РЕГУЛЯТОР РАСХОДА Российский патент 1997 года по МПК G05D7/00 

Изобретение относится к гидромашиностроению и может быть использовано в гидроприводах металлорежущих станков.

Известен регулятор расхода, содержащий регулируемый дроссель и двухкромочный дросселирующий регулятор, который одной кромкой поддерживает постоянную разность давления на установленном в гидролинии нагнетания дросселе, а второй кромкой дросселирует поток рабочей жидкости, вытесняемой из рабочей полости гидродвигателя [1] Одновременное дросселирование двух потоков рабочей жидкости в этом регуляторе расхода позволяет несколько расширить диапазон регулирования расхода за счет незначительного снижения уровня малых устойчивых расходов, однако, существенно расширить диапазон устойчивых расходов оказалось невозможным потому, что площадь проходного сечения сливной дроссельной щели меняется с изменением нагрузки, так как сливная дросселирующая кромка расположена на подвижном регуляторе, что не позволяет демпфировать сливной поток рабочей жидкости.

Наиболее близким и принятым за прототип техническим решением является регулятор расхода, содержащий напорный регулируемый дроссель, который посредством клапана разности давления соединен с линией нагнетания, а выход дросселя соединен с одним из рабочих каналов гидравлического двигателя, сливной регулируемый дроссель, вход которого соединен с другим рабочим каналом гидродвигателя, а выход со сливом [2]
Указанный регулятор расхода позволил существенно расширить диапазон регулирования расхода рабочей жидкости и повысить устойчивость движения гидравлического двигателя в области малых скоростей перемещения, соответствующих расходу до Q=5 см³/мин. Однако в области падающей характеристики "сила трения скорость" попытка добиться устойчивости движения в гидроприводах с применением этого регулятора также не имела успехов. Это объясняется тем, что при увеличении, например, нагрузки на движущийся рабочий орган станка росту силы давления в рабочей полости гидродвигателя предшествует увеличение площади проходного сечения дросселирующего золотника клапана разности давлений этого, как и всякого другого, известного в настоящее время регулятора расхода.

Максимальной нагрузке, которая приходится на момент трогания рабочего механизма, соответствует максимальное проходное сечение дросселирующего регулятора при минимальном перепаде давления на напорном дросселе. Таким образом, движение гидродвигателя на начальной стадии перемещения происходит при максимальной величине давления в рабочей его полости и при максимальной площади проходного сечения дросселирующего регулятора.

По мере перемещения гидродвигателя перепад давления на напорном дросселе растет вследствие падения давления в рабочей полости гидродвигателя, вызванного падением сил трения в направляющих при увеличении скорости перемещения силового органа станка.

При быстром росте перепада давления дросселирующий регулятор клапана разности давлений быстро перемещается в направлении перекрытия щели проходного сечения клапана, в результате чего резко уменьшается поток рабочей жидкости, поступающей в рабочую полость гидродвигателя, который, продолжая по инерции перемещаться с прежней скоростью, способствует понижению давления в своей рабочей полости и в пружинной камере дросселирующего регулятора клапана разности давлений. Дросселирующий регулятор при этом также перемещается по инерции в направлении дальнейшего уменьшения расхода, поступающего в гидродвигатель. В результате происходит интенсивное падение скорости до величины, при которой силы трения в направляющих снова возрастают, преодолеть которые возможно только при условии увеличения площади проходного сечения дросселирующего регулятора клапана разности давлений и последующего изменения всех остальных параметров, формирующих следующий скачок рабочего органа станка.

Таким образом, в области падающей характеристики "сила трения скорость" реализовать равномерное устойчивое движение гидравлического механизма с применением известных регуляторов расхода невозможно.

Кроме того, область падающей характеристики "сила трения скорость" находится в диапазоне весьма малых расходов, при которых возможна облитерация дроссельной щели. Во избежание облитерации дросселей международный стандарт JSO рекомендует нижний предел расхода через дроссели ограничить 100 см³/мин. Ограничение, налагаемое на использование диапазона малых расходов из-за облитерации щелей дросселей, снижает, в ряде случаев, технические характеристики станков, не позволяет получить требуемый диапазон рабочих скоростей.

Цель изобретения повышение устойчивости работы гидравлического регулятора в широком диапазоне регулирования расхода рабочей жидкости и предотвращение облитерации дросселей при весьма малых расходах.

Указанная цель достигается тем, что известный регулятор расхода, содержащий напорный регулируемый дроссель, который посредством клапана разности давлений соединен с линией нагнетания, сливной регулируемый дроссель, вход которого соединен с одним из рабочих каналов гидродвигателя, а выход со сливным каналом, дополнительно снабжен делителем потока, который выполнен в виде напорного и сливного клапана давления, при этом выход напорного регулируемого дросселя соединен одновременно с входом напорного клапана делителя потока и с торцевыми камерами управления напорного и сливного клапанов, а также посредством постоянного дросселя с входом сливного и пружинной камерой управления напорного клапанов, причем выход напорного клапана соединен с другим рабочим каналом гидравлического двигателя и пружинной камерой управления сливного клапана, выход которого через подпорный клапан соединен с входом сливного дросселя.

Целью изобретения является также повышение чувствительности регулятора к изменению давления в обеих полостях рабочего гидродвигателя при возмущающих нагрузках. Эта цель достигается тем, что золотник сливного клапана регулятора расхода выполнен дифференциальным, между поршневым торцом которого и пружинной камерой сливного клапана установлен плунжер, при этом дифференциальная камера управления золотника соединена с входом, а поршневая его полость с выходом сливного дросселя.

На чертеже изображена принципиальная схема регулятора расхода.

Регулятор расхода содержит напорный регулируемый дроссель 1, который посредством клапана 2 разности давлений соединен с линией 3 нагнетания, сливной регулируемый дроссель 4, вход которого соединен с рабочим каналом 5 гидравлического двигателя 6, а выход со сливным каналом 7, делитель потока 8, выполненный в виде напорного клапана 5 и сливного клапана 10.

При этом выход напорного регулируемого дросселя 1 соединен линией 11 одновременно с входом клапана 9 делителя потока 8, с торцевыми камерами 12 и 13 управления соответствующих клапанов 9 и 10, а также посредством постоянного дросселя 14 с входом клапана 10 и пружинной камерой 15 клапана 9. Выход клапана 9 соединен одновременно с рабочим каналом 16 гидродвигателя 6 и пружинной камерой 17 управления клапана 10, выход которого посредством подпорного клапана 18 соединен с входом сливного дросселя 4. Сливной клапан 10 состоит из дифференциального золотника 19 и плунжера 20, который установлен между пружинной камерой 17 управления клапана и поршневым торцом золотника 19, дифференциальная камера 21 управления соединена со входом, а поршневая полость 22 с выходом сливного дросселя 4. Пружина 23 камеры 17 управления сливного клапана через плунжер 20 воздействует на поршневой торец дифференциального золотника 19.

Регулятор расхода работает следующим образом.

Рабочая жидкость от источника питания по линии нагнетания 3 подводится к входу клапана 2 разности давления и через напорный регулируемый дроссель 1 по гидролинии 11 подводится к делителю потока 8, в котором поток рабочей жидкости раздваивается по двум направлениям. Один поток поступает к входу напорного клапана 9 и в его торцевую камеру 12 управления, а второй поток через постоянный дроссель 14 малого сечения подводится к входу дифференциального золотника 19 клапана 10, торцевая камера 13 которого непосредственно соединена с гидролинией 11. Работа регулятора расхода начинается со смещения дифференциального золотника 19 клапана 10 в направлении открытия прохода рабочей жидкости через подпорный клапан 18 и дроссель 4 на слив. Величина этого смещения определяется величиной разности давлений на рабочей кромке золотника напорного клапана 9, положение которого, в свою очередь, определяется разностью давлений на постоянном дросселе 14. Смещение золотника 19 сливного клапана 10 происходит под действием давления жидкости, поступающей по гидролинии 11 в торцовую камеру 13 управления клапана 10, которое преодолевая усилие пружины 23, вытесняет из пружинной камеры 17 управления клапана 10 рабочую жидкость через канал 16 в рабочую полость гидродвигателя 6. С открытием клапана 10 через дроссель 14 начинает проходить небольшая часть рабочей жидкости, которая через подпорный клапан 18 и сливной дроссель 4 поступает по сливному каналу 7 на слив. На дросселе 14 при этом создается перепад давления, который, воздействуя на торцевую камеру 12 клапана 9, смещает дросселирующий золотник этого клапана в направлении его открытия. С открытием клапана 9 рабочая жидкость поступает по каналу 16 в рабочую полость гидродвигателя 6 и по гидролинии обратной связи в пружинную камеру 17 управления клапана 10.

С началом движения гидродвигателя 6 на дросселирующей кромке дросселя 4 возникает перепад давления, который воздействует на дифференциальную площадь золотника 19 клапана 10.

Таким образом, на дифференциальный золотник 19 клапана 10 действует суммарное усилие со стороны торцовой камеры 13 управления и со стороны дифференциальной камеры 21 управления клапана 10, которое уравновешивается усилием пружины 23, действующим через плунжер 20 на золотник 19 и усилием, развиваемым на площади плунжера 20 давлением, которое передается по гидролинии обратной связи из рабочей полости гидродвигателя 6 в пружинную камеру 17 управления клапана 10.

Благодаря такому решению при возрастании, например, отрицательной нагрузки на рабочий орган станка растет давление в пруженной камере 17 управления клапана 10, а в дифференциальной камере 21 золотника 19 давление падает, при этом уменьшается также перепад давления на рабочей кромке золотника клапана 9.

В результате золотник 19 клапана 10 под действием плунжера 20, на который действует сила пружины 23 и сила возросшего в пружинной камере 17 клапана 10 давления, смещается в направлении перекрытия потока рабочей жидкости, который через постоянный дроссель 14, дросселирующую кромку золотника 19, подпорный клапан 18 и дроссель 4 поступает на слив.

По мере перемещения золотника 19 в направлении перекрытия сливного потока золотник клапана 2 разности давления открывает проход масла из линии нагнетания, в результате на входе клапана 9 происходит интенсивный рост давления и одновременно с ростом входного давления происходит падение перепада давления на постоянном дросселе 14. С перекрытием золотником 19 сливного потока дросселирующий золотник клапана 9 под действием пружины стремится прикрыть проход жидкости в рабочую полость гидродвигателя 6, создавая "сдерживающее" сопротивление потоку рабочей жидкости, но увеличивающийся под действием возрастающей силы входного давления перепад давления на рабочей кромке золотника клапана 9 воздействует на золотник 19 клапана 10, стремясь сместить его в направлении увеличения потока жидкости, поступающего на слив, что ведет к восстановлению площади проходного сечения на рабочей кромке золотника напорного клапана 9 и одновременно восстановлению перепада давления на ней до значения их величин, которые они имели при установившемся движении, но уже на новом уровне входного давления, соответствующему уровню давления, вызванного возросшей нагрузкой. Из анализа работы указанного регулятора следует, что при возрастающей отрицательной нагрузке открытие дросселирующей щели золотника клапана 9 на величину большую, чем величина щели при установившемся движении, невозможно, так как всякое увеличение проходного сечения этого золотника сопровождается уменьшением перепада давления на рабочей его кромке, а рост давления в рабочей полости гидродвигателя, вызванный ростом нагрузки, по гидролинии обратной связи передается в пружинную камеру клапана 10 и, воздействуя на плунжер 20, смещает золотник 19 клапана 10 в направлении уменьшения сливного потока, проходящего через его рабочую кромку.

С перекрытием сливного потока клапаном 10, процесс нарастания давления на входе клапана 9 и уменьшения площади проходного его сечения происходит так, как описано выше.

Эти изменения происходят до тех пор, пока разности давлений на дросселе 1, 4, 14 и на дросселирующих кромках золотников клапанов 2, 9 и 10, определяемые усилиями их пружин, не достигнут первоначальной величины.

Для ликвидации возможных колебаний дросселирующего золотника клапана 9 в переходный период на сливной гидролинии клапана 10 установлен подпорный клапан 18.

При росте на гидродвигателе положительной нагрузки растет величина противодавления в нерабочей его полости и падает давление в рабочей, что вызывает рост давления в камере 21 и падение давления в камере 17 клапана 10. В результате золотник 19 клапана 10 смещается в сторону открытия прохода рабочей жидкости через дроссель 4 на слив. При этом на постоянном дросселе 14 создается перепад давлений, который смещает золотник клапана 9 в направлении раскрытия его дроссельной щели.

С ростом положительной нагрузки и увеличением размеров проходных сечений клапанов 9 и 10 золотник клапана 2 разности давлений перекрывает проход масла из линии нагнетаний. Уровень давления на входе клапана 9 при этом падает, снижается также и разность давлений на рабочей кромке золотника клапана 9.

При понижении уровня давления на входе клапана 9 и падении перепада давления на рабочей его кромке происходит снижение движущей силы, действующей на гидродвигатель, на величину, соответствующую величине приращения положительной нагрузки.

При этом происходит снижение противодавления в нерабочей полости гидродвигателя, смещение золотника 19 клапана 10 в направлении прикрытия прохода рабочей жидкости, поступающей на слив, уменьшение перепада давления на дросселе 14, прикрытие дроссельной щели золотника клапана 9 и, как следствие, восстановление первоначальной разности давлений на дросселях 1 и 4, а следовательно, и первоначальной величины расхода, определяемой их настройкой.

Рассмотрим процессы, происходящие в регуляторе расхода, с момента остановки, начала движения гидродвигателя и во время движения в области падающей характеристики "сила трения скорость". При остановке рабочего гидродвигателя на жестком упоре давление в его рабочей полости равно давлению, развиваемому насосом, перепад давления при этом на кромке золотника напорного клапана 9 имеет величину близкую к нулю. В результате дифференциальный золотник 19 клапана 10 прикрыт настолько, что перепад давления на дросселе 14 будет минимальным, соответствующим расходу рабочей жидкости порядка 60 100 см³/мин. С уменьшением перепада давления на дросселе 14 проходное сечение на кромке золотника напорного клапана 9 перекрывается до величины, достаточной только для компенсации возможных утечек в гидродвигателе.

Вполне очевидно, что в момент начала движения, когда силы трения в направляющих гидравлического механизма имеют максимальную величину, площадь проходного сечения регулятора напорного канала 9 при минимальной величине перепада давления на этом клапане минимальна.

С момента начала движения гидравлического механизма перепад давления на клапане 9 увеличивается. Золотник 19 сливного клапана 10 при этом перемещается в направлении открытия прохода дополнительной части рабочей жидкости через дроссель 4 на слив, на дросселе 14 создается перепад давления, который обеспечивает открытие напорного клапана 9, а в гидролинии 11 происходит падение давления, что ведет к прикрытию клапана 2 разности давлений. Таким образом, увеличению площади проходного сечения клапана 9 предшествует уменьшение давления на его входе, что хорошо согласуется с характером изменения сил трения в зависимости от скорости перемещения гидравлического механизма в результате чего происходит плавное трогание гидравлического механизма с места и равномерное ускорение его до установившейся скорости.

Из описания работы предлагаемого регулятора расхода видно, что золотники клапанов 2 и 9 работают в противофазе друг по отношению к другу, в результате любая возмущающая нагрузка вызывает уменьшение площади проходного сечения (увеличение сопротивления) рабочей кромки одного из золотников этих регулирующих клапанов в зависимости от характера изменяющейся нагрузки.

Так при росте отрицательной нагрузки площадь проходного сечения рабочей кромки регулятора клапана 9 уменьшается (гидравлическое сопротивление увеличивается), а площадь проходного сечения клапана 2 увеличивается. При росте же положительной нагрузки площадь проходного сечения клапана 9, наоборот, увеличивается, а клапана 2 уменьшается (гидравлическое сопротивление также увеличивается). При этом расходная характеристика регулятора расхода определяется площадью проходного сечения того клапана, площадь проходного сечения которого наименьшая (условная площадь регулятора расхода), а гидравлическое сопротивление на этой площади наибольшее.

Таким образом, сигнал отклонения перепада давления при возмущениях вызывает независимо от характера изменяющейся нагрузки уменьшение условной площади проходного сечения (увеличение гидравлического сопротивления) предлагаемого регулятора расхода и, одновременно, увеличение абсолютной величины приращения восстанавливающего перепада давления, знак которой определяется характером изменения нагрузки.

Благодаря такому решению принципиальной схемы регулятора расхода достигается большой запас устойчивости движения гидравлических двигателей в широком диапазоне его рабочих скоростей.

Расширение диапазона расхода достигается тем, что небольшое количество рабочей жидкости (около 60 100 см³/мин) постоянно прокачивается через дроссели 1 и 4 посредством дросселя 14 малого сечения и сливного клапана 10, благодаря чему ликвидируется опасность облитерации рабочих дросселей при весьма малых расходах (порядка 0,5 1 см³/мин) рабочей жидкости, поступающей в рабочую гидросистему.

Изобретение относится к гидромашиностроению, в частности к гидроприводам металлорежущих станков. Изобретение обеспечивает повышение устойчивости работы гидравлического регулятора в широком диапазоне регулирования расхода рабочей жидкости и предотвращения облитерации дроссельных щелей при весьма малых расходах. Регулятор расхода содержит напорный регулируемый дроссель, который посредством клапана разности давлений соединен с линией нагнетания, сливной регулируемый дроссель, вход которого соединен с одним из рабочих каналов гидравлического двигателя, а выход - со сливным каналом, при этом регулятор дополнительно снабжен делителем потока, который выполнен в виде напорного и сливного клапанов давления, а золотник сливного клапана выполнен дифференциальным, между поршневым торцом которого и пружинной камерой управления установлен плунжер, дифференциальная камера управления сливного золотника при этом соединена с входом, а поршневая его полость - с выходом сливного дросселя. Кроме того, для ликвидации возможных колебаний на выходе сливного клапана установлен подпорный клапан. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Регулятор расхода, содержащий напорный регулируемый дроссель, который посредством клапана разности давлений соединен с линией нагнетания, сливной регулируемый дроссель, вход которого соединен с одним из рабочих каналов гидравлического двигателя, а выход со сливным каналом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен делителем потока, выполненным в виде напорного и сливного клапанов давления, при этом выход напорного регулируемого дросселя соединен одновременно с входом напорного клапана делителя потока, с торцевыми камерами управления напорного и сливного его клапанов, а также посредством постоянного дросселя с входом сливного и пружинной камерой управления напорного клапанов, причем выход напорного клапана соединен с другим рабочим каналом гидравлического двигателя и пружинной камерой управления сливного клапана, выход которого через подпорный клапан соединен с входом сливного дросселя. 2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что золотник сливного клапана выполнен дифференциальным, между его поршневым торцом и пружинной камерой управления сливного клапана установлен плунжер, при этом дифференциальная камера управления золотника соединена с входом, а поршневая его полость с выходом сливного дросселя.