Гідравлічні приводи на базі гдропідсилювачів

Принцип дії і області застосування

Гідропідсилювач- сукупність гідроапаратів і об'ємних гідродвигунів, в якій рух керуючого елемента перетворюється в рух керованого елемента більшої потужності, узгоджене з рухом керуючого елемента за швидкістю, напрямком та переміщення. Слідкуючим називається регульований гідропривід, у якому швидкість руху вихідної ланки змінюється за певним законом в залежності від задаючого впливу на ланку управління. Вихідна ланка - це зазвичай шток гідроциліндра або вал гідромотора, а ланка управління - пристрій, на яке подається керуючий сигнал. Назва такого приводу - "слідкуючий гідропідсилювач" або "слідкуючий гідропривід" - обґрунтовані тим, що вихід такого гідропідсилювача автоматично усуває через зворотний зв'язок неузгодженість між керуючим впливом (вхідного сигналу) і відповідною дією (вихідним сигналом). У більшості випадків використання слідкуючого гідроприводу до функцій стеження додаються також функції посилення сигналу по потужності, тому що слідкуючий гідропривід часто називають гідропідсилювачем. Гідравлічні приводи, що стежать знайшли широке застосування в різних галузях техніки і особливо в системах управління сучасними транспортними машинами, включаючи автомашини, морські судна, літаки та інші літальні апарати. Слідкуючий гідропривід застосовують в тих випадках, коли безпосереднє ручне управління тієї чи іншою машиною є для людини непосильним (на літаках кораблях важких автомобілях і тракторах, і т .д) Принцип роботи слідкуючого приводу полягає в наступному. Зміна умов роботи машини або параметрів технологічного процесу викликає переміщення задаючого пристрою, яке створює неузгодженість в системі. Сигнал неузгодженості впливає на підсилювач, а через нього і на виконавчий механізм. Викликане цим сигналом переміщення виконавчого механізму через зворотний зв'язок усуває неузгодженість і призводить всю систему в початкове положення. Блок-схема слідкуючого приводу (рис.1) складається з наступних основних елементів: задаючого пристрою ЗУ, яким формується сигнал управління, пропорційний необхідному переміщенню виконавчого механізму (датчики, що реагують на зміну умов роботи або параметрів технологічного процесу); порівнюючого пристрою СУ, або датчика неузгодженості, який встановлює відповідність сигналу відтворення, що надходить від виконавчого механізму, сигналом управління; підсилювача У, яким проводиться посилення потужності сигналу управління за рахунок зовнішнього джерела енергії ВДЕ; виконавчого механізму ІМ, яким переміщається об'єкт управління і відтворюється програма, яка визначається задає пристроєм; зворотний зв'язок ОС, якій виконавчих механізм з'єднаний зі порівнює пристроєм або з підсилювачем. Зворотній зв'язок є характерним елементом слідкуючого приводу.

Рисунок 1. Блок-схема слідкуючого приводу

,

Величина x = f (t) (переміщення або швидкість), повідомляється задає пристроєм порівнювати пристрою, називається "входом", а y = φ (t) (переміщення або швидкість), відтворена виконавчим механізмом, - "виходом". Різниця (x - y) = ε називається помилкою спостереження або неузгодженості системи. Розглянемо роботу слідкуючого приводу на прикладі принципової схеми рульового управління автомобіля (рис.2).

Рисунок.2. Принципова схема слідкуючого рульового приводу автомобіля: 1 - насос (зовнішнє джерело енергії); 2 - втулка підсилювача; 3 - зворотний зв'язок; 4 - виконавчий механізм; 5 - золотник підсилювача; 6 - гвинт; 7 - рульове колесо (задає пристрій)

При прямолінійному русі автомашини все елементи системи рульового управління знаходяться в початковому положенні. Рідина з насоса 1 надходить до гідропідсилювачу золотникового типу. Золотник 5 підсилювача займає нейтральне положення, а в обох порожнинах виконавчого механізму 4 встановилося однаковий тиск. При необхідності змінити напрямок руху автомобіля водій повертає кермове колесо 7. Пов'язаний з рульовим колесом гвинт 6 переміщує золотник підсилювача на величину x, викликаючи неузгодженість в системі. При цьому прохідні перетини одних робочих вікон підсилювача зменшуються, а інших збільшуються. Це створює перепад тиску у виконавчого механізму, а його поршень починає рухатися, переміщаючись на величину y і повертаючи колеса автомобіля. Одночасно через зворотний зв'язок 3 рух поршня передається на втулку 2 підсилювача. Сукупність 2 і 3 є порівнює пристроєм. Втулка переміщається в тому ж напрямку, що і золотник 5 до тих пір, поки неузгодженість в гідросистемі, викликане поворотом рульового колеса, що не буде усунуто. При безперервному обертанні водієм рульового колеса поршень зі штоком буде також безперервно переміщатися, викликаючи відповідний поворот коліс. При цьому невеликі зусилля водія, прикладаються до керма, гідроприводом перетворюються в значних зусиль на штоку поршня, необхідні для керування автомобілем.

Рисунок 3. Схема слідкуючого гідроприводу копіювального верстата,

Схема найпростішого слідкуючого гідроприводу поперечної подачі супорта копіювального токарного верстата показана на рис. 3. Суппорт 5 об'єднаний з вихідним ланкою гідроприводу - рухомим корпусом 4 гідроциліндра, в якому розміщено також ланка управління - золотниковий гідророзподільник 9. Поршень 7 гідроциліндра закріплений на корпусі 6 супорта. При поздовжньої подачі супорта щуп 2 ковзає по копіру 3 і зміщує гідророзподільник, який відкриває доступ рідини з підвідної гидролінії 1 в більшу порожнину 8 гідроциліндра. Це викликає зсув корпусу 4 із закріпленим на ньому різцем, що повторює зміщення гидрораспределителя. При цьому щілину, яка з'єднувала порожнину 8 з підведенням 1 перекривається, чим здійснюється пряма зворотний зв'язок вихідного і задає ланок. Вона відновлює рівновагу в системі після виконання керуючого сигналу. Безперервне протікання процесів неузгодженості і відновлення являє стеження вихідної ланки за командою задає.

Схема широко поширеного гідропідсилювача з важеля зв'язком між ланками показана на рис. 3.1. У ньому вихідного ланці, штоку 6, повідомляються руху, погоджені з певною точністю з переміщенням ланки управління, Тяги 2, при необхідній посилення вхідної потужності. Для забезпечення складання вихідної ланки 6 за переміщених ланки управління 2 зазвичай застосовують негативний зворотний зв'язок, передає руху вихідної ланки на ланка управління для зменшення, керуючого сигналу. Дія цієї зв'язку зводиться до того, що рух ланки управління в бік відкриття витратних вікон розподільника - 5 викликає рух вихідної ланки, спрямоване на їх закриття. Зворотній зв'язок у схемі, представленої на рис. 3.1, здійснюється за допомогою диференціального важеля 7, що охоплює розподільник (ланка управління) 5 і поршень гідродвигуна 3 зі штоком 6 (вихідна ланка). При переміщенні тяги 2, пов'язаної з ручкою управління, переміщається точка 1 диференціального важеля 7, про яких пов'язані штоки силового циліндра 4 і розподільника 5. Так як сили, які протидіють зміщенню золотника розподільника, незрівнянно менше відповідних сил, що діють в системі силового поршня 3, точку 6 штока можна розглядати на початку руху тяги 2 як нерухому, через що переміщення тяги викличе через важіль 7 зміщення золотника розподільника 5. в результаті при зміщенні його з центрального положення на величину перевищує перекриття (m -t) / 2 (рис. 3.66, а ), рідина надійде в відповідну порожнину циліндра 4, що викличе переміщення поршня 3 (а, отже, і рух точки 8 вихідної ланки б) на деяку відстань, пропорційне переміщенню тяги 2.

Рисунок 3.1. Схема гідропідсилювача з механічним зворотним зв'язком

Якщо рух тяги 2 припиниться, продовжує переміщатися поршень 3 повідомить через важіль 7 золотника розподільника 5 переміщення, протилежне тому, яке він отримував до цього при зміщенні тяги 2. При атом витратні вікна розподільника будуть в результаті зворотного руху його плунжера поступово прикриватися, швидкість поршня 3 буде зменшуватися до тих пір, поки золотник не прийде в стан, при якому вікна розподільника повністю перекриються і рух поршня припинитися. При зміщенні золотника розподільника в протилежну сторону рух усіх елементів регулюючого пристрою відбувається в зворотному напрямку. Насправді окремих (східчастих) етапів руху керуючого і вихідного ланок розглянутого слідкуючого приводу не існує, а обидва рухи протікають майже одночасно, т. Е. Є трохи ступеневу, а безперервне спостереження виконавчим механізмом за переміщенням ланки управління. Після того як вихідний сигнал, переданий через зворотний зв'язок, стає рівним керуючому сигналу, харчування гидродвигуном припиняється.

Рисунок 3.2 Гідропідсилювач механізму керування торце-поршневим насосом

Прикладом використання такого гідропідсилювача може служити показаний на рис. 3.2., А механізм управління для відхилення люльки у великих регульованих роторно-поршневих насосах. Гідропідсилювач харчується по лінії 4 від допоміжного насоса, вбудованого в корпус основного насоса. Відхилення і утримування люльки 1 в відхиленому положенні виробляється поршнями гідроциліндрів і. При відхиленні зовнішнього важеля 8 управління золотник 7 зміщується з середнього положення на хід Х і відкриває доступ рідини з лінії 4 в один з гідроциліндрів, а інший в той же час з'єднує з областю зливу 5. Так як люлька 1 пов'язана з золотником 7 і важелем 8 управління двуплечим важелем 9 зворотного зв'язку, наповнення циліндра буде відбуватися тільки за умови, що швидкість зсуву золотника, що викликається поворотом важеля 8, більше швидкості переміщення, що викликається відхиленням люльки 1. Якщо важіль зупинений при відхиленні, то люлька продовжує рухатися, поки не поверне золотник в середнє положення і зупиниться при куті відхилення, пропорційно. При зупинці насоса і припинення подачі живлення з лінії 4 центруюча пружина 6 призводить золотник в середнє положення (рис. 3. 2, б). При цьому золотник з'єднує порожнини обох циліндрів з областю зливу 5 через щілини і пружини 3 нульустановітеля встановлюють люльку також в положення, готуючи насос до наступного пуску. Управління зміщенням золотника і його зворотний зв'язок з люлькою можуть бути електричними. У цьому випадку робота насоса може регулюватися дистанційно і автоматично, наприклад, по командам ЕОМ. Гідроприводи, в яких вхідним впливом є електричний сигнал, що перетворюється в переміщення гидрораспределителя називають електрогідравлічними. У них вихідна ланка відстежує зміну електричного сигналу, що надходить на ланка управління. Розглянемо найпростіші системи для перетворення електричного сигналу в гідравлічний.

Класифікація гідропідсилювачів

Застосовувані в автоматизованих гідроприводах гідропідсилювачі класифікують за такими ознаками. За методом управління розрізняють гідропідсилювачі без зворотного зв'язку і зі зворотним зв'язком між керуючим елементом і веденим ланкою виконавчого механізму. По конструкції керуючого елементагідропідсилювачі підрозділяють на підсилювачі з дросселирующимГідророзподільники типу, з соплом і заслінкою, з струменевим трубкою, кранові, з голчастим дроселем. За кількістю каскадів посилення гідропідсилювачі підрозділяють на одно-, дво- та стенди. Багатокаскадні застосовують в тих випадках, коли потрібно отримати на виході велику потужність і зберегти при цьому високу чутливість гідропідсилювача. По виду сигналу управління гідропідсилювачі підрозділяють на підсилювачі з механічним і електричним сигналами управління. Важливими характеристиками підсилювачів є коефіцієнти підсилення: по потужності kN,, по витраті kQ,, по швидкості kυ і по тискуkP

де Nвих, Nвх - потужності на відомому 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.

Типи гідропідсилювачів

Гідропідсилювач золотникового типу

Гідропідсилювачі золотникового типу набули найбільшого поширення. Вони прості за конструкцією, розвантажені від аксіальних статичних сил тиску рідини, легко керовані, мають високий ККД і забезпечують досягнення значних коефіцієнтів посилення по потужності. Схема стежить гідропідсилювача золотникового типу з гідродвигуном прямолінійного руху і жорсткої системи важеля зворотним зв'язком представлена на рис.4.

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

Цей гідропідсилювач складається в основному з тих же елементів що і розглянутий вище підсилювач рульового приводу автомобіля. 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, які протидіють зміщенню 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 зміщення плунжера золотника розподільника 3. в результаті при зміщенні золотника з нейтрального положення, рідина надійде в 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, триває висуватися 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, що надходить в циліндр 5, зменшиться, внаслідок чого швидкість його поршня буде зменшуватися до тих пір, поки плунжер золотника не прийде в стан, 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 в зворотному напрямку. Насправді окремих етапів руху "входу" і "виходу" розглянутого слідкуючого приводу з жорсткою зворотним зв'язком не існує, і обидва рухи протікають практично одночасно, тобто має місце не ступеневу, а безперервне "стеження" виконавчим механізмом за переміщенням "входу".

Гідропідсилювач з соплом і заслінкою

Рис.5. Схема гідропідсилювача типу сопло-заслінка

Гідропідсилювач типу сопло-заслінка показаний схематично на рис. 5. складається з сопел 1 і 4, які разом з рухомою заслінкою 2 утворюють два регульованих щілинних дроселя, і нерегульованих дроселів 5 і 12, встановлених на шляху підведення рідини з точки 6, куди вона подається від насоса. Робота такої дросельної системи, яка є першим каскадом гідропідсилювача. Виконавчим механізмом гідропідсилювача слугує гидроцилиндр 9. Перший каскад управляє зміщенням золотника 8, який є другим каскадом гідропідсилювача і безпосередньо керує гідроциліндром. Вся система потрібна для того, щоб на вході міг бути використаний малопотужний електричний командний сигнал від задає електронної апаратури. Цей сигнал подається на подається обмотки мініатюрного електромеханічного перетворювача 3 (поворотного електродвигуна) у вигляді різниці напруг і в результаті чого відбувається відхилення заслінки 2, до її відхилення обидві дросселирующие гілки А і Б мали однакові опору і пропускали однакові витрати і. Після відхилення опір сопла, до якого наблизилася заслінка, збільшується і витрата через нього зменшується. Витрата в іншій гілці зростає. При цьому виникає нерівність тисків і в вузлових точках гілок. Ця різниця тисків викликає зсув золотника 8 центрована пружинами 7 в 11, що в кінцевому підсумку приводить в дію гідроциліндр. Якщо в такій системі па виході виконавчого механізму, передбачений датчик зворотного зв'язку 10, який сигналізує про виконання поготів команди напругою, який послаблює сигнал на вході, то вона буде представляти електрогідравлічну стежить систему. Головною перевагою такого гідропідсилювача є застосування найпростіших квадратичних дроселів, але чутливих до засмічення і до зміни в'язкості рідини. Такі дроселі, маючи нелінійні характеристики, дозволяють при взаємодії отримати характеристики зі взаємозв'язком вхідних і вихідних параметрів близькою до лінійної. У даній системі, вхідний параметр - відхилення заслінки 3, а вихідний - відмінність тисків і , що зміщує золотник 8. Лінійність таких взаємозв'язків завжди бажана, так як спрощує застосування гідропідсилювача в якості складової частини складних автоматичних систем.