Механика гидро - и пневмоприводов

Аппараты управления

Аппараты управления могут быть непрерывного и дис­кретного действия, иметь электромагниты или механизмы, ко­торые либо непосредственно, либо через вспомогательные уси­лители связаны с распределителями, регулирующими в приво­дах расходы и направления течения рабочей среды.

К аппаратам управления непрерывного действия относят­ся электрогидравлические и электропневматические усилите­ли, а также распределители с пропорциональными электромаг­нитами. Наиболее распространенные электрогидравлические усилители (ЭГУ) состоят из электромеханического преобразо­вателя (ЭМП) сигналов управления, одной или двух ступеней предварительного усиления сигналов и распределителя.

Схема ЭГУ с ЭМП ], устройством сопло-заслонка 2 ги­дравлической ступени предварительного усиления сигналов и распределителем, которым служит золотник 3, нагруженный двумя пружинами 4, показана на рис. 1.13. ЭМП защищен от попадания в него жидкости при помощи упругой трубки, в которой закреплена заслонка 5, жестко соединенная с якорем

ЭМП. Сопла установлены в корпусе на резьбе и фиксируют­ся гайками 6, что необходимо для настройки нуля усилителя. Золотник размещен в гильзе 7, запрессованной в корпус или вставленной в него с малыми зазорами на перемычках, име­ющих уплотнения в виде резиновых колец. Среднее положе­ние золотника при нулевом сигнале на входе в ЭГУ достигает­ся предварительной регулировкой пружин путем перемещения одной или двух крышек 8 по резьбе. Чтобы исключить утечки жидкости из полостей 9 и 10, крышки снабжают уплотнени­ями. Жидкость из напорной магистрали привода под давле­нием рп поступает в канал, который сообщается с окнами в

Гильзе, перекрытыми при среднем положении золотника его центральным буртом. Через фильтр 11 жидкость подводит­ся также в каналы гидравлической ступени предварительного усиления сигналов. В этих каналах расположены дроссели 12.

Все элементы ЭГУ на схеме занимают положения, соот­ветствующие нулевому входному сигналу, при котором зазоры между заслонкой и соплами одинаковые. Расходы жидкости, вытекающей через сопла на слив, равны, поэтому равны пе­репады давлений на каждом из дросселей 12, давления в по­лостях 9 и 10 также имеют равные значения и, следовательно, действующие на золотник в осевом направлении силы взаимно уравновешиваются. Золотник находится в среднем положении, перекрывая своими буртами окна в гильзе, которые сообщают­ся с напорной и сливной магистралями привода.

При подаче напряжения на обмотки управления ЭМП в них возникает электрический ток и образуется электромаг­нитное поле, в результате взаимодействия которого с полем постоянных магнитов ЭМП появляются силы, поворачиваю­щие якорь ЭМП. Вместе с якорем поворачивается заслонка, прикрывая одно сопло и увеличивая открытие другого сопла, что сопровождается уменьшением расхода через один дроссель и увеличением расхода через другой дроссель соответственно. При этом после первого дросселя давление возрастает, а после второго — падает. Под действием силы, создаваемой разно­стью давлений в полостях 9 и 10, золотник перемещается до тех пор, пока эта сила не будет уравновешена силами от дей­ствия пружин. Смещенный от среднего положения золотник пропускает жидкость, расход которой может быть значитель­но больше расхода жидкости через сопла предварительной сту­пени гидравлического усиления сигналов. В современных ЭГУ значения расхода жидкости через сопла не превышают 3 ... 5 % от расхода, пропускаемого золотником при его максимальном перемещении. Для такого перемещения золотника достаточно подать слабый по мощности электрический сигнал на вход в ЭМП.

Отношение мощности потока жидкости, протекающей че­рез открытые золотником окна, к мощности электрического сигнала определяет коэффициент усиления ЭГУ по мощности.

Мощность ЛГВЫХ потока жидкости в выходных каналах ЭГУ найдем при разности давлений, соответствующей наибольше­му значению КПД гидропривода с дроссельным регулировани­ем (см. далее гл. 3):

^вых = (Р ~ Р2)Яъч (1*13)

Где (^3 — расход жидкости, пропускаемой золотником при

Максимальном смещении от среднего положения; р - Р2 = = 2 (Рп ~~ Рсл)/3.

Мощность входного электрического сигнала равна произведению напряжения IIу и тока /у управления, при кото­рых золотник имеет максимальное смещение от среднего по­ложения:

^ВХ — иу1у. (1.14)

Коэффициент усиления по мощности

*» = тР (1.15)

Для ЭГУ рассмотренного выше типа может достигать 105 В конструкции ЭГУ с золотником, нагруженным пру­жинами, отсутствует обратная связь, контролирующая соот­ветствие перемещения золотника управляющему сигналу, что снижает точность работы данного аппарата.

ЭГУ, схема которого показана на рис. 1.14, конструкция ЭГУ фирмы МОСЮ — на рис. 1.15 с частичным вырезом в корпусе, имеет механическую обратную связь от золотника к заслонке. Эта связь выполнена посредством тонкого упругого стержня 1, один конец которого закреплен на заслонке, а другой

— соприкасается с золотником. При перемещении золотника упругий стержень изгибается и на заслонку действует сила, которая создает момент, противоположный по знаку моменту электромагнитных сил, приложенных к якорю ЭМП. Благода­ря этому осуществляется силовая обратная связь, обеспечива­ющая высокую точность управления положением золотника.

Сопла некоторых ЭГУ установлены в золотнике и между ними размещена заслонка, соединенная с якорем ЭМП. При от­клонении заслонки вслед за ней под действием силы давления

▲

Рп

Рис. 1.15. Конструкция электрогидравлического усилителя с механической обратной связью

Смещается золотник и поэтому восстанавливается необходи­мый для равновесия золотника зазор между соплами и заслон­кой. Максимальное перемещение золотника такого ЭГУ будет равно максимальному ходу заслонки, что по сравнению с двумя предыдущими схемами несколько ограничивает возможности получения больших коэффициентов усиления сигналов.

Современные конструкции ЭГУ часто для обеспечения обратной связи снабжают индуктивными датчиками переме­щения золотника. Электрический сигнал от этого датчика по­ступает в электронный усилитель, где сравнивается с сигна­лом управления. Использование электрической обратной связи позволяет собирать из отдельных модулей многоступенчатые ЭГУ Схема двухступенчатого ЭГУ с электрической обратной связью от золотника второй ступени приведена на рис. 1.16.

Управляющим устройством ЭГУ, схемы которых приве­дены выше, служит сопло-заслонка. С той же целью при­меняют еще подвижные сопла и струйные трубки. ЭГУ с предварительной ступенью усиления имеет струйную трубку 1 (рис. 1.17). (Инженерные исследования гидроприводов лета­тельных аппаратов / Под ред. Д. Н. Попова. М.: Машино­строение, 1978.) При отклонении струйной трубки от средне­го положения подведенная к ней жидкость под давлением на­правляется в канал, сообщающийся с одной из двух торцовых камер золотникового распределителя, а из противоположной камеры жидкость отводится на слив. Вследствие этого воз­никает разность давлений, действующих на торцы золотника и вызывающих его смещение в осевом направлении. Обрат­ная связь от золотника выполнена с помощью упругого стерж­ня 2. Гидравлические характеристики предварительной сту­
пени усиления с соплом или струйной трубкой менее чувстви­тельны к увеличению вязкости жидкости при низких темпе­ратурах окружающей среды, чем ступени с соплом-заслонкой, что является одним из преимуществ ЭГУ с такими управля­ющими устройствами. Однако они могут уступать ЭГУ с соплами-заслонками по динамическим характеристикам. Не­которые фирмы (МООв и др.) публикуют критерии для вы­бора выпускаемых ими ЭГУ примерно в таком виде, как на рис. 1.18, точки на котором соответствуют определенному ти­пу ЭГУ

Для управления малыми расходами жидкости (менее Юл/мин) применяют аппараты без предварительной ступе­ни усиления. В подобного типа аппаратах якорь ЭМП непо­средственно перемещает золотник распределителя. Одним из примеров может служить изображенный на рис. 1.19 плоский золотник 1, закрепленный на двух упругих опорах 2. Опо­ры удерживают золотник от отжима его вверх силами давле­ния, но позволяют ему перемещаться практически параллель­но плоской неподвижной части корпуса, которая имеет кана­лы, сообщающиеся с магистралью высокого давления и рабо­чими камерами исполнительного гидродвигателя. В сливную магистраль жидкость отводится из полости, в которой разме­щен распределитель. Золотник соединяется с якорем ЭМП по­средством шарнира 3. Мощность ЭМП для непосредственного управления золотником обычно значительно превышает мощ­ность, необходимую для перемещения управляющих элементов предварительных ступеней усиления.

Принцип действия ЭГУ, основанный на преобразовании электрического сигнала малой мощности в перемещение рас­пределителя, управляющего потоком среды большей мощно­сти, используют также в электропневматических усилителях (ЭПУ). Пример схемы двухступенчатого пневматического усилителя показан на рис. 1.20. Поршенек 1, заслонки 2 и 5, втулка 3 и палец 4 являются элементами, образующими вто­рую ступень усиления. Первая ступень имеет струйную труб­ку, которую на угол а поворачивает якорь ЭМП.

Частота (Гц) колебаний тока управления, при которой расходы смещены по (разе на -30°

ПТ

Рі рп рг

Рис. 1.20. Схема пневматического усилителя

При малой мощности электрических входных сигналов ЭГУ и ЭПУ обеспечиваются необходимые для управления бы­стродействующими приводами точность и динамические ха­рактеристики. Однако такие аппараты достаточно сложны в изготовлении и, соответственно, их стоимость обычно высокая. К более дешевым относятся аппараты с пропорциональными электромагнитами, которые развивают силы, пропорциональ­ные току управления и не зависящие от хода якоря.

Пропорциональный распределитель прямого действия (рис. 1.21) состоит из корпуса 1 с размещенным в нем золот-

Ником 2, двух управляющих электромагнитов 3 и б, датчика 5 положения золотника. Управляющий электромагнит б переме­щает золотник вправо, при этом канал, в который из напорной магистрали подводится жидкость под давлением рп> сообщает­ся с каналом В, а из канала А жидкость поступает на слив. Управляющий электромагнит 3 предназначен для перемеще­ния золотника в противоположное от среднего положение, при котором канал А будет соединен с напорной магистралью, а канал В — со сливом. Пропорциональность хода золотника току управления в обмотках электромагнитов достигается в результате действия силы той пружины, которую сжимает зо­лотник при своем перемещении. Обе пружины устанавливают золотник в среднее положение при отсутствии токов управле­ния в обмотках электромагнитов. Датчик положения золотни­ка обеспечивает обратную связь от золотника к электронному усилителю 4, в котором выявляется ошибка в положении зо­лотника. На выходе усилителя формируется корректирующий сигнал, поступающий в обмотки соответствующего электро­магнита. Обратная связь исключает влияние гидродинамиче­ской силы и силы трения, действующих на золотник, на точ­ность его перемещения.

Для уменьшения мощности электромагнитов в ряде про­порциональных аппаратов применяют гидравлические ступе­ни предварительного усиления сигналов. По сложности кон­струкции такие аппараты непрямого действия приближаются к электрогидравлическим усилителям, которые в отличие от пропорциональных аппаратов с дополнительными ступенями усиления в зарубежной литературе называют сервозолотни­ками или сервоклапанами.

Г д» 1 | рГЛ

/^>< )(г6

При дискретном управлении приводом может возникнуть необходимость автоматической стабилизации скорости выход­ного звена для того, чтобы значение этой скорости не зави­село от преодолеваемых исполнительным двигателем сил со­противления. В гидроприводах используют различные по кон­струкции регуляторы скорости выходных звеньев. В качестве примера одного из таких регуляторов на рис. 1.22 дана схе­ма аппарата, поддерживающего близким к постоянному расход жидкости на выходе из полости гидроцилиндра. Жидкость из полости гидроцилиндра поступает на слив через дроссельную шайбу 1 и окна в корпусе 3. Каналы до и после дроссельной шайбы соединены с полостями, в которых находится вспомо­гательный поршень 5. На поршень действует сила, пропорци­ональная разности ра — рь давлений. Кроме того, на поршень
действует сила пружины 2. При изменении скорости поршня регулируемого гидроцилиндра увеличивается или уменьшает­ся расход жидкости через дроссельную шайбу, что сопрово­ждается изменением ра — Рь - Вследствие изменения силы от действия разности давлений поршень 5 перемещается вместе с золотником 4, который уменьшает или увеличивает площадь открываемых золотником окон в корпусе 3. Если расход жид­кости, вытесняемой из полости гидроцилиндра при давлении Р1, увеличивается, то вследствие увеличения перепада давле­ний на шайбе поршень 5 смещается влево и открываемая пло­щадь окон уменьшается. В результате создается дополнитель­ное гидравлическое сопротивление, необходимое для восстано­вления первоначального расхода жидкости и соответствующей ему скорости поршня регулируемого гидроцилиндра. Чтобы демпфировать колебания поршня 5, в канале одной из полостей аппарата устанавливают дроссель 6.

Используют также аппараты, в которых управление рабо­чей средой осуществляется с помощью элементов струйной тех­ники (элементов пневмоники) без применения подвижных ме­ханических деталей. Элементы струйной техники могут быть непрерывного и дискретного действия. Первого типа элемен­ты называют аналоговыми. Расположение каналов в аналого­вом струйном усилителе показано на рис. 1.23. В централь­ный канал под давлением рп питания поступает рабочая среда (жидкость или газ), для управления потоком которой в два бо­ковых канала под давлениями ру и ру2 подводится та же среда.

Рис. 1.23. Аналоговый струйный элемент

Вблизи этих управляющих каналов расположены вентилируе­мые полости с давлением рь, равным атмосферному давлению или давлению в сливной магистрали. После вентилируемых каналов по направлению течения среды находятся два выход­ных канала, давления рабочей среды в которых равны р и Р2- При ру = ру2 поток среды из центрального канала, не отклоняясь от его оси, разделяется на два потока, поступаю­щих в выходные каналы. Если ру > ру2, то поток среды на выходе из центрального канала отклоняется в сторону упра­вляющего канала с меньшим давлением. В этом случае боль­шая часть потока среды направляется в правый выходной ка­нал, что приводит к увеличению давления Р2. При ру < ру2 струя, вытекающая из центрального канала, отклоняется вле­во и соответственно увеличивается давление р, а давление р2 уменьшается. Мощность потоков среды в выходных каналах усилителя может приблизительно в 10 раз превышать мощ­ность управляющих потоков среды, причем при перекрытых выходных каналах рабочая среда, вытекающая из центрально­го и управляющих каналов через вентилируемые полости ухо­дит на слив, что вызывает повышенный расход рабочей среды. Этот недостаток в меньшей степени проявляется у вихревого элемента.

В вихревом элементе (рис. 1.24) управляющий поток сре­ды поступает в канал I, вытекая из которого, создает в ци­линдрической камере 2 вихрь, препятствующий протеканию рабочей среды из канала 4 питания в выходной канал 3. При полном запирании канала питания в выходной канал проходит только управляющий поток. Для получения такого режима давление ру должно быть в несколько раз больше давления рл, что необходимо учитывать при использовании вихревых эле­ментов в аппаратах управления приводами.

Действие дискретных струйных элементов обычно основа­но на эффекте Коанда, который заключается в том, что поток жидкости или газа может “прилипать” к обтекаемой им твер­дой стенке. Для отрыва потока от стенки требуется, чтобы по­перек течения перепад давлений превышал определенное зна­чение. В дискретном элементе (рис. 1.25) ПОТОК при ру1 = ру2 направлен в правый выходной канал и создает давление р2-

Рис. 1.25. Дискретный струйный элемент

Чтобы переключить поток в левый канал для получения да­вления р1, необходимо изменить давления в управляющих ка­налах так, что ру2 стало больше ру.

Кроме аппаратов управления, рабочей средой для кото­рых служит либо жидкость, либо газ, применяют также пнев­могидр ав л ические аппараты, состоящие из пневматических и гидравлических устройств. В этих аппаратах можно регули­руемые в объекте газодинамические величины (давление, ско­рость, температуру) непосредственно использовать в качестве входных сигналов для первой пневматической ступени усиле­ния аппарата управления. Последующие ступени усиления мо­гут быть гидравлическими, если управление объектом осуще­ствляется посредством гидропривода.