ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР Российский патент 1997 года по МПК F15B21/12 

Изобретение относится к вибрационной технике, в частности к гидравлическим вибраторам, используемым при обработке материалов резанием с вибрациями, и может быть использовано в станках с ручным и электрическим управлением.

В практике широкое применение нашли вибраторы на основе гидромеханического следящего привода, электрогидравлического следящего привода, и вибраторы с генераторами гидравлических импульсов с силовой обратной связью [1]
Известны гидромеханические следящие вибраторы, в которых золотники гидрораспределителей приводятся в колебательное движение электродинамическими преобразователями или вращающимися приводами через кулачковые, эксцентриковые или кривошипно-шатунные механизмы. Они отличаются высокоудельной мощностью и компактностью конструкции, но они имеют и недостатки: сложность гидромеханических узлов; требуют значительную мощность для возвратно-поступательного движения золотников с увеличением частоты колебаний; ограниченный частотный диапазон (до 200 Гц) из-за резонанса механических элементов управляющего вибратора; усиление шума при повышении частоты вибрации и резкое уменьшение рабочего ресурса; сложность регулирования амплитуды колебаний в процессе работы. Вибраторы испытательных стендов на основе многокаскадных электрогидравлических следящих приводов с обратными связями по силе и по положению выходного звена имеют наиболее широкие возможности, в том числе управления формой колебаний, но они отличаются сложностью конструкции, требуют высокого качества очистки рабочей жидкости и имеют высокую стоимость.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является выбранный в качестве прототипа гидравлический высокочастотный вибросуппорт [2, рис. 92] содержащий регулятор расхода рабочей жидкости, четырехлинейный гидрораспределитель с вращающимся многокромочным золотником, гидроцилиндр двухстороннего действия и стабилизатор колебаний в виде центрирующих пружин, удерживающих поршень около нейтрального положения. Здесь пружины являются элементами силовой отрицательной обратной связи по положению выходного звена. Вибросуппорт отличается большим рабочим ресурсом, широким диапазоном и простотой регулирования частоты и амплитуды колебаний, плавностью и бесшумностью работы. Главными недостатками его являются: низкий коэффициент полезного действия, обусловленный применением центрирующих пружин, при деформации которых рассеивается значительная часть энергии рабочей жидкости; большое смещение поршня от нейтрали под действием внешней нагрузки. С увеличением ж сткости центрирующих пружин величина смещения поршня под нагрузкой уменьшается, по одновременно уменьшается и коэффициент полезного действия вибратора.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия вибратора, существенное уменьшение смещения поршня под действием внешней нагрузки от гидравлической нейтрали, а также расширение частотного диапазона колебаний за счет улучшения энергетических характеристик. Это достигается тем, что в гидравлический вибратор, содержащий регулятор расхода рабочей жидкости, четырехлинейный гидрораспределитель с вращающимся многокромочным золотником и гидроцилиндр двухстороннего действия, включен стабилизатор колебаний поршня, выполненный в виде трехлинейного гидрораспределителя с двухкромочным отсечным золотником, у которого окна в гильзе соединены с полостями гидроцилиндра и с магистралью слива, а золотник связан тягой с штоком поршня.

Кромки золотника перекрывают соединенные с полостями гидроцилиндра дросселирующие окна в гильзе на регулируемую величину, не менее заданной амплитуды колебаний поршня. При смещении поршня на величину, большую зоны перекрытия, полость гидроцилиндра, от которой движется поршень, через открытое золотником окно соединяется с магистралью слива и давление в ней уменьшается. Это вызывает торможение поршня и препятствует его большему смещению от гидравлической нейтрали за пределы зоны перекрытия.

При колебании поршня в пределах зоны перекрытия окон трехлинейного гидрораспределителя вибратор является разомкнутой системой. Здесь энергия рабочей жидкости полностью используется на возбуждение вибрационных колебаний и преодоление внешней нагрузки. При смещении поршня за пределы установленной зоны перекрытия включается в действие цепь гидравлической обратной связи по положению выходного звена вибратора, что позволяет создать несимметрию колебаний давлений в полостях гидроцилиндра, компенсировать действие внешней силы и стабилизировать колебания вибратора.

Установка стабилизатора колебаний в виде трехлинейного гидрораспределителя позволяет исключить упругие элементы для центрирования поршня около нейтрального положения, устранить потери энергии на их деформацию и повысить коэффициент полезного действия вибратора, что дает возможности для расширения его частотного диапазона колебаний.

На чертеже представлена схема гидравлического вибратора.

Позиции на чертеже обозначают: регулятор расхода рабочей жидкости 1; четырехлинейный многопозиционный гидрораспределитель непрерывного действия с многокромочным золотником 2; двигатель с регулируемой частотой вращения 3; гидроцилиндр двухстороннего действия 4; поршень 5; трехлинейный гидрораспределитель 6; неподвижная гильза 7; подвижная гильза 8; двухкромочный золотник 9; тяга 10; шток поршня 11; регулятор положения подвижной гильзы 12; датчик положения поршня 13; электронный блок управления амплитудой колебаний вибратора 14; электронный блок управления частотой вращения двигателя 15; шпиндель в штоке поршня для установки режущего инструмента 16, величина перемещения поршня от нейтрали Y; амплитуда колебаний поршня A; величина перекрытия окон трехлинейного гидрораспределителя B; внешняя нагрузка на поршень F.

Уплотнения зазоров и дренажные каналы на схеме не показаны. Гидравлический вибратор с ручным управлением содержит регулятор расхода рабочей жидкости 1 для регулирования амплитуды вибрационных колебаний, четырехлинейный гидрораспределитель 2 с многокромочным золотником, вращаемым двигателем 3, для создания реверсируемого с регулируемой частотой расхода рабочей жидкости, гидроцилиидр 4 для преобразования реверсируемого расхода в вибрационные колебания поршня 5, трехлинейный гидрораспределитель 6 для стабилизации колебаний поршня по амплитуде.

Каналы гидрораспределителя 2 соединены с выходом регулятора расхода 1, подключенного к напорной магистрали P_н, с магистралью слива P_сл и с полостями гидроцилиндра 4. Полости гидроцилиндра дополнительно соединены с трехлинейным гидрораспределителем 6 через выполненные в неподвижной гильзе 7 и в подвижной гильзе 8 дросселирующие окна, которые перекрыты от магистрали слива P_сл кромками золотника 9, связанного тягой с штоком 11 поршня 5. Величина В перекрытия дросселирующих окон устанавливается перемещением подвижной гильзы 8 с помощью регулятора положения 12.

В исходном состоянии (при отсутствии давления в напорной магистрали) поршень вибратора неподвижен и находится в произвольном положении в пределах своего хода.

Предположим, что поршень 5 находится в нейтральном положении Y=0. Основная нагрузка на поршень инерционная, обусловленная массой подвижных частей, а внешняя нагрузка отсутствует F=0.

При вращении золотника гидрораспределителя 2 и включении гидропитания, полости гидропилиндра 4 будут поочередно соединяться с напорной магистралью P_н через регулятор расхода 1 и с магистралью слива P_сл. В полости гидроцилиндра 4 будет поступать реверсируемый расход рабочей жидкости. В результате этого поршень 5 будет совершать колебания, амплитуда А которых определяется величиной расхода через регулятор 1, а частота колебаний - частотой вращения золотника гидрораспределителя 2. Если расход рабочей жидкости не превышает расхода, потребного для колебаний с амплитудой А, меньшей или равной В, и поршень колеблется без смещения относительно нейтрали, то вибратор работает с максимальным коэффициентом полезного действия. С увеличением расхода через регулятор 1 и, соответственно, с увеличением амплитуды колебаний А до и более величины установленного перекрытия В, золотник 9, связанный с поршнем 5, будет открывать дросселирующие окна в гильзах 7 и 8 и часть расхода из полостей гидроцилиндра 4 будет направляться в магистраль слива P_сл, что ограничит дальнейшее увеличение амплитуды колебаний. По мере увеличения расхода через регулятор 1 сверх потребного для колебаний с амплитудой А, равной В, колебания поршня 5 по форме будут изменяться от синусоидальных к трапецеидальным. Для сохранения синусоидальной формы колебаний расход через регулятор 1 должен соответствовать заданным амплитуде и частоте колебаний.

При работе вибратора, например, в станках для вибрационной обработки отверстий на его поршень 5 действуют инерционная и постоянная нагрузки. В этом случае в полостях гидроцилиидра 4 возникают колебания давлений, обусловленные инерционной нагрузкой, и дополнительно перепад давлений, обусловленный действием постоянной внешней нагрузки. Это приводит к тому, что объ мы рабочей жидкости, поступающие в полости гидроцилиндра 4 при колебании поршня 5, различны. При действии силы F вправо, как показано на фиг. 3-5, объ м жидкости, поступающей в левую полость, будет превышать объ м жидкости, поступающей в правую полость, и поршень 5 будет совершать колебания с одновременным смещением в сторону действия силы F. В результате этого поршень 5 и соедин нный с ним золотник 9 будут выходить за пределы величины B установленного перекрытия. В моменты, когда перемещение Y поршня 5 больше величины B перекрытия, левая полость гидроцилиндра 4 через окно в гильзе 8, открываемое золотником 9, будет соединяться с магистралью слива P_сл. В результате этого средний уровень давления в левой полости будет ниже среднего уровня давления в правой полости и на поршне 5 будет создана сила, компенсирующая действие внешней нагрузки F. Смещение поршня 5 от нейтрали прекратится и он будет совершать вынужденные колебания с некоторым смещением Y относительно нейтрали, пропорциональным внешней силе F. При этом величина Y будет меньше амплитуды колебаний А, так как при малой величине открытия золотником 9 окна в гильзе 8 происходит значительное изменение перепада давлений на поршне 5.

Таким образом, установка трехлинейного гидрораспределителя 6 позволяет эффективно стабилизироват колебания поршня 5 по амплитуде и существенно уменьшить смещение его от нейтрали под действием внешней нагрузки. По сравнению с прототипом, в котором для стабилизации колебаний поршня относительно нейтрали используются центрирующие пружины, предложенная конструкция гидравлического вибратора имеет значительно большую жесткость по внешней нагрузке и лучшие энергетические характеристики, что позволяет расширить его частотный диапазон.

В станках с электрическим управлением гидравлический вибратор содержит регулятор расхода рабочей жидкости с пропорциональным электрическим управлением 1, электропривод 12 для регулирования положения подвижной гильзы 8, датчик положения поршня 13, электронный блок управления амплитудой колебаний вибратора 14, электронный блок управления 15 частотой вращения двигателя 3.

В этом случае на вход блока управления 14 поступают электрические сигналы V_A, V_f, V_п, пропорциональные заданным амплитуде А, частоте колебаний f и положению поршня 5 вибратора Y. В блоке 14 формируется сигнал управления V_p регулятором расхода 1 в соответствии с выражением Q = 2πfAS_п и V_p=kQ, где Q величина потребного расхода рабочей жидкости; S_n площадь поршня 5; k коэффициент пропорциональности. Сигнал V_p формируется с уч том сигнала обратной связи по амплитуде колебаний, выделяемого из сигнала V_n. Одновременно сигналы V_A и V_f поступают, соответственно, на входы привода 12 и блока управления 15 частотой вращения двигателя 3.

Опытный образец гидравлического вибратора с ручным управлением изготовлен и установлен на станке для вибрационной обработки глубоких отверстий диаметром 20-50 мм с использованием тонкостенных кольцевых сверл. Сверла устанавливаются в шпинделе 16, вращающемся в радиально-упорных подшипниках, размещенных внутри штока 11. Шпиндель 16 приводится во вращение двигателем с регулируемой частотой вращения.

Основные технические характеристики гидравлического вибратора
Давление в напорной магистрали, МПа 15
Давление в магистрали слива, МПа 0,5
Максимальный расход рабочей жидкости, л/мин 60
Масса подвижных частей вибратора, кг 8
Диапазон частот вибрационных колебаний, Гц 25-500
Диапазон амплитуд вибрационных колебаний, мм 0,1-0,5
Площадь поршня вибратора, см² 24
Максимальная внешняя нагрузка, Н 15000
Смещение поршня при внешней нагрузке 10000 Н, мм 0,25-0,3
В насосной установке используется аксиально-поршневой насос регулируемой производительности.

Результаты экспериментальных исследований показали следующее: гидравлический вибратор обеспечивает плавное регулирование частоты колебаний от 25 до 500 Гц при изменении частоты вращения двигателя 3 от 100 до 2000 об/мин и амплитуды колебаний от 0,1 мм на частоте 500 Гц до 0,5 мм на частоте 130Гц. С увеличением амплитуды колебаний предельная частота уменьшается из-за ограничения по расходу рабочей жидкости. Вибратор обеспечивает стабильность колебаний по амплитуде и имеет высокую жесткость по внешней нагрузке.

В настоящее время станок для вибрационной обработки отверстий оборудуется электродистанционной системой управления.

Использование: в станках для обработки материалов с вибрациями режущего инструмента. Сущность изобретения: вибратор содержит регулятор расхода рабочей жидкости, четырехлинейный гидрораспределитель с вращающимся многокромочным золотником, гидроцилиндр двухстороннего действия и стабилизатор колебаний поршня, выполненный в виде трехлинейного гидрораспределителя, состоящего из составной гильзы, окна которой соединены с полостями гидроцилиндра и с магистралью слива, и двухкромочного золотника, связанного тягой с поршнем. Кромки золотника перекрывают окна в гильзе на регулируемую величину, не менее заданной амплитуды колебаний. 1 ил.

Гидравличесекий вибратор, содержащий гидроцилиндр двухстороннего действия, четырехлинейный гидрораспределитель с вращающимся многокромочным золотником, при этом на входе гидрораспределителя установлен регулятор расхода рабочей жидкости, а к поршню гидроцилиндра присоединен стабилизатор колебаний, отличающийся тем, что стабилизатор колебаний выполнен в виде трехлинейного гидрораспределителя, состоящего из гильзы и золотника, соединенного с поршнем вибратора, при этом дросселирующие окна в гильзе соединены с полостями гидроцилиндра и перекрыты от магистрали слива кромками золотника на величину не менее заданной амплитуды колебания.