від зовнішнього джерела енергії, що живить підсилювач. Однак у деяких випадках, якщо розглядати гідравлічний підсилювач разом із виконавчим механізмом, мова може йти не про підсилення потужності, а про підсилення сили або швидкості, оскільки потужність становить добуток цих величин. Залежно від того, що є домінуючим на виході гідравлічного виконавчого механізму, можна розглядати підсилення за силою або швидкістю.

Класифікація гідропідсилювачів

Застосовувані в автоматизованих гідроприводах гідропідсилювачі класифікують за такими ознаками.

За методом управління розрізняють гідропідсилювачі без зворотного зв'язку та із зворотним зв'язком між керуючим елементом і веденою ланкою виконавчого механізму.

По конструкції керуючого елемента гідропідсилювачі розділяють на підсилювачі з дроселюючими гідророзподільниками золотникового типу, з соплом і заслінкою, зі струминного трубкою, кранові, з голчастим дроселем.

За кількістю каскадів підсилення гідропідсилювачі поділяють на одно-, двох- і багатокаскадні. Багатокаскадні застосовують у тих випадках, коли потрібно отримати на виході велику потужність і зберегти при цьому високу чутливість гідропідсилювача.

По виду сигналу керування гідропідсилювачі підрозділяють на підсилювачі з механічним і електричним сигналами управління.

Важливими характеристиками підсилювачів є коефіцієнти підсилення: за потужністю Kn, по витраті Kq, за швидкістю Kv і по тиску Kp:

де,

Nвих, Nвх - потужності на підпорядкованому ланці виконавчого елемента гідропідсилювача і потужність, що витрачається на його управління;

δQ, δυ, δP - зміна витрати, швидкості руху веденого ланки виконавчого елемента і тиску рідини на виході при зміні положення керуючого елемента гідропідсилювача на величину δx.

Золотникові гідропідсилювачі

Гідропідсилювачі золотникового типу одержали найбільше поширення. Вони прості по конструкції, розвантажені від аксіальних статичних сил тиску рідини, легко керовані, мають високий ККД і забезпечують досягнення значних коефіцієнтів підсилення по потужності. Робочим елементом гідропідсилювачів цього типу є циліндричний золотник з кільцевими проточками і поясками (золотниковий розподільник), який переміщується в осьовому напрямі у втулці, що має вікна для підводу і відводу рідини.

Регулюючим елементом золотникового розподільника є дроселююча щілина, створена кромками поясків золотника і виточок у корпусі. В машинобудуванні застосовуються розподільники з позитивним, нульовим та негативним перекриттям. При позитивному перекритті поясок золотника перекриває проточку з кожного боку на величину c=(a-b)/2, при негативному - на c=(b-a)/2. Варіант з нульовим (a=b) перекриттям є теоретичним, оскільки реальні розподільники через допуски мають або позитивне, або негативне перекриття.

Фіксовану зупинку робочого органу може забезпечити тільки розподільник з позитивним перекриттям, при негативному перекритті неможливо без додаткових пристроїв встановити золотник строго в нейтральне положення, при якому має місце рівність тисків у порожнинах гідродвигуна (p1=p2). Величина зони нечутливості, в межах якої зміна керуючого сигналу не викликає реакції (руху) навантаженого виконавчого гідродвигуна (виходу), є важливою характеристикою гідравлічного слідкуючого привода.

Рис.2. Схем гідропідсилювача золотникового типу зі зворотним зв'язком: 1 - шарнір; 2 - тяга; 3 - золотник розподільника; 4 - поршень; 5 - корпус силового циліндра; 6 - шарнір, 7 - диференціальний важіль

Схема стежачого гідропідсилювача золотникового типу з гідродвигуном прямолінійного руху представлена на рис.2. При переміщенні тяги 2, пов'язаної з ручкою управління, переміщається шарнір 1 диференціального важеля 7 зворотного зв'язку, з яким в'язані штоки силового циліндра 5 і золотника розподільника 3. Так як сили, що протидіють зсуву золотника розподільника, значно менше відповідних сил, що діють в системі силового поршня 4, то шарнір 6 може розглядатися на початку руху тяги 2 як нерухомий, через що рух його викличе через важіль 7 зсув плунжера золотника розподільника 3. У результаті при зміщенні золотника з нейтрального положення, рідина надійде у відповідну порожнину циліндра 5, що викличе переміщення поршня 4, а отже, і шарніра 6, пов'язаного з "виходом". При цьому вихідна ланка зміститься пропорційно переміщенню тяги 2.

Після того, як рух тяги 2 буде припинено, поршень 4 повідомить через важіль 7 зворотного зв'язку ,плунжеру золотника розподільника 3 переміщення, протилежне тому, яке він отримував до цього при зміщенні тяги 2 управління. Так як при цьому витратні вікна золотника будуть в результаті зворотного руху плунжера поступово прикриватися, кількість рідини, яка надходить в циліндр 5, зменшиться, внаслідок чого швидкість його поршня буде зменшуватися до тих пір, поки плунжер золотника не прийде в положення, в якому вікна повністю перекриються , при цьому швидкість стане рівною нулю.

При переміщенні плунжера золотника в протилежну сторону рух усіх елементів регулюючого пристрою буде відбуватися у зворотному напрямку.

В дійсності окремих етапів руху "входу" і "виходу" розглянутого слідкуючого приводу не існує, і обидва рухи протікають практично одночасно, тобто має місце не поетапне, а безперервне "стеження" виконавчим механізмом за переміщенням "входу".

Переваги:

- розвантажені від аксіальних статичних сил тиску рідини;

- при відповідному конструктивному виконанні мають відносно малі сили тертя;

- менш чутливі до забруднення рідини;

- прості по конструкції і відповідно легкі у виготовленні;

- легко керовані;

- мають високий ККД і забезпечують досягнення значних коефіцієнтів підсилення по потужності.

Недоліки:

- фіксовану зупинку робочого органу може забезпечити тільки розподільник з позитивним перекриттям;

- при негативному перекритті неможливо без додаткових пристроїв встановити золотник строго в нейтральне положення;

- у деяких видів золотникових підсилювачів присутня зона нечутливості.

Гідропідсилювачі типу сопло-заслінка

Рис. 3. Гідропідсилювач типу сопло заслінка: 1 - нерегулюючий дросель; 2 - міждросельна камера; 3 - сопло; 4 - заслінка; 5 - виконавчий елемент; 6 - задаючий пристрій

У гідравлічних слідкуючих схемах широко застосовується гідропідсилювачі типу сопло заслінка який зображено на рис.3. Робоча рідина подається на гідропідсилювач із сторони нерегулюючого дроселя. Із міждросельної камери одна частина робочої рідини Q2 витікає через щілину, утворену торцем сопла та заслінкою, а друга Q1 поступає до використовуваного елементу. При зміні положення заслінки, змінюється тиск в міждросельній камері і розхід через сопло. Одночасно змінюється зусилля на використовуваний елемент, разхід Q1 та швидкість υ руху вихідного звена. Нерегулючий дросель може бути виконаний в виді пакета тонких шайб з круглими отворами.

Сопло гідропідсилювача виконується в виді циліндричної насадки чи в виді капілярного каналу. Збільшення діаметра сопла приводить до збільшення розходу та швидкодії системи. Заслінка має плоску форму і переміщується від впливу на неї сигналу управління.

Гідропідсилювач типу сопло-заслінка відрізняється простотою конструкції, надійністю в роботі та швидкодією. До нього можна підводити рідину з великим тиском. В пристрої сопло-заслінка відсутнє сухе тертя, що забезпечує його високу чутливість.

У гідропідсилювачах типу сопло-заслінка застосовують схему з двома соплами. Навантаження підсилювача являє собою перепад тиску в робочих порожнинах гідродвигуна p=p1-p2, тобто перепад тиску у міждросельних камерах 2 і 3, який використовується для приводу золотника 1 другого каскаду підсилення або будь якого іншого гідродвигуна. Зміна тисків р1 і р2 досягається за рахунок переміщення заслінки між соплами. При переміщенні заслінки, наприклад праворуч, тиск р2 збільшується, а р1 - зменшується. Утворений перепад тиску р=р2-р1 перемістить золотник 1 ліворуч, долаючи навантаження (зусилля пружин золотника). Отже, кожному положенню заслінки відповідає певне положення золотника, тобто перепад тиску пропорційний одночасно і переміщенню заслінки і переміщенню золотника. Це дозволяє переміщувати золотник на величину, пропорційну сигналові упраіління, що поступає на заслінку.

Простота конструкції і відсутність поверхонь тертя у гідропідсилювачах типу сопло-заслінка обумовили їхнє широке використання у системах автоматичного керування. При застосуванні цих гідропідсилювачів усувається сухе тертя і небезпека защемлення керуючих елементів. Вони відрізняються малими габаритами і вагою, для них характерна простота виготовлення і довговічність, що досягається завдяки безконтактній взаємодії.

Недоліком даного типу гідропідсилювачів є те, що у ньому присутній непродуктивний розхід рідини через сопло, низький ККД та невисокий коефіцієнт підсилення по потужності, саме тому цей гідропідсилювач застосовується для гідроприводів незначної потужності.

Переваги:

- простота конструкції;

- відсутність поверхонь тертя;

- відсутня небезпека защемлення керуючих органів;

- мають малі габарити та вагу;

- висока чутливість, точність та швидкодія;

- довговічність, завдяки безконтактній взаємодії.

Недоліки:

- присутні значні витрати рідини через сопла;

- порівняно низький ККД (n < 12.5%);

Гідропідсилювачі з клапанними розподілювачами

Рис. 4. Одна із конструктивних схем гідропідсилювача з клапанним розподілювачем

Крім золотникових розподілювачів в конструкціях гідропідсилювачів інколи застосовують клапанні розподілювачі. Схема такого гідропідсилювача показана на рис.4. В такому гідропідсилювачі при переміщенні ручки управління вліво відкривається верхній клапан, і рідина від насоса по каналам всередині гідропідсилювача подаєтся у ліву порожнину циліндра. При цьому в цій порожнині створюється надлишковий тиск, під дією якого поршень починає переміщуватися вліво, тобто в ту ж сторону, в яку була переміщена ручка управління. Оскільки поршень жорстко зв'язаний із корпусом розподілювача, то переміщеня поршня викликає таке ж по величині і направленню переміщення корпусу розподілювача. В свою чергу зміщення корпусу закриває верхній клапан, і подача рідини в ліву порожнину циліндра зупиняється, і відповідно зупиняється рух поршня. Таким чином, вихідна ланка (шток поршня) рухається синхронно з вхідною ланкою (ручкою управління).

При русі поршня вліво рідина із лівої порожнини циліндра витісняється в гідроакумулятор.

Коли ручка управління переміщується вправо, верхній клапан закритий, але відкривається нижній клапан, і рідина з правої порожнини циліндра рухається до зливу у бак. Рух поршня при цьому відбувається вправо під дією тиску, створюваного гідроакумулятором.

Гідропідсилювачі з клапанними розподілювачами мають високу точність відтворення в порівнянні з гідропідсилювачами з золотниковими розподілювачами, оскільки в золотникових розподілювачах є мертва зона, обумовлена тим, що ширина поясків золотника зазвчай робиться дещо більшою ніж діаметр перекриваючих каналів (позитивне перекриття; абсолютно точного співпадання ширини поясків та діаметрів каналів не вдається досягнути по технологічних причинах виготовлення деталей). В клапанних розподілювачах мертва зона може бути легко усунена.

Переваги:

- Висока чутливість;

- Відносно висока потужність вихідного сигналу;

- можливість усунення мертвої зони, на відмінно від гідропідсилювачів золотникового типу

- можуть безперебійно працювати при великих тисках;

Недоліки:

- мають великі габарити та вагу;

- можливість виникнення гідроударів;

Гідропідсилювачі із струминною трубкою

Рис.5. Гідропідсилювач із струминною трубкою: 1 - соплова головка; 2 - зливний трубопровід, 3 - обмежувач ходу; 4 - задає пристрій; 5 - струменевий трубка; 6 - штовхач; 7 - внутрішня порожнина; 8 - виконавчий елемент

Гідропідсилювач з струменевого трубкою (рис.5.) складається з трубки 5 з конічною насадкою на кінці, соплової головки 1 з двома похилими конічними розбіжними каналами і пристроєм керування. Пристрій управління струменевої трубки складається з пристрою, що задається у вигляді регульованої пружини, штовхача 6 і обмежувача 3 ходу струминної трубки. Канали сопловой головки сполучені з виконавчим елементом 8 гідропідсилювача. Рідина з параметрами P0 і Q0 подається до трубки від джерела живлення. Після труби 2 рідина відводиться від гідропідсилювача на злив.

Принцип роботи гідропідсилювача зі струминного трубкою заснований на перетворенні питомої потенційної енергії тиску в питому кінетичну енергію струменя, що випливає з конічної насадки, та подальшому перетворенні цієї енергії в питому потенційну енергію тиску в каналах сопловой головки.

Гідропідсилювач працює наступним чином. При відсутності сигналу керування струменева трубка займає нейтральне положення по відношенню до отворів в сопловій головці. Струмінь з насадки випливає та перериває обидва отвори, внаслідок чого тиски в каналах сопловой головки однакові, а вихідна ланка виконавчого елемента нерухома. При подачі сигналу керування на штовхач струменева трубка зміщується з нейтрального положення, рівність площ отворів, перекритих струменем, і рівність тисків в каналах сопловой головки порушується. У результаті вихідна ланка виконавчого елемента починає переміщуватися. При зміні знаку сигналу керування вихідна ланка буде рухатися в інший бік. Витискувана рідина з виконавчого елемента потрапляє через канал у сопловой головці, у порожнину 7 підсилювача і далі на злив. Для того, щоб в канали соплової головки разом з рідиною не потрапило повітря, насадку струминної трубки роблять зануреною у рідину.

Переваги:

- висока швидкодія;

- можуть працювати на широкому діапазоні температур (від −196 С до 980 С);

- можуть працювати з агресивними рідинами;

Недоліки:

- виникнення вібрації струминної трубки при деяких комбінаціях конструктивних параметрів.

Література

Гiдроприводи та гiдропневмоавтоматика: Пiдручник /В.О.Федорець, М.Н.Педченко, В.Б.Струтинський та iн. За ред. В.О.Федорця. -К:Вища школа, 1995.-463 с.

Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидропривод: Учебник.-М.:Машиностроение, 1982.- 424с.

Курс лекцій з предмету "Елементи і системи гідропневмоавтоматики".

Посилання

http://ru.wikipedia.org/wiki/Следящий_гидропривод

http://ru.wikipedia.org/wiki/Гидравлический_привод

http://gidravl.narod.ru/gidrosled.html

http://elib.lutsk-ntu.com.ua/book/knit/auvp/2011/11-85/2lec8.html

http://findpatent.com.ua/patent/251/2517001.html

http://studopedia.ru/16_114277_gidravlichni-pidsilyuvachi.html