ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СТРУЙНОГО ТИПА Российский патент 2001 года по МПК F15B3/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в системах гидроавтоматики в качестве гидрораспределительного устройства и регулятора давления.

Известен гидравлический усилитель мощности струйного типа, содержащий подвижный струйный элемент, на выходе которого имеется сопло, выполненное в виде конфузора с цилиндрическим выходным участком, и плату с двумя приемными каналами (cм. Гамынин Н.С. Основы следящего гидравлического привода. - М.: Государственное научно-техническое издательство, 1962, с. 123-124, фиг. 5.2).

Недостатком известной конструкции является возникновение колебаний подвижного струйного элемента при некоторых сочетаниях конструктивных параметров усилителя и давления питания, приводящее к снижению динамических и энергетических характеристик усилителя и неустойчивым режимам работы усилителя и всей системы в целом.

Возникновение колебаний струйного элемента обусловлено, в частности, влиянием обратных потоков системы струйный элемент - плата на подвижный струйный элемент.

При нейтральном положении струйного элемента поток жидкости симметрично распределяется в приемные каналы платы. В некотором сечении приемных каналов, где струя сужается, кинетическая энергия потока достигает максимального значения. Из-за возникающего перепада давления между рабочими полостями гидравлического цилиндра, соединенными с приемными каналами, и полостью слива - в области течения струи возникают обратные потоки. Взаимодействие прямого и обратных потоков жидкости вызывает образование зон кавитации и вихреобразования. При нейтральном положении струйного элемента энергии вытекающих потоков равны. При смещении струйного элемента относительно нейтрали приемных каналов платы происходит перераспределение энергии в приемных каналах, приводящее к перемещению ведомого звена гидравлического цилиндра. В соответствии с этим перераспределением происходит изменение поля давлений в области течения обратных потоков и возникает перепад давлений на поверхности подвижного струйного элемента.

Таким образом, гидродинамические силы в паре струйный элемент - плата, создаваемые реакцией обратных струй, приводят к возникновению колебаний струйного элемента, что оказывает существенное влияние на снижение динамической устойчивости усилителя мощности струйного типа. При определенных условиях колебания струйного элемента переходят в автоколебания, что приводит к выходу всей системы из строя. Для управления перемещением колеблющегося струйного элемента относительно приемных каналов требуется увеличение момента на приводном двигателе и, соответственно, увеличение сигнала управления. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления мощности и снижению выходной мощности усилителя.

Кроме того, данный гидравлический усилитель мощности струйного типа предназначен для работы с исполнительным гидравлическим цилиндром двухстороннего действия и не приспособлен для управления гидравлическим цилиндром одностороннего действия в качестве регулятора давления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является принятый в качестве прототипа гидравлический усилитель мощности струйного типа, содержащий смонтированные в корпусе подвижный струйный элемент, плату с двумя приемными каналами, дополнительную сливную полость обратных потоков, сообщенную со сливной полостью корпуса. Сливная полость обратных потоков расположена между подвижным струйным элементом и платой с приемными каналами. Диаметры входных отверстий платы больше диаметра выходного отверстия струйного элемента. На плате установлены два отражателя, образующих трапециевидную щель, меньшее основание которой не превышает диаметра выходного отверстия струйного элемента и обращено к плате, на поверхности отражателей со стороны струйного элемента установлена жесткая диафрагма с прямоугольным отверстием, большая ось которого находится в направлении перемещения трубки, а сливная полость обратных потоков образована поверхностями платы, отражателей и диафрагмы.

Плата состоит из двух частей, между которыми расположен плоский разделитель, в каждой из частей платы расположен соответствующий приемный канал, выполненный в виде сопряженных между собой и последовательно расположенных конфузорного, цилиндрического и диффузорного участков, а расстояние между точками пересечения осей приемных каналов и поверхностью платы меньше диаметра выходного отверстия струйного элемента (cм. А.с. 1441085 СССР, МКИ4 F 15 В 3/00. Струйный гидроусилитель / Заявл. 24.12.86, опубл. 30.11.88).

Преимуществом известного усилителя мощности является его более высокая гидродинамическая устойчивость, обусловленная тем, что обратные потоки, образующиеся при взаимодействии управляющей струи с приемными каналами, частично отражаются поверхностью жесткой диафрагмы и перетекают из дополнительной сливной полости в сливную полость корпуса.

Уменьшение обратных потоков, воздействующих на подвижную струйную трубку, повышает динамическую устойчивость гидравлического усилителя и коэффициент усиления мощности.

Однако при увеличении давления питания увеличивается интенсивность течения обратных потоков в приемных каналах платы и при некоторых условиях обратные потоки устремляются из дополнительной сливной полости через отверстие в жесткой диафрагме и воздействуют непосредственно на подвижный струйный элемент, что увеличивает момент, создаваемый гидродинамическими силами на струйном элементе, и приводит к возникновению колебаний подвижного струйного элемента, а это снижает гидродинамическую устойчивость системы и уменьшает коэффициент усиления мощности.

Вибрация, вызванная гидродинамическим воздействием обратных потоков на наружную поверхность подвижного струйного элемента при его смещении относительно нейтрали приемных каналов, приводит при определенных условиях к высокочастотным автоколебаниям струйного элемента и неустойчивым режимам работы системы в целом.

Недостатком известного гидравлического усилителя мощности является также то, что для попадания в приемные каналы платы управляющая струя жидкости должна преодолеть значительное расстояние, складывающееся из величины зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента и плоскостью диафрагмы с входным отверстием и промежутка дополнительной сливной полости обратных потоков. В процессе этого происходит рассеивание струи и увеличение потерь энергии струи, что в конечном итоге приводит к уменьшению максимальных энергетических характеристик усилителя (давления и расхода), снижению КПД и коэффициента усиления мощности. Кроме этого, возрастает влияние обратных потоков, которые в этой области не разделены, на управляющий (прямой) поток.

Кроме того, известный усилитель мощности предназначен для работы с исполнительным гидравлическим цилиндром двухстороннего действия и не может быть использован как регулятор давления для управления гидравлическим цилиндром одностороннего действия.

При работе данного усилителя неизбежным является износ фронтальной поверхности платы в зоне тонкой перемычки между входными отверстиями приемных каналов, обусловленный воздействием на нее управляющей струи жидкости при смещении струйного элемента относительно нейтрали приемных каналов. Износ перемычки приводит, в свою очередь, к резкому расширению входных участков каналов первой части платы и к уменьшению сопротивления движению управляющей струи. Как следствие, на входе управляющей струи в конфузорные входные участки приемных каналов платы наблюдаются значительные гидравлические потери энергии струи. Расширение каналов но ходу движения обратных потоков способствует в то же время уменьшению сопротивления движению обратных потоков, а это приводит, в свою очередь, к увеличению обратных потоков и уменьшению максимально допустимых давлений, которые можно создавать в полости исполнительного гидравлического цилиндра. В результате увеличения давления обратных потоков в приемных каналах платы при некоторых условиях обратные потоки устремляются из дополнительной сливной полости через приемные каналы первой части платы и воздействуют непосредственно на подвижный струйный элемент, а это способствует увеличению износа струйного элемента.

Технической задачей изобретения является создание гидравлическою усилителя мощности струйного типа, обеспечивающего управление исполнительным гидравлическим цилиндром одностороннего действия при одновременном повышении энергетических характеристик (давления, расхода, КПД, коэффициента усиления мощности), путем уменьшения потерь энергии управляющей струи жидкости и повышение гидродинамической устойчивости усилителя за счет уменьшения воздействия на подвижный струйный элемент обратных потоков.

Технической задачей изобретения является также повышение ресурса усилителя за счет уменьшения износа фронтальной поверхности платы.

Технической задачей изобретения является, кроме того, повышение ресурса усилителя за счет уменьшения износа струйной трубки.

Для достижения поставленной задачи в известном гидравлическом усилителе мощности струйного типа, содержащем установленные в корпусе подвижный струйный элемент, распределительную плату с двумя приемными каналами, дополнительную сливную полость обратных потоков, сообщенную со сливной полостью корпуса, согласно изобретению один из приемных каналов платы заглушен по отношению к рабочей камере исполнительного цилиндра, при этом плата выполнена в виде двух частей с соосно расположенными приемными каналами, а дополнительная сливная полость размещена в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями платы.

В частных случаях исполнения изобретение характеризуется следующими признаками.

Согласно изобретению один из приемных каналов платы заглушен на выходе из корпуса усилителя и сообщен посредством обводного капала со сливной полостью корпуса усилителя.

Согласно изобретению один из приемных каналов платы заглушен в первой части платы по ходу движения потока.

Согласно изобретению один из приемных соосных каналов платы заглушен в первой части платы по ходу движения потока и на выходе из корпуса усилителя.

Согласно изобретению один из приемных соосных каналов платы заглушен в первой и во второй частях платы.

Согласно изобретению на фронтальной поверхности первой части платы в области расположения предполагаемого входного отверстия заглушенного приемного канала выполнен профилированный скос в направлении от центра к периферии.

Согласно изобретению один из приемных каналов платы заглушен на выходе из корпуса усилителя посредством переходной плиты, при этом плита выполнена с выходным рабочим отверстием, сообщенным с рабочим приемным каналом платы, и установлена с возможностью поворота вокруг центральной оси распределительной платы на 180^o.

Согласно изобретению один из приемных каналов платы заглушен, а рабочий приемный канал платы открыт посредством двухходового крана запорного типа, установленного на выходе из приемных каналов платы в корпусе усилителя.

Выполнение одного из приемных каналов платы заглушенным по отношению к рабочей камере исполнительного цилиндра позволяет использовать усилитель мощности как регулятор давления для управления гидравлическим цилиндром одностороннего действия, например в гидравлической системе регулирования профиля полосы в рабочей клети прокатного стана.

Выполнение платы в виде двух частей с соосно расположенными приемными каналами позволяет разместить дополнительную сливную полость в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями платы, а это, в свою очередь, дает возможность сократить расстояние между выходным отверстием подвижного струйного элемента и поверхностью первой части платы по ходу движения потока до оптимальной величины, за счет чего уменьшается рассеивание управляющей струи на этом участке движения и снижаются энергетические потери.

Таким образом, за счет уменьшения потерь энергии управляющей струи жидкости в системе струйный элемент - плата обеспечивается повышение энергетических характеристик гидравлического усилителя мощности и одновременно достигается повышение гидродинамической устойчивости благодаря уменьшению воздействия обратных потоков на подвижный струйный элемент, что приводит к уменьшению сигнала управления, повышению коэффициента усиления мощности и выходной мощности усилителя.

Преимущественным является выполнение одного из приемных каналов платы заглушенным на выходе из корпуса усилителя и сообщенным посредством обводного канала со сливной полостью корпуса усилителя. Такое исполнение по сравнению с другими вариантами обеспечивает плавность силовой характеристики усилителя в районе нулевого положения трубки. Сглаживание силовой характеристики вызвано тем, что отведение потока жидкости из приемного канала, не соединенного с рабочей полостью исполнительного гидравлического цилиндра, в сливную полость через обводной канал уменьшает образование обратных потоков и, следовательно, уменьшает их влияние на рабочий поток в зоне дополнительной сливной полости, что сохраняет устойчивость рабочего потока, обеспечивает плавное изменение давления в рабочей полости исполнительного цилиндра и сглаживает силовую характеристику усилителя мощности.

Выполнение одного из приемных каналов платы заглушенным в первой части платы по ходу движения потока исключает наличие тонкой перемычки на фронтальной поверхности первой части платы, за счет чего обеспечивается уменьшение износа фронтальной поверхности струей жидкости и повышается ресурс усилителя.

Однако в этом случае несколько интенсивнее изнашивается подвижный струйный элемент под воздействием отраженных от сплошной поверхности платы потоков. Кроме того, такое исполнение увеличивает влияние обратных потоков, вытекающих из канала второй части платы, на рабочий поток в дополнительной сливной полости. В итоге несколько ухудшается статическая характеристика усилителя - в характеристике усилителя появляется полочка в области нулевых токов управления.

Выполнение одного из приемных соосных каналов платы заглушенным в первой части платы по ходу движения потока и на выходе из корпуса усилителя, как и выполнение этого же канала заглушенным в первой и во второй частях платы приводит к тому, что в первом случае уменьшается, а во втором случае исключается вообще воздействие на подвижный струйный элемент обратных потоков со стороны заглушенного канала. Потоки же, отраженные от фронтальной поверхности платы, оказывают на струйный элемент меньшее разрушающее воздействие по сравнению с хорошо сформированными обратными потоками. Это приводит к повышению ресурса усилителя.

Выполнение профилированного скоса на фронтальной поверхности первой части платы в направлении от центра к периферии при заглушенном приемном канале первой части платы уменьшает влияние отраженных потоков на подвижный струйный элемент, так как способствует их отведению в сторону от центра. В результате уменьшается износ струйного элемента.

Выполнение одного из приемных каналов платы заглушенным на выходе из корпуса усилителя посредством переходной плиты, выполненной с выходным рабочим отверстием, сообщенным с рабочим приемным каналом платы, и установленной с возможностью поворота вокруг центральной оси распределительной платы на 180^o, позволяет поочередно подсоединять либо один, либо другой канал к рабочей полости исполнительного гидравлического цилиндра в зависимости от износа подвижного струйного элемента под воздействием обратных потоков жидкости со стороны неподсоединенного канала. Это уменьшает износ струйного элемента по крайней мере в два раза и увеличивает ресурс усилителя.

Выполнение одного из приемных каналов платы заглушенным, а рабочего приемного канала платы открытым посредством установленного на выходе из приемных каналов платы в корпусе усилителя двухходового крана запорного типа решает аналогичную задачу, что упрощает переключение каналов по сравнению с переходной плитой, но сложнее конструктивно.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема гидравлического усилителя мощности струйного типа, в котором один из приемных каналов платы заглушен на выходе из корпуса усилителя и сообщен посредством обводного канала со сливной полостью корпуса усилителя.

Гидравлический усилитель мощности струйного типа содержит установленные в корпусе 1 подвижный струйный элемент 2, распределительную плату, выполненную в виде двух частей 3 и 4, размещенных по ходу движения потока, с соосно расположенными приемными каналами 5, 6 и 7, 8, дополнительную сливную полость 9 обратных потоков, размещенную в промежутке между первой 3 по ходу движения потока и второй 4 частями платы и сообщенную со сливной полостью 10 корпуса 1 каналами 11, 12. Один из приемных каналов платы, например канал 8, заглушен на выходе из корпуса 1 усилителя по отношению к рабочей камере исполнительного цилиндра (на чертеже не показан) и сообщен посредством обводного канала 13 со сливной полостью 10 корпуса 1 усилителя. Приемные каналы 5, 6 первой части 3 платы выполнены с постоянным сечением - цилиндрическими. Приемные каналы 7, 8 второй части 4 платы имеют диффузорные выходные участки и входные участки с постоянным сечением, в частности цилиндрические.

В других вариантах исполнения один из приемных каналов платы заглушен либо в первой части 3 платы по ходу движения потока, либо - в первой части 3 платы по ходу движения потока и на выходе из корпуса 1 усилителя, либо - в первой 3 и во второй 4 частях платы (варианты исполнения на чертеже не показаны). На фронтальной поверхности первой части 3 платы в области расположения предполагаемого входного отверстия заглушенного приемного канала может быть выполнен профилированный скос (на чертеже не показан) в направлении от центра к периферии.

Для увеличения ресурса усилителя за счет уменьшения износа струйной трубки один из приемных каналов платы может быть заглушен на выходе из корпуса усилителя посредством переходной плиты с одним выходным рабочим каналом (на чертеже не показано), установленной с возможностью поворота вокруг центральной оси распределительной платы на 180^o, либо приемные каналы могут быть снабжены двухходовым краном запорного типа (на чертеже не показано), установленным на выходе из приемных каналов в корпусе усилителя.

Гидравлический усилитель мощности струйного типа работает следующим образом.

При подаче давления питания в подвижный струйный элемент 2 энергия статического давления жидкости на входе преобразуется в кинетическую энергию высокоскоростной струи компактной формы на выходе. Часть статического давления жидкости тратится на преодоление сопротивления при течении внутри струйного элемента 2. Струйный элемент 2 совершает при этом возвратно-вращательное перемещение от приводного двигателя (на чертеже не показан) относительно плоскости первой части 3 платы с приемными каналами 5, 6, расположенными напротив выходного отверстия струйного элемента 2.

На поверхности первой части 3 платы струя разделяется на две части, величина которых зависит от величины смещения струйного элемента 2 относительно оси, и попадает в цилиндрические приемные каналы 5, 6, в каждом из которых происходит выравнивание скоростей распределившейся на две части струи по сечению и формируется компактная дальнобойная струя, что позволяет уменьшить потери энергии. Затем разделившиеся струи с минимальными потерями энергии преодолевают пространство дополнительной сливной полости 9 в промежутке между первой 3 по ходу движения потока и второй 4 частями платы и попадают в приемные каналы 7, 8 второй части 4 платы, цилиндрические входные участки которых способствует сохранению энергии струи, формируя дальнобойную компактную струю, и уменьшают тем самым дальнейшие потери в диффузорных участках, связанные с вихреобразованием.

Перераспределение энергии в приемных каналах 5, 6 и соосных им каналах 7, 8 соответственно (в которых кинетическая энергия жидкости снова преобразуется в потенциальную) приводит к перемещению ведомого звена гидравлического цилиндра (на чертеже не показано), рабочая полость которого соединена с соответствующими им приемными соосными каналами 5, 7 гидравлического усилителя мощности. Канал 8 при этом заглушен на выходе из корпуса 1 усилителя по отношению к рабочей камере исполнительного цилиндра (на чертеже не показан) и сообщен посредством обводного канала 13 со сливной полостью 10 корпуса 1 усилителя.

При взаимодействии управляющей струи с приемными каналами 5, 6 и 7, 8 образуются обратные потоки. Уменьшению обратных потоков в канале 8 в направлении к струйному элементу 2 и даже их исключению вообще способствует то, что канал 8 не сообщается с рабочей камерой исполнительного цилиндра, а напрямую соединен посредством обводного канала 13 со сливной полостью 10 корпуса 1 усилителя.

В случае, когда один из приемных каналов платы, например канал 6, заглушен в первой части 3 платы по ходу движения потока, на поверхности первой части 3 платы часть струи, величина которой зависит от величины смещения струйного элемента 2 относительно оси, и попадает в цилиндрический приемный каналы 5, в котором происходит выравнивание скоростей струи по сечению и формируется компактная дальнобойная струя, что позволяет уменьшить потери энергии. Затем струя с минимальными потерями энергии преодолевают пространство дополнительной сливной полости 9 в промежутке между первой 3 по ходу движения потока и второй 4 частями платы и попадают в соосный каналу 5 приемный каналы 7 второй части 4 платы, цилиндрические входные участки которых способствует сохранению энергии струи, формируя дальнобойную компактную струю, и уменьшают тем самым дальнейшие потери в диффузорных участках, связанные с вихреобразованием.

В данном случае исключается наличие тонкой перемычки на фронтальной поверхности первой части 3 платы, за счет чего обеспечивается уменьшение износа фронтальной поверхности платы струей жидкости и повышается ресурс усилителя.

Однако в этом случае несколько интенсивнее изнашивается подвижный струйный элемент 2 под воздействием отраженных от сплошной поверхности платы потоков. Кроме того, такое исполнение увеличивает влияние обратных потоков, вытекающих из канала второй части 4 платы, на рабочий поток в дополнительной сливной полости. В итоге несколько ухудшается статическая характеристика усилителя - в характеристике усилителя появляется полочка в области нулевых токов управления.

Выполнение одного из приемных соосных каналов платы, например канала 6, 8, заглушенным в первой части 3 платы по ходу движения потока и на выходе из корпуса 1 усилителя, как и выполнение этого же канала заглушенным в первой и во второй частях платы, приводит к тому, что в первом случае уменьшается, а во втором случае исключается вообще воздействие на подвижный струйный элемент 2 обратных потоков со стороны заглушенного канала. Потоки же, отраженные от фронтальной поверхности платы, оказывают на струйный элемент 2 меньшее разрушающее воздействие по сравнению с хорошо сформированными обратными потоками. Это приводит к повышению ресурса усилителя.

В результате исключается разрушающее воздействие обратных потоков в зоне между распределительной платой и подвижным струйным элементом 2.

Таким образом, изобретение обеспечивает управление исполнительным гидравлическим цилиндром одностороннего действия при повышении ресурса усилителя за счет уменьшения износа струйной трубки в одних вариантах исполнения и за счет уменьшения износа фронтальной поверхности платы в других вариантах исполнения. Одновременно достигается повышение энергетических характеристик (давления, расхода, КПД, коэффициента усиления мощности) путем уменьшения потерь энергии управляющей струи жидкости и повышение гидродинамической устойчивости усилителя за счет уменьшения воздействия на подвижный струйный элемент обратных потоков.

Усилитель предназначен для систем гидроавтоматики в качестве гидрораспределительного устройства и регулятора давления. Усилитель мощности струйного типа содержит установленные в корпусе подвижный струйный элемент, распределительную плату, выполненную в виде двух частей, размещенных по ходу движения потока, с соосно расположенными приемными каналами, дополнительную сливную полость обратных потоков, размещенную в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями платы и сообщенную со сливной полостью корпуса каналами. Один из приемных каналов платы, например, канал заглушен на выходе из корпуса усилителя по отношению к рабочей камере исполнительного цилиндра и сообщен посредством обводного канала со сливной полостью корпуса усилителя. Один из приемных каналов платы может быть заглушен в следующих вариантах исполнения: в первой части платы по ходу движения потока, в первой части платы по ходу движения потока и на выходе из корпуса усилителя, в первой и во второй частях платы, на выходе из канала посредством переходной плиты, или перекрыт посредством крана. Результат: повышение ресурса усилителя. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидравлический усилитель мощности струйного типа, содержащий установленные в корпусе подвижный струйный элемент, распределительную плату с двумя приемными каналами, дополнительную сливную полость обратных потоков, сообщенную со сливной полостью корпуса, отличающийся тем, что один из приемных каналов платы заглушен по отношению к рабочей камере исполнительного цилиндра, при этом плата выполнена в виде двух частей с соосно расположенными приемными каналами, а дополнительная сливная полость размещена в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями платы. 2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что один из приемных каналов платы заглушен на выходе из корпуса усилителя и сообщен посредством обводного канала со сливной полостью корпуса усилителя. 3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что один из приемных каналов платы заглушен в первой части платы по ходу движения потока. 4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что один из приемных соосных каналов платы заглушен в первой части платы по ходу движения потока и на выходе из корпуса усилителя. 5. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что один из приемных соосных каналов платы заглушен в первой и во второй частях платы. 6. Усилитель по одному из пп.3 - 5, отличающийся тем, что на фронтальной поверхности первой части платы в области расположения предполагаемого входного отверстия заглушенного приемного канала выполнен профилированный скос в направлении от центра к периферии. 7. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что один из приемных каналов платы заглушен на выходе из корпуса усилителя посредством переходной плиты, при этом плита выполнена с выходным рабочим отверстием, сообщенным с рабочим приемным каналом платы, и установлена с возможностью поворота вокруг центральной оси распределительной платы на 180°. 8. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что один из приемных каналов платы заглушен, а рабочий приемный канал платы открыт посредством двухходового крана запорного типа, установленного на выходе из приемных каналов платы в корпусе усилителя.