ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК F15B9/04 

Изобретение относится к области машиностроительной гидравлики, преимущественно к системам управления технологическим оборудованием лесозаготовительных, дорожно-строительных, подъемно-транспортных, сельскохозяйственных машин.

Известна система управления экскаватора ЭО-4225А [1], содержащая насос переменной производительности с регулятором, обеспечивающим поддержание давления и ограничение отдаляемой мощности, многосекционный распределитель и пульт управления.

Известна также система управления, чувствительная к нагрузке, фирмы "Danfoss" [2] , примененная для управления манипулятором и вспомогательным технологическим оборудованием на лесозаготовительной машине ТБ-1М-16 [3], и содержащая насос постоянной производительности, клапан регулирования давления, многосекционный распределитель с LS (load-sensing system) каналом (канал измерения максимального давления нагрузки), который соединен с клапаном регулирования давления, и пульт управления.

Недостатком данных систем управления является их функциональная ограниченность, то есть они могут работать либо в режиме поддержания постоянного давления в гидросистеме, что вызывает повышенные энергетические потери, либо в режиме поддержания давления, соответствующего давлению нагрузки, что предусматривает обязательное применение более сложных и дорогих многосекционных распределителей с LS каналом во всех приводах системы, независимо от назначения привода в составе изделия.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой электрогидравлической системе управления является выбранная в качестве прототипа система управления, чувствительная к нагрузке, фирмы "Danfoss" [2], содержащая насос переменной производительности, гидравлический регулятор, многосекционный распределитель с LS каналом, причем на выходе LS канала распределителя установлен клапан ограничения давления, пульт управления, выходы которого подключены к соответствующим управляющим входам распределительных секций, выход насоса соединен с напорными магистралями распределителей, сливная магистраль распределителей соединена с баком, выход LS канала соединен с входом гидравлического регулятора. Нейтральное положение регулятора насоса настраивают на такую подачу, чтобы компенсировать утечки в гидросистеме и поддерживать на выходе насоса давление, соответствующее режиму разгрузки. При перемещении золотника рабочей секции регулятора насоса устанавливают такую подачу, которая поддерживает установленную разность между давлением на выходе насоса и LS канала.

Недостатком прототипа является то, что в системе использован гидравлический регулятор насоса, который трубопроводом соединен с LS каналом многосекционного распределителя, и система может быть реализована только при данном сочетании приборов. Применение распределителей без LS канала не представляется возможным. В ряд машин входят приводы, незначительно задействованные в общем цикле работы, например, приводы аутригеров в грузоподъемных машинах, толкатель в лесозаготовительной машине и т.д., и использование в них сложных распределителей приводит к удорожанию системы.

Заявляемая группа изобретений решает задачу расширения функциональных и повышения эксплуатационных характеристик системы управления за счет, во-первых, обеспечения ее работы в различных режимах: в режиме, чувствительном к нагрузке, и в режиме поддержания давления и, во-вторых, за счет снижения энергетических потерь в процессе ее эксплуатации в любом режиме.

Одновременно решается задача снижения ее стоимости за счет возможности использования более простых гидрораспределителей в отдельных приводах, а также упрощения конструкции гидрораспределителей с LS каналами путем реализации элементов ограничения в функциональном блоке управления, а не в гидрораспределителе с помощью ограничительных клапанов.

Заявляемая группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа однообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем заявка относится к объектам изобретения одного вида и одинакового назначения.

При этом электрогидравлическая система управления по первому варианту является базовой, обеспечивающей возможность последовательного расширения технического результата за счет введения в нее новых существенных признаков, что отражено во втором варианте.

Так, если система управления по первому варианту обеспечивает работу в режиме, чувствительном к нагрузке, то система по второму варианту обеспечивает работу как в режиме, чувствительном к нагрузке, так и в режиме поддержания давления.

Задача снижения энергетических потерь во всех режимах работы системы обеспечивается за счет того, что, во-первых, использование регулируемого насоса позволяет получить максимальный КПД системы для каждого режима и, во-вторых, при отсутствии управляющих сигналов система всегда находится в режиме разгрузки, т. е. насос на выходе поддерживает минимальное давление, при этом его расход равен величине утечек в гидросистеме.

Указанный технический результат достигается тем, что в систему электрогидравлического управления, содержащую насос переменной производительности, один или несколько многосекционных распределителей с LS каналом, пульт управления, выходы которого подключены к управляющим входам соответствующих распределительных секций, выход насоса соединен с напорными магистралями распределителей, а всасывающая полость насоса и сливные магистрали распределителей соединены с баком, согласно изобретению, дополнительно введены электрогидравлический регулятор насоса, датчик давления насоса, датчик давления LS канала и функциональный блок управления, состоящий из сумматора, звена ограничения и задающего элемента, причем выход датчика давления насоса подключен к первому инвертирующему входу сумматора, выход датчика давления LS канала через звено ограничения подключен к второму неинвертирующему входу сумматора, выход задающего элемента подключен к третьему неинвертирующему входу сумматора, а выход сумматора подключен к управляющему входу электрогидравлического регулятора насоса.

Второй вариант исполнения системы управления отличается тем, что в нее дополнительно введены один или несколько многосекционных распределителей без LS канала, а в функциональный блок управления введены коммутатор, звено с переменным коэффициентом передачи и элемент "ИЛИ", причем выход датчика давления LS канала через звено ограничения подключен к входу коммутатора, а выход коммутатора соединен со вторым неинвертирующим входом сумматора, вход звена с переменным коэффициентом передачи подключен к выходу задающего элемента, а его выход - к третьему неинвертирующему входу сумматора, входы элемента "ИЛИ" подключены к выходам пульта управления, соединенным с управляющими входами соответствующих распределительных секций вновь введенных одного или нескольких распределителей, а выход элемента "ИЛИ" подключен к управляющим входам коммутатора и звена с переменным коэффициентом передачи.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая электрогидравлическая система управления отличается наличием новых элементов и блоков: электрогидравлического регулятора насоса, датчиков давления на выходе насоса и LS канала, функционального блока управления и входящих в него элементов и их связями с остальными элементами системы.

Таким образом, заявляемая электрогидравлическая система управления соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь вводимые в систему блоки широко известны [4],[5],[6]. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами заявляемая электрогидравлическая система управления проявляет новые свойства, что приводит к расширению ее функциональных возможностей и повышению эксплуатационных характеристик, а также снижению стоимости при создании сложных систем за счет упрощения некоторых распределителей. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блок-схема электрогидравлической системы управления по первому варианту, реализованная с помощью электрических связей. На фиг. 2 приведена блок-схема системы по второму варианту. На фиг. 3 показан пример реализации функционального блока управления.

Электрогидравлическая система управления (фиг. 1) по первому варианту состоит из пульта управления (ПУ), включающего в себя элемент управления 1, кинематически связанный с датчиками положения (ДП) 2, преобразующими перемещение в электрический сигнал, и блока 3 кнопочных переключателей (КП), распределителя 4, состоящего из распределительных секций с пропорциональным управлением (СПУ) и распределительных секций с дискретным управлением (СДУ), причем каждая распределительная секция связана с одним гидродвигателем (не показан), насоса переменной производительности 5, электрогидравлического регулятора 6 насоса. Выход насоса 5 соединен с напорными магистралями 7 распределителя 4 и датчиком давления 8, выход LS канала 9 распределителя соединен с датчиком давления 10. Управляющие входы распределительных секций подключены к соответствующим выходам пульта управления. Кроме того, система содержит функциональный блок управления (ФБУ), состоящий из сумматора 11, первый инвертирующий вход которого подключен к выходу датчика давления 8 насоса, второй неинвертирующий вход сумматора подключен к выходу звена ограничителя 12, вход которого соединен с выходом датчика давления 10 LS канала, третий неинвертирующий вход сумматора подключен к выходу задающего элемента 13, а выход сумматора 11 подключен к управляющему входу электрогидравлического регулятора 6 насоса.

Электрогидравлическая система управления работает следующим образом. При отсутствии сигналов от пульта управления производят настройку системы, задавая сигнал на выходе элемента 13, сигнал поступает на третий вход сумматора 11, с выхода сумматора сигнал подается на вход электрогидравлического регулятора 6, который преобразует электрический сигнал в перемещение люльки насоса 5, пропорциональное величине сигнала, при этом насос начинает подачу рабочей жидкости, компенсируя утечки в гидросистеме (при закрытых золотниках распределительных секций) и создавая давление в напорной магистрали. Датчик давления 8 формирует электрический сигнал, который поступает на первый вход сумматора 11, при этом замыкается отрицательная обратная связь по давлению насоса 5. Величина давления на выходе насоса устанавливается пропорционально величине сигнала, задаваемого элементом 13. Минимальное значение величины давления, устанавливаемого на выходе насоса 5 и соответствующее величине перепада на открытой распределительной секции при максимальном расходе, соответствует работе насоса в режиме разгрузки. При незначительных утечках в системе и небольшой величине давления на выходе насоса 5 в режиме разгрузки энергетические потери минимальны.

При задании одного или нескольких сигналов от пульта управления на соответствующие распределительные секции распределителя 4 золотник или золотники перемещаются, напорная магистраль насоса 5 через открытые золотники распределительных секций подсоединяется к гидродвигателям, а напорная магистраль гидродвигателей - к LS каналу, датчик давления 10 формирует электрический сигнал, который через звено ограничения 12 поступает на второй вход сумматора 11, при этом в системе замыкается положительная обратная связь по давлению, что приводит к увеличению давления на выходе насоса 5 до тех пор, пока не начнется движение гидродвигателя, т. е. не установится величина давления на выходе LS канала, а соответственно и величина сигнала на выходе датчика давления 10. При этом насос устанавливает такую подачу, которая поддерживает установленную разность давлений между выходами насоса 5 и LS канала 9. При повышении допустимого давления на гидродвигатель звено ограничения 12 ограничивает величину выходного сигнала датчика давления 10, при этом в системе устанавливается давление, не превышающее давление срабатывания предохранительного клапана (на фиг. 1 не показан), что экономит энергию и уменьшает разогрев рабочей жидкости в гидросистеме при превышении нагрузки. При необходимости ограничения нагрузки в отдельных приводах системы звено ограничения 12 может быть построено с регулируемой величиной ограничения по сигналу, подаваемому на управление конкретной распределительной секции. В этом случае отпадает необходимость установки разгрузочного LS клапана в конкретной секции, что упрощает ее конструкцию и стоимость.

Электрогидравлическая система управления по второму варианту (фиг. 2) отличается от описанной выше тем, что в нее дополнительно введены многосекционный распределитель 14, выполненный без LS канала, а в функциональный блок управления введены коммутатор 15 с нормально замкнутым контактом, звено с переменным коэффициентом передачи 16 и элемент "ИЛИ" 17, причем выход звена ограничения 12 подключен ко входу коммутатора 15, а выход коммутатора соединен с вторым входом сумматора 11, вход звена с переменным коэффициентом передачи 16 подключен к выходу задающего элемента 13, а выход - к третьему входу сумматора 11, входы элемента "ИЛИ" 17 подключены к соответствующим выходам кнопочных переключателей блока 3, а выход соединен с управляющими входами коммутатора 15 и звена с переменным коэффициентом передачи 16.

Электрогидравлическая система управления в этом случае работает следующим образом. При отсутствии сигнала от блока кнопочных переключателей 3, т. е. при замкнутых контактах коммутатора 15 и единичном коэффициенте передачи звена 16, система управления аналогична системе, приведенной на фиг. 1, и работает в режиме, чувствительном к нагрузке. При задании управления от блока кнопочных переключателей 3, одного или нескольких, управляющий сигнал подается на соответствующие распределительные секции с дискретным управлением распределителя 14 и одновременно на вход (входы) элемента "ИЛИ" 17; на выходе элемента "ИЛИ" формируется сигнал, поступающий на управляющие входы коммутатора 15 (при этом разрывается связь с LS каналом в системе) и звена с переменным коэффициентом передачи 16 (при этом сигнал на выходе звена 16 увеличивает свое значение, что приводит к увеличению давления на выходе насоса до номинального), и система начинает работать в режиме поддержания номинального давления. В этом случае и работа распределительных секций с пропорциональным управлением осуществляется в режиме поддержания номинального давления в системе.

Таким образом, электрогидравлическая система управления, изображенная на фиг. 2, обеспечивает работу в режиме, чувствительном к нагрузке, и в режиме поддержания номинального давления в системе, причем при отсутствии управляющих сигналов она находится в режиме разгрузки, т.е. обеспечивает минимальные энергетические потери.

На фиг. 3 приведен пример реализации функционального блока управления системы, изображенной на фиг. 2. Сумматор 11 выполнен на операционном усилителе ДА1 и резисторах R1, R2, R3, R4, R5, звено ограничения 12 выполнено на резисторе R6 и стабилитроне Д1, звено с переменным коэффициентом передачи 16 - на резисторах R7, R8 и ключе ДА2.1, коммутатор 15 на ключе ДА2.2, элемент "ИЛИ" выполнен на диодах Д2, Д3 и резисторе R9.

Напряжение стабилизации стабилитрона Д1 определяет величину ограничения сигнала датчика давления 10. При отсутствии сигналов от пульта 3 ключи ДА2.1, - ДА2.2 замкнуты. Сигналы от датчиков давления 8,10 и задающего элемента 13 через делитель, выполненный на резисторах R7 и R8, суммируется на операционном усилителе ДА1, а с его выхода поступают на вход электрогидравлического регулятора 6. При поступлении сигналов от пульта 3 ключи ДА2.1 и ДА2.2 размыкаются, при этом размыкается цепь делителя R7, R8 и отключается датчик давления 10.

Опытный образец электрогидравлической системы управления манипулятором и технологическим оборудованием изготовлен ОАО "СКБ ПА" и установлен на лесозаготовительную машину МЛ-107 (КМЗ, г. Курган). Машина прошла ряд испытаний. Результаты испытаний положительные.

Источники информации
1. Экскаватор ЭО 4225А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Внешторгиздат, изд. N 5П, 1995.

2. Каталог фирмы "Danfoss" "Не зависящий от нагрузки пропорциональный распределитель типа PVG120". Danfoss 11/91, стр. 6.

3. Лесопромышленный трактор ТБ-1М-16. ОАО "ОТЗ", Петрозаводск, 1998 г.

4. В. Г. Гусев, Ю.М. Гусев. "Электроника". Москва, "Высшая школа", 1991 г.

5. А. В. Колчин. "Датчики средств диагностирования машин". Москва, "Машиностроение", 1984 г.

6. Т.М. Башта. "Машиностроительная гидравлика". Москва, "Машиностроение", 1971 г.

Изобретение предназначено для управления технологическим оборудованием машиностроительной гидравлики. Система управления содержит насос переменной производительности, один или несколько многосекционных распределителей с каналом LS, пульт управления, выходы которого подключены к управляющим входам соответствующих распределительных секций, выход насоса соединен с напорными магистралями распределителей, а всасывающая полость насоса и сливные магистрали распределителей соединены с баком, дополнительно введены электрогидравлический регулятор насоса, датчик давления насоса, датчик давления канала LS и функциональный блок управления, состоящий из суммирующего усилителя, звена ограничения и задающего элемента, причем выход датчика давления насоса подключен к первому инвертирующему входу сумматора, выход датчика давления канала LS через звено ограничения подключен к второму неинвертирующему входу сумматора, выход задающего элемента подключен к третьему неинвертирующему входу сумматора, а выход сумматора подключен к управляющему входу регулятора насоса. Технический результат - расширение функциональных возможностей системы управления, а именно обеспечение ее работы в режиме, чувствительном к нагрузке, режиме поддержания давления и в режиме объемного регулирования. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Электрогидравлическая система управления, содержащая насос переменной производительности, один или несколько многосекционных распределителей с LS каналом, пульт управления, выходы которого подключены к управляющим входам соответствующих распределительных секций, выход насоса соединен с напорными магистралями многосекционных распределителей, а всасывающая полость насоса и сливные магистрали многосекционных распределителей соединены с баком, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены электрогидравлический регулятор насоса, датчик давления насоса, датчик давления LS канала и функциональный блок управления, содержащий сумматор, звено ограничения и задающий элемент, причем выход датчика давления насоса подключен к первому инвертирующему входу сумматора, выход датчика давления LS канала через звено ограничения подключен к второму неинвертирующему входу сумматора, выход задающего элемента подключен к третьему неинвертирующему входу сумматора, а выход сумматора подключен к управляющему входу электрогидравлического регулятора насоса. 2. Электрогидравлическая система управления, содержащая насос переменной производительности, один или несколько многосекционных распределителей с LS каналом, пульт управления, выходы которого подключены к управляющим входам соответствующих распределительных секций, выход насоса соединен с напорными магистралями многосекционных распределителей, а всасывающая полость насоса и сливные магистрали многосекционных распределителей соединены с баком, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены один или несколько многосекционных распределителей без LS канала, электрогидравлический регулятор насоса, датчик давления насоса, датчик давления LS канала и функциональный блок управления, содержащий сумматор, звено ограничения, задающий элемент, коммутатор, элемент ИЛИ и звено с переменным коэффициентом передачи, причем выход датчика давления насоса подключен к первому инвертирующему входу сумматора, выход датчика давления LS канала через последовательно соединенные звено ограничения и коммутатор подключен к второму неинвертирующему входу сумматора, выход задающего элемента через звено с переменным коэффициентом передачи подключен к третьему неинвертирующему входу сумматора, а выход сумматора подключен к управляющему входу электрогидравлического регулятора насоса, входы элемента ИЛИ подключены к выходам пульта управления, соединенным с управляющими входами соответствующих распределительных секций вновь введенного одного или нескольких распределителей, а выход элемента ИЛИ подключен к управляющим входам коммутатора и звена с переменным коэффициентом передачи.