СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В РАЗВЕТВЛЕННЫХ СИСТЕМАХ Российский патент 1994 года по МПК F15B7/00 

Изобретение относится к движению текучей среды в разветвленных системах с нестационарными воздействиями и может быть использовано для повышения быстродействия автоматического управления и улучшения динамики движения этой среды. В частности, изобретение может быть использовано в гидропневмоприводах и в различных системах гидропневмоавтоматики, в устройствах ввода-вывода информации в ЭВМ, и в других информационных системах, в системах ирригационных и вентиляционных сооружений, в системах разветвленных каналов гидростанций для улучшения динамики переходных процессов и обеспечения постоянного расхода среды при воздействии на систему переменных факторов. Например, использование предлагаемого способа в системах управления гидроприводами металлообрабатывающих станков позволяет улучшить динамику и повысить быстродействие и равномерность движения инструмента при изменении нагрузки на него и таким образом уменьшить шероховатость, повысить точность обработки, увеличить производительность.

Известны способы регулирования и поддержания постоянного на заданном режиме расхода жидкости, а следовательно, и скорости движения рабочих органов гидропневмоприводов, согласно которым регулирование расхода жидкости осуществляется с помощью настроечного дросселя, а постоянство расхода достигается применением в системе редукционного клапана, обеспечивающего постоянный перепад давления на этом дросселе [1] .

Известны различные способы соединения клапана с дросселем. Однако все эти способы основаны на общей закономерности: если требуется сохранить скорость движения поршня постоянной, то перепад давления в одном из сопротивлений, через которое протекает все количество жидкости, нагнетаемой в цилиндр или вытекающей из него, должен оставаться неизменным независимо от величины нагрузки. Известные способы обеспечения постоянства расхода предлагают различную комбинацию соединения автоматического клапана, поддерживающего постоянным перепад давления на настроечном дросселе, и настроечного дросселя, но во всех случаях предполагают, что для обеспечения постоянства расхода перепад давления на дросселе должен сохраняться постоянным. На этом способе основано действие всех, применяемых в мировой практике автоматических регуляторов расхода.

Исследования показали, что известный способ регулирования допускает неравенство расхода через регулятор расходу через дроссель из-за дополнительного переменного объема в камерах клапана, поэтому стабилизация расхода через дроссель не обеспечивает стабилизацию расхода на входе в регулятор. Кроме того, стабилизация перепада давления на дросселе осуществляется известным способом с малым быстродействием и с большой погрешностью из-за малой величины этого перепада (0,2-0,25 МПа), особенно при малых расходах, и возможна только в узком диапазоне частот. Причем величина этого перепада равна перепаду давления от действия сил трения на автоматический клапан. В этом же случае существенное влияние на динамику процесса оказывают инерционности клапана и потока среды, взаимное влияние клапана и дросселя, сила трения между клапаном и корпусом, увеличивающие погрешность стабилизации. Таким образом, известный способ, предполагая постоянство перепада давления только на настроечном дросселе и использование этого перепада для управления редукционным клапаном учитывает изменения давлений, вызванные внешними воздействиями, не в целом по всей системе, а только в части ее, а именно на дросселе, поэтому изменения, вызванные теми же воздействиями на другой части системы (на редукционном клапане) в управляющем сигнале не учитываются, и такая система характеризуется малыми быстродействием и точностью. Известный способ предполагает также неравную стабилизацию, т. е. различный уровень ее при воздействии внешних возмущений как со стороны входа в систему, так и при воздействии со стороны выхода из нее. Так, например, в системе, выполненной по известному способу, в случае действия первичного сигнала, вызванного изменением нагрузки, в направлении со стороны входа на редукционный клапан будет действовать корректирующий сигнал одного уровня, в котором учитывается уменьшение первичного сигнала только в дросселирующей щели этого клапана. В случае действия этого же первичного сигнала со стороны выхода из системы на редукционный клапан будет действовать корректирующий сигнал другого уровня, в котором учитывается уменьшение первичного сигнала в дросселирующей щели дросселя, не связанной с щелью клапана, поэтому и точность стабилизации расхода будет также в этих случаях разной и отличной от максимально возможной.

Указанные недостатки известного способа в основном обусловлены тем, что неравномерным является сам принцип известного способа, связывающий перепад давления на настроечном дросселе с расходом через него без учета влияния расхода через клапан, входящий в общую систему и поэтому влияющий на ее параметры. Регулирование расхода через разомкнутую систему всего привода только по перепаду давления на одном дросселирующем элементе из нескольких, входящих в нее, не отражает физической сущности процесса: как известно, для систем объемного действия свойственна раздельная связь скоростных и силовых параметров и в этих системах при сколь угодно больших давлениях могут быть получены сколь угодно малые расходы. Кроме того, общеизвестно, что воздействие одного и того же перепада давлений на обоих торцах клапана имеющее место при обеспечении постоянства перепада давления на дросселе, в случае изменения нагрузки исключает движение клапана, т. е. предопределяет его неподвижным, что отрицает процесс регулирования.

Существующий способ регулирования предполагает осуществлять стабилизацию расхода поддержанием постоянного перепада давления на одном дросселирующем элементе путем изменения воздействия на другой элемент. Однако в замкнутой системе самого регулятора с переменными внешними факторами невозможно получить постоянный расход за счет сохранения постоянным перепада давления на другом дросселе, входящем в эту же систему, т. к. в таких системах постоянство одного параметра, например, расхода может быть получено только за счет непостоянства другого параметра, например, давления или же для этого нужно осуществлять подвод или отвод энергии от других источников ее по определенному закону. При известном способе регулирования необходимо также, чтобы гидравлический КПД дросселя был равен единице, т. е. чтобы потери давления на нем при изменении нагрузки отсутствовали, что быть не может.

Целью изобретения является повышение быстродействия, улучшение динамики движения и повышение точности регулирования расхода жидкой среды в разветвленных системах, например, в системах объемных гидропневмоприводов и гидропневмоавтоматики с дроссельным регулированием. Достигается это тем, что в отличие от известного способа, при котором осуществляют по одной ветви слив части текучей среды через переливной элемент с фиксированным перепадом давления, а также перепуск текучей среды по другой ветви к исполнительному механизму через последовательно включенные клапан с регулируемым проходным сечением и дроссель, причем регулирование проходного сечения клапана осуществляют за счет формирования в его камерах управления перепада давления, для чего подают в одну из камер сигнал давления с выхода дросселя, в предлагаемом способе для формирования перепада давления в другую камеру управления подают сигнал давления с входа указанного клапана.

В такой системе среду пропускают через регулирующий аппарат, в котором используют переменный дроссель с автоматическим изменением проходного сечения, обеспечивающим изменение расхода через него, равное по величине, но обратное по направлению отклонению расхода, вызванному действием на систему внешних переменных факторов.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе регулирования расхода текучей среды настройку системы на заданный режим расхода осуществляют с помощью одного (настроечного) дросселя, а поддержание постоянства расхода ее при воздействии внешних переменных факторов достигается путем обеспечения на этом дросселе постоянного перепада давления, для чего и используется редукционный клапан, поддерживающий постоянным давление на выходе из него и предназначенный для обеспечения постоянства перепада на настроечном дросселе. При этом редукционный клапан управляется по перепаду давления на настроечном дросселе.

В предлагаемом способе регулирования расхода текучей среды настройку системы на заданный режим осуществляют также с помощью настроечного дросселя, но повышение быстродействия и поддержание на этой основе постоянства расхода при воздействии внешних переменных факторов достигают не обеспечением постоянства перепада давления на этом дросселе, а согласованным управлением расхода через другой переменный дроссель - стабилизирующий (корректирующий) клапан, что и осуществляется автоматическим изменением его проходной щели с использованием для этого не перепада давления на настроечном дросселе, а перепада давления на входе всей системы. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает регулирование с учетом действия всех внешних факторов на всю систему, начиная от входа в нее и заканчивая выходом, а не только на один дроссель, как и при известном способе. Это и обеспечивает улучшение динамики и повышение быстродействия и точности регулирования. Важно, что в предложенном способе перепад давления на устойчивом дросселе постоянным не поддерживается. Постоянство расхода предложенным способом регулирования достигается за счет того, что одно и то же изменение внешнего фактора формирует в системе два изменения расхода: одно на установочном дросселе, а другое (такое же по величине, но обратное по вектору) - на корректирующем клапане, поэтому результирующее изменение расхода в этом случае равно нулю. При этом элементы системы можно соединить как последовательно, так и параллельно, но в обоих случаях на корректирующий элемент будет действовать удвоенный перепад давления.

На фиг. 1 в качестве примеров осуществления предлагаемого способа приведена принципиальная схема разветвленной пневмогидросистемы дроссельного регулирования с последовательным соединением дросселя 1 и корректирующего клапана 2, выполняющего функции автоматически регулируемого дросселя; на фиг. 2 - расходно-перепадная характеристика этой системы; 3, 4 - характеристики соответственно дросселя и клапана с одинаковыми дросселирующими каналами; 5 - общая характеристика системы состоящей из этих дросселя и клапана; 6, 7 - каналы подвода управляющего давления к клапану 2.

Дроссель 1 представляет собой обычное гидравлическое регулируемое сопротивление и функционально предназначен для получения заданной скорости рабочего органа гидродвигателя в зависимости от режима работы привода. Корректирующий клапан 2 представляет переменный дроссель с автоматическим изменением проходного сечения, обеспечивающим изменение расхода через него, равно по величине, но обратное по направлению отклонения через настроечный дроссель 1. Функционально это обеспечивается тем, что на клапан 2 действует в этом случае тот же самый перепад давления, что и на дроссель 1. Эта взаимосвязь и обеспечивает согласованное управление расходом через корректирующий клапан 2, в частности по обратно-пропорциональному изменению расхода через дроссель 1. Так, если, например, переменное внешнее воздействие приводит к уменьшению перепада давления на дросселе 1, и, следовательно, к уменьшению расхода через него, то под действием того же изменения перепада давления корректирующий клапан 2 должен переместиться в направлении открытия его проходного сечения, т. е. увеличения расхода через него, несмотря на уменьшение перепада давления на клапане. Поэтому благодаря увеличению расхода через корректирующий клапан 2 суммарный расход на выходе устройства сохраняется прежним, постоянным. Как видно, быстродействие системы, а следовательно, и качество процесса стабилизации расхода обеспечивается воздействием на корректирующий клапан 2 полного перепада давления на входе и выходе всей системы.

Для использования предлагаемого способа в серийных пневмогидравлических регуляторах расхода, применяющихся в мировой практике, отрицательную обратную связь, выполненную в виде канала из камеры под клапаном, необходимо соединить не с входом в настроечный дроссель 1, а с входом в клапан 2, или с выходом из насоса. Благодаря такому соединению перепад давления, необходимый для страгивания клапана 2 (т. е. для осуществления начала регулирования), наступит в системе при меньшем изменении внешнего фактора (например, внешней нагрузки), по меньшей мере в 2 раза, что и повышает быстродействие и точность регулирования, улучшает динамику.

Для доказательства этого рассмотрим систему, состоящую из двух одинаково выполненных дросселя 1 и клапана 2 (фиг. 1, 2), и установим их в равные, средние положения. При этом в качестве клапана будем использовать устройство с автоматическим изменением проходного сечения, обеспечивающим изменение расхода через него, равное по величине, но обратное по направлению по сравнению с отклонением расхода, вызванного действием переменных внешних факторов. В рабочие камеры такого клапана 2 по обе стороны его регулирующего элемента давление подводится (фиг. 1) из участков системы с экстремальными значениями его.

В этом случае для дросселя 1:
ΔP_др= , ΔP_др= P_вх.др-P_вых.др= P_вх.др-P_м
P_вх.др= P_вых.др+ΔP_1др= P_м+ а для клапана 2:
ΔP_кл= , ΔP_кл= P_вх.кл-P_вых.кл= P_вх.кл-P_вх.др
P_вх.кл= ΔPP_вх.др= +P_м+= 2 +P_м
Следовательно, перепад давления на входе и выходе системы, реализуемый в предлагаемом способе:
где ζ - коэффициент местных сопротивлений;
γ - удельный вес жидкой среды;
v - скорость течения среды через дроссель, клапан;
Δ Р_др., Δ Р_кл. - потери давления в дросселе, клапане;
Р_вх., Р_вых. - давление на входе, выходе дросселя, клапана;
g - ускорение;
Р_м - давление в камерах гидромотора.

С учетом однотипности конструкций дросселя и клапана и их одинаковых установочных положений, а также равенства расхода среды через них следует, что при управлении системой по перепаду давления на ней, равному 2 по сравнению с системой, регулируемой лишь по перепаду давления на дросселе 1, равному , уровень управляющего сигнала повышается вдвое, т. е. :
2/= 2 .

Автоматическое управление расходом среды начинает осуществляться в системе только после нарушения равновесия регулирующего элемента - клапана 2, характеризующегося равенством сил, действующих на него. Для регулятора расхода это равенство имеет вид:
Р_пр. + Р_F F = P_f f, где F, P_F и f, P_f - площади и давления среды, действующие на одну F и другую f торцовые поверхности клапана 2;
Р_пр. - усилие пружины.

Как видно для создания управляющего усилия, целесообразно использовать максимально возможные поверхности регулирующего элемента клапана 2. В оптимальном случае эти поверхности равным, т. е.

Р_пр. = P_f F - P_F F = Δ PF.

Это значит, что начало срабатывания, т. е. начало движения клапана 2, а следовательно, начало процесса регулирования и уровень быстродействия и точности стабилизации расхода среды при выбранной пружине зависит только от площади клапана 2 и перепада давления на нем. Следовательно, при заданных габаритах аппарата повышение уровня стабилизации расхода среды определяется только от того, каким образом будет образован перепад давления на клапане 2. Естественно, что для повышения точности стабилизации этот перепад должен быть предельным, максимально возможным, т. е. необходимо, чтобы к поверхностям клапана 2 подводилась среда от участков системы с максимальным и минимальным давлениями. Как известно, для систем гидропневмоприводов минимальное давление имеет место в камерах двигателя, а максимальное - в камерах насоса (компрессора), т. е. по существу на выходе и входе регулируемой системы.

Таким образом, предлагаемый способ предусматривает регулирование по максимально возможному перепаду давления, действующему в системе. В этом случае перепад давления, необходимый для начала движения регулирующего элемента, т. е. для преодоления усилия на чувствительном элементе (усилия пружины, в частности) достигается раньше и при меньших изменениях внешних переменных факторов.

Из графиков фиг. 2 видно, что общий перепад давления на входе и выходе системы, состоящей из двух одинаково настроенных дросселя и клапана, при их последовательном соединении равен сумме перепадов давлений на каждом элементе и увеличивается по сравнению с каждым из них в два раза по отношению к средним положениям.

Установлены следующие преимущества регуляторов, выполненных по предлагаемому способу.

1. Повышенная в 5-6 раз точность стабилизации процесса регулирования, особенно в области малых нагрузок, на которых серийные системы не обеспечивают постоянства потока при изменениях нагрузки.

2. Улучшенные функциональные качества в системах с переменными воздействиями на входе, т. е. обеспечение равной двухсторонней стабилизации расхода.

3. Увеличенная пропускная способность на одном и том же режиме.

4. Сохранение стабилизации расхода на режимах с полным открытием дросселя, когда перепад давления на нем отсутствует. Это свойство новых систем позволяет значительно увеличить пропускную способность их, не увеличивая размеры. В этом же случае процесс регулирования осуществляется при меньших потерях давления.

5. Системы обладают улучшенной динамикой, большим быстродействием, повышенной надежностью; исключают заклинивание золотника, благодаря действию на него полного рабочего давления насоса, в частности при запуске; перетечки жидкости между отдельными полостями не оказывают влияния на стабильность расхода.

6. Новые регуляторы упрощаются в конструкции, технологичны в изготовлении, могут иметь значительно меньшие габариты.

7. Применение предлагаемого способа в регуляторах расхода станочных гидроприводов позволяет многократно уменьшить взаимное влияние в системах несколькими исполнительными звеньями, подключенными к одной насосной установке.

Это подтверждает эффективность предлагаемого способа регулирования.

Использование: в системах управления гидроприводами металлообрабатывающих станков, в системах ирригационных и вентиляционных сооружений. Сущность: осуществляют по одной ветви слив части текучей среды через переливной элемент с фиксированным перепадом давления, а также перепуск текучей среды по другой ветви к исполнительному механизму через клапан 2 с регулируемым проходным сечением и дроссель 1, причем регулирование проходного сечения клапана 2 осуществляют за счет формирования в его камерах управления перепада давления, для чего подают в одну из камер сигнал давления с выхода дросселя 1, а в другую - с входа в клапан 2. 2 ил.

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В РАЗВЕТВЛЕННЫХ СИСТЕМАХ, при котором осуществляют по одной ветви слив части текучей среды через переливной элемент с фиксированным перепадом давления, а также перепуск текучей среды по другой ветви к исполнительному механизму через последовательно включенные клапан с регулируемым проходным сечением и дроссель, причем регулирование проходного сечения клапана осуществляют за счет формирования в его камерах управления перепада давления, для чего подают в одну из камер сигнал давления с выхода дросселя, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, для формирования перепада давления в другую камеру управления подают сигнал давления с входа указанного клапана.