ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F15B9/03 

Изобретение относится к элементам автоматики, входящим в состав электрогидравлических систем автоматического управления, а именно системам автоматического управления мобильных установок, где требуется развитие больших мощностей в единицу времени для достижения большего быстродействия и точности, например электрогидравлических следящих систем, которыми оборудуются динамические стенды полунатурного моделирования подвижных объектов.

Известен электрогидравлический сервомеханизм (электрогидравлические приводы) с широтно-импульсным управлением, включающий усилитель-модулятор, одновременно являющийся элементом сравнения сигналов, электромеханический преобразователь (ЭМП), астатический гидравлический усилитель типа сопло-заслонки, дроссельный исполнительный привод (золотник-гидроцилиндр), элемент обратной связи. При отсутствии сигнала управления усилитель-модулятор генерирует последовательность импульсов напряжения скважности γ - 0,5. Под действием импульсов тока заслонка перебрасывается от одного сопла к другому. При прохождении заслонкой нейтрали разгруженный золотник начинает перемещаться в каком-нибудь направлении до упора и остается на нем до тех пор, пока заслонка при своем обратном движении, вызванном переключением тока в обмотке ЭМП, снова не перейдет в нейтраль. При этом золотник перебрасывается к противоположному упору. Таким образом, в течение одного полупериода расход жидкости подается в одну полость гидроцилиндра, а в течение другого в другую. Среднее за период значение скорости штока равно нулю, поскольку равны полупериодные расходы жидкости.

С подачей сигнала управления изменяется скважность γ, т. е. в течение периода Т перераспределяется время нахождения заслонки на соплах и золотника на упорах, появляется среднее значение скорости штока. Привод, замкнутый жесткой отрицательной обратной связью, будет следящим по положению с астатизмом первого порядка. Управляющим элементом в импульсном приводе является широтно-импульсный модулятор.

Основными недостатками этого сервомеханизма являются вибрация штока силового цилиндра с несущей частотой и непроизводительный расход рабочей жидкости через золотник вследствие его вынужденных колебаний с большой амплитудой. Последнее сужает функциональные возможности сервомеханизма, так как не позволяет его использовать в прецизионных электрогидравлических следящих системах с большими инерционными массами нагрузок на валу их исполнительных механизмов и с широким регулированием их скоростей движения, особенно в диапазонах малых значений этих скоростей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей электрогидравлического устройства управления.

Цель достигается тем, что электрогидравлическое устройство управления, содержащее подключенный к входному каналу элемент сравнения, выход которого подключен к входу усилителя сигнала ошибки, а также последовательно соединенные гидроусилитель и исполнительный механизм в виде поворотного гидроцилиндра, к выходу которого подключен датчик обратной связи, выходом подключенный к второму входу элемента сравнения, снабжено подключенными к выходу усилителя сигнала ошибки последовательно включенными формирователем импульсов, одновибратором и двухпозиционным поляризованным реле, а также двумя элементами сопло-заслонка, заслонки которых кинематически соединены с выходами поляризованного реле, подключенным к выходу двухпозиционного реле, электрогидравлическим распределением со струйной трубкой, который соединен гидравлическими каналами с управляющими полостями золотника гидроусилителя, на средней части которого установлены втулки с входными отверстиями, образующими с заслонками соответствующих элементов сопло-заслонка клапаны, причем на сопряженных частях золотника гидроусилителя и втулок выполнены отверстия, сообщающиеся посредством кольцевого паза, выполненного в соответствующей части золотника гидроусилителя, причем радиусы отверстий связаны соотношением
r_в = 1/2 r_ш, где r_в - радиус отверстия во втулке;
r_ш - радиус отверстия в золотнике гидроусилителя, количество отверстий во втулке выполнено четным, в золотнике гидроусилителя выполнены два отверстия, через которые соответствующий кольцевой паз золотника сообщен с его соответствующей управляющей полостью, расстояние между отверстиями в каждой втулке равно диаметру отверстия во втулке, а каждое отверстие в золотнике расположено под первым, начиная с внешней стенки, отверстием и следующей за ним перемычкой между отверстиями в соответствующей втулке.

Введение в устройство электронного усилителя, импульсного формирователя и одновибратора, предназначенных для формирования управляющего импульс-сигнала заданной формы и продолжительности с амплитудой, пропорциональной каждому дискретному сигналу, позволяет исключить усилитель-модулятор (один из элементов прототипа), а вместе с ним и недостатки прототипа, обусловленные тем, что при больших глубинах модуляции (γ близка к нулю или единице) золотник не успевает дойти до противоположного упора к моменту прихода возвращающего сигнала, и при определенной скважности γ, при которой заслонка уже не переходит нейтраль, заслонка залипает, т. е. остается на упоре. При этом характеристика управления ( γ = f/t при данной несущей частоте) отличается от линейной, а это в свою очередь сказывается на статике и динамике всего замкнутого контура электрогидравлического преобразователя и, как следствие, на его функциональных возможностях.

На фиг. 1 изображена структурная схема электрогидравлического устройства управления; на фиг. 2 - принципиальная схема электрогидропривода устройства; на фиг. 3 показан качественный характер движения рабочего органа (лопасти) поворотного гидроцилиндра во времени и в зависимости от управляющих импульс-сигналов, подаваемых на клеммы электромагнитов сопл-заслонок и на клеммы электромагнита струйного гидрораспределителя; на фиг. 4 показаны перфорированные отверстия во втулке и штоке гидроусилителя.

Электрогидравлическое устройство управления (фиг. 1) содержит элемент 1 сравнения сигналов, усилитель 2 сигнала ошибки, импульсный формирователь 3, одновибратор 4, двухпозиционное поляризованное реле 5, сопло-заслонки 6,7, электрогидравлический распределитель 8 со струйной трубкой, гидроусилитель 9, поворотный гидроцилиндр 10, датчик 11 обратной связи.

Электрогидропривод устройства (фиг. 2) включает сопло-заслонки 6,7, электрогидравлический распределитель 8 со струйной трубкой, гидроусилитель 9, поворотный гидроцилиндр 10, шток 12 гидроусилителя 9. В штоке 12 выполнены каналы 13,14. На шток 12 насажены втулки 15,16. Он соединен с электрогидрораспределителем 8 со струйной трубкой гидравлическими каналами 17,18. Во втулках 15,16 и в штоке 12 выполнены отверстия 19,20,21,24, сообщающиеся посредством пазов 22,23 (фиг. 4). Радиусы отверстий связаны соотношением
r_в = 1/2 r_ш, где r_в - радиус перфорированных отверстий во втулке;
r_ш - радиус перфорированных отверстий в штоке.

При этом количество перфорированных отверстий во втулке 2n, в штоке имеются два перфорированных отверстия. Расстояние между перфорированными отверстиями во втулке равно диаметру перфорированных отверстий во втулке, а каждое перфорированное отверстие в штоке расположено под первым перфорированным отверстием и следующей за ней перемычкой между перфорированными отверстиями во втулке.

Радиус перфорированных отверстий во втулках 15,16 определяют как величину, равную максимальному ходу штока 12 гидроусилителя 9 (золотника), деленому на суммарное количество перфорированных отверстий во втулках 15,16, а радиус перфорированных отверстий в штоке определен соотношением
r_ш = 2r_в.

Назначение перфорированных отверстий заключается в дросселировании потока жидкости через гидроусилитель 9 во время действия управляющих импульс-сигналов U₇, U₈.

Кроме того, перфорированные отверстия обеспечивают дозированный расход рабочей жидкости на каждом шаге перемещения его штока в одну из сторон движения (влево или вправо, фиг. 2), обеспечивая тем самым квантованный характер движения штока 12 и выходного вала гидроцилиндра 10 с постоянной скоростью и вместе с тем расширяя возможности его применения, например, в цифровых автоматических системах. Последнее позволяет, например, расширить диапазон постоянных скоростей выходного вала гидроцилиндра 10, что непосредственно связано с расширением функциональных возможностей устройства.

На фиг. 2 Р_н - давление в линии нагнетания электрогидрораспределителя 8 со струйной трубкой; U₆ и U₇ - величины напряжений прямоугольных импульсов, которые подаются на электромагниты сопл-заслонок 6 и 7; U₈ - величина напряжения прямоугольных импульсов, которые подаются на электромагнит электрогидравлического струйного распределителя 8. При U₈ = 0 расход жидкости из струйной трубки подается сразу в обе полости гидроцилиндра 10 и его лопасть находится в среднем заторможенном положении.

Электрогидравлическое устройство управления работает следующим образом.

При отсутствии сигнала ошибки электрогидравлического устройства (фиг. 1) импульс-сигнал на входе одновибратора 4, на входе двухпозиционного поляризованного реле 5, на входе сопл-заслонок 6,7 и на входе электрогидравлического распределителя 8 со струйной трубкой равен нулю. Поэтому сопло-заслонки 6,7 закрыты, а следовательно, закрыт канал слива гидроусилителя 9. Струйная трубка гидрораспределителя 8 находится в среднем положении, создавая равные давления жидкости в каналах 13 и 14 штока 12 гидроусилителя 9 и равные давления жидкости в левой и правой полостях поворотного гидроцилиндра 10. Значит, шток 12 гидроусилителя 9 и лопасть поворотного гидроцилиндра 10 находятся в среднем заторможенном положении.

При появлении сигнала ошибки электрогидравлического устройства, усиленного усилителем 2, на выходе импульсного формирователя 3 появляется импульс-сигнал, который подается на вход одновибратора 4 (ждущего мультивибратора), с выхода которого прямоугольный управляющий импульс подается на вход двухпозиционного поляризованного реле 5, вследствие чего реле 5 соединяет выход одновибратора 4 с входом сопло-заслонки 7. Одновременно с этим прямоугольный управляющий импульс с выхода одновибратора 4 подается на вход гидрораспределителя 8, струйная трубка которого отклоняется и занимает одно из своих крайних положений, например крайнее левое положение, создавая давление питания в левом канале 13 (фиг. 2) канале гидроусилителя 9. Таким образом, при подаче электрического сигнала (например, положительной полярности в виде прямоугольных импульсов U₈, фиг. 3) на вход гидрораспределителя 8 со струйной трубкой, отклоняющего его струйную трубку в одно из крайних положений, например в левое положение, а также одновременно электрического импульса U7 на клеммы электромагнита одной из сопл-заслонок, например правой сопло-заслонки 7 правый канал 14 гидроусилителя 9 и правая полость поворотного гидроцилиндра 10 соединяются со сливом на время действия импульса. При этом шток 12 гидроусилителя 9 перемещается вправо на величину Х (фиг. 3), а лопасть гидроцилиндра 10 поворачивается по часовой стрелке на величину α, пропорциональную произведению скорости ее перемещения на время действия импульса, и шток гидроусилителя и лопасть гидроцилиндра находятся в ждущем режиме до прихода следующего импульса.

После прихода следующего импульса цикл его действия повторяется до смены полярности импульса. После смены полярности импульса двухпозиционное поляризованное реле 5 переключает свои контакты и соединяет выход одновибратора 4 с входом сопло-заслонки 6. Одновременно с этим прямоугольный управляющий импульс с выхода одновибратора 4 подан на вход гидрораспределителя 8 со струйной трубкой, струйная трубка которого отклоняется и занимает другое (правое) крайнее положение, создавая давление питания теперь уже в правый канал 14 гидроусилителя 9.

Итак, при подаче электрического импульс-сигнала U₈противоположной (отрицательной) полярности в виде прямоугольных импульсов на вход гидрораспределителя 8 со струйной трубкой, отклоняющего его струйную трубку в другое (правое) крайнее положение, а также одновременно электрического импульс-сигнал U₆ на клеммы электромагнита левой сопло-заслонки 6 левый канал 13 гидроусилителя 9 и левая полость поворотного гидроцилиндра 10 соединяются со сливом на время действия импульса. При этом шток 12 гидроусилителя 9 перемещается на величину Х, фиг. 3, а лопасть поворотного гидроцилиндра 10 поворачивается по часовой стрелке на величину α, пропорциональную произведению скорости ее перемещения на время действия импульса, и шток гидроусилителя и лопасть гидроцилиндра находятся в ждущем режиме до прихода следующего импульса.

После прихода следующего импульса цикл его действия повторяется до смены полярности импульса и вследствие этого происходят переключения контактов реле 5 с входа одной сопло-заслонки на вход другой.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано на стандартных элементах систем автоматического регулирования и управления. Так, в качестве усилителя 2 сигнала сравнения можно взять любой из усилителей постоянного тока, например УУ-2 или УУ-3, который одновременно совмещает функции усилителя и элемента 1 сравнения сигналов. В качестве ключа (элемент 3, на фиг. 1) можно взять любой электронный ключ (дискретный преобразователь). Одновибратор 4 может быть построен по типовой схеме ждущего мультивибратора или кипп-реле. Двухпозиционным поляризованным реле 5 может быть, например, реле типа РП-4 или любое другое, подобное ему. В качестве сопл-заслонок 6,7 могут быть выбраны стандартные сопло-заслонки, а в качестве струйного гидрораспределителя 3 например, электрогидравлический усилитель со струйной трубкой по авт. св. N 332254.

Благодаря такому построению и сочетанию входящих элементов появляется возможность получить дополнительный эффект, заключающийся в постоянстве скорости вращения вала гидродвигателя, высокой точности его вращения, так как ошибка не накапливается от шага к шагу, стабильности его характеристик, возможности управления им от цифровой вычислительной машины с широкими логическими возможностями, большие возможности по развиваемой мощности, так как она определяется в основном мощностью гидравлического источника питания, возможностью работы как в широтно-импульсном, так и в частотно-импульсном режимах. (56) Гидравлический следящий привод. / Под ред. В. А. Лещенко. М. : Машиностроение, 1968, с. 480-494.

Изобретение может быть применено для построения электрогидравлических систем управления. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства. Электрогидравлическое устройство управления содержит элемент сравнения, усилитель сигнала ошибки, гидроусилитель, гидравлический исполнительный механизм в виде поворотного гидроцилиндра, элемент обратной связи, а также импульсный формирователь, одновибратор, двухпозиционное реле, две сопло-заслонки, электрогидравлический распределитель со струйной трубкой, который соединен гидравлическими каналами с гидроусилителем, причем последний выполнен в виде сопряжения втулки и штока с перфорированными в них отверстиями с радиусами перфораций соответственно r_в и r_ш , начальным смещением штока относительно втулки δ=2(r_в-r_ш), при этом количество перфораций во втулке 2n, а в штоке 2m, они связаны соотношением n = m + 1. 4 ил.

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ , содеpжащее подключенный к входному каналу элемент сpавнения, выход котоpого подключен к входу усилителя сигнала ошибки, а также последовательно соединенные гидpоусилитель и исполнительный механизм в виде повоpотного гидpоцилиндpа, к выходу котоpого подключен датчик обpатной связи, выходом подключенный к втоpому входу элемента сpавнения, отличающееся тем, что оно снабжено подключенными к выходу усилителя сигнала ошибки последовательно включенными фоpмиpователями импульсов, одновибpатоpом и двухпозиционным поляpизованным pеле, а также двумя элементами сопло-заслонка, заслонки котоpых кинематически соединены с выходами поляpизованного pеле, подключенным к выходу двухпозиционного поляpизованного pеле, электpогидpавлическим pаспpеделителем со стpуйной тpубкой, котоpый соединен гидpавлическими каналами с упpавляющими полостями золотника гидpоусилителя, на сpедней части котоpого установлены втулки с входными отвеpстиями, обpазующими с заслонками соответствующих элементов сопло-заслонка клапаны, пpичем на сопpяженных частях золотника гидpоусилителя и втулок выполнены отвеpстия, сообщающиеся посpедством кольцевого паза, выполненного в соответствующей части золотника гидpоусилителя, пpичем pадиусы отвеpстий связаны соотношением
r_в = 1/2r_ш,
где r_в - радиус отверстия во втулке;
r_ш - радиус отверстия в золотнике гидроусилителя, количество отверстий во втулке выполнено четным, в золотнике гидроусилителя выполнено два отверстия, через которые соответствующий кольцевой паз золотника сообщен с его соответствующей управляющей полостью, расстояние между отверстиями в каждой втулке равно диаметру отверстия во втулке, а каждое отверстие в золотнике расположено под первым, начиная с внешней стенки, отверстием и следующей за ним перемычкой между отверстиями в соответствующей втулке.