РЕЗЕРВИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД Российский патент 2002 года по МПК F15B9/03 

Изобретение относится к области гидромеханики, в частности к резервированным электрогидроприводам для систем автоматического управления летательными аппаратами, объектами водного и наземного транспорта, строительно-дорожными машинами и другими подобными транспортными средствами, особенно такими, где к системе управления предъявляются требования повышенной надежности и долговечности при обеспечении минимально возможного веса.

Известен двухканальный гидромеханический привод, содержащий двухкамерный гидроцилиндр и гидравлическое распределительное устройство с двумя жестко соединенными золотниками (книга: Н.С.Гамынин. Гидравлический привод систем управления. М. Машиностроение, 1972, рис.9.4, с.307), обеспечивающий синхронную работу каналов. Недостатком данного привода является не обеспечение работоспособности при заклинивании одного (любого) из золотников, т.е. его пониженная надежность.

Известен также резервированный электрогидравлический следящий привод с жестко соединенными выходными звеньями и с "непроточными" золотниками электрогидравлических усилителей в его рабочих каналах с коррекцией межканальных рассогласований и зоной нечувствительности в корректирующих устройствах (книга: Проектирование следящих гидравлических приводов летательных аппаратов. Под ред. Н.С. Гамынина. М. Машиностроение, 1981, рис.3.15, с. 169-173). Наличие в этом приводе устройств межканальной коррекции обеспечивает компенсацию рассогласований входных сигналов в каналах с крайними значениями их величин в зависимости от взаимонагружения в виде перепада давлений в полостях гидроцилиндров. Недостаток данной конструкции - необходимость функциональной избыточности в приводе и ограниченность его функциональных возможностей из-за неизбежного взаимного нагружения рабочих каналов. Последний недостаток определяет назначение такого привода, прежде всего, как вспомогательного, т.е. предназначенного для управления основным силовым приводом, например, для управления сдвоенным золотником вышеуказанного двухканального гидромеханического привода. Кроме этого, взаимонагружение рабочих каналов существенно снижает долговечность резервированного электрогидравлического привода и ухудшает его массово-габаритные характеристики.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого резервированного привода является резервированный электрогидравлический привод (см. патент России 2092388 С1 15.06.1993), содержащий двухкамерный гидроцилиндр и два электрогидравлических канала управления с электрогидравлическим усилителем в каждом канале, электромагнитным клапаном включения и клапаном кольцевания рабочих полостей гидроцилиндра с управляющей камерой и плунжером в ней, причем каждая управляющая подплунжерная камера связана гидравлически с выходом электромагнитного клапана соседнего канала.

Недостатками прототипа являются:
- несинхронность в работе двух каналов этого привода и, как следствие, дополнительное взаимонагружение камер гидроцилиндра, что практически всегда имеет место из-за влияния нестабильных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, и, в частности, из-за ошибок и неточностей регулировки входных цепей управления приводом,
- отсутствие в нем корректирующих устройств, синхронизирующих совместную работу каналов, снижающих их взаимонагружение и повышающих эксплуатационные характеристики привода, в том числе надежность и долговечность,
- завышенные массово-габаритные характеристики резервированного привода при несинхронности в работе каналов.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание высоконадежного, долговечного резервированного электрогидравлического привода с улучшенными эксплуатационными и массово-габаритными характеристиками.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый резервированный электрогидравлический привод, содержащий связанные гидролиниями двухкамерный гидроцилиндр и электрогидравлические каналы управления, каждый из которых содержит двухкаскадный электрогидравлический усилитель типа "сопло-заслонка", соединенный электрически с управляющим входом канала, с золотниковым гидрораспределителем с рабочими окнами и подторцевыми камерами, соединенным с электрическим датчиком обратной связи, а также электромагнитный клапан включения и клапан кольцевания рабочих полостей камеры гидроцилиндра, взаимосвязанный с клапаном кольцевания и электромагнитным клапаном соседнего канала управления, снабжен золотником в каждом гидрораспределителе, выполненным семилинейным, с тремя проточками и четырьмя буртами, в котором подающая гидролиния через клапан кольцевания подведена к правому среднему бурту и одновременно через постоянные дроссели к его подторцевым камерам управления и соплам, а линии слива к правому крайнему бурту и левому среднему бурту, полости камеры гидроцилиндра подведены соответственно к правой крайней и средней проточке, к левому среднему и левому крайнему буртам и соединены между собой через окна, образованные отрицательными перекрытиями по буртам, и левую крайнюю проточку, причем величина каждого из отрицательных перекрытий равна 1,5 - 2-кратной приведенной величине возможной разности сигналов на управляющих входах каждого из электрогидравлических каналов.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена схема резервированного электрогидравлического привода, на которой один из каналов представлен подробной схемой, а у второго (идентичного) канала электрогидравлический усилитель изображен в виде контура с входом и выходами;
- на фиг.2 представлена блок-схема двухконтурного управления резервированным электрогидравлическим приводом.

Резервированный электрогидравлический привод (фиг.1) содержит двухкамерный гидроцилиндр 1 с блоком датчиков обратной связи 2 и соединенные с подающей гидролинией 3 и линией слива 4 два электрогидравлических канала управления 5, соединенные выходными гидролиниями 6 и 7 с рабочими полостями камер гидроцилиндра 1. В каждом из электрогидравлических каналов 5 содержится двухкаскадныи электрогидравлическии усилитель 8.

Первый каскад образуют дроссели 9, сопла 10 и электромеханический преобразователь с заслонкой 11, соединенный электрически с управляющим входом 12.

Гидрораспределитель 13 второго каскада электрогидроусилителя 8 снабжен цилиндрическим золотником 14 с тремя проточками и четырьмя буртами. В гидрораспределителе 13 образованы щели 15 и 16 при отрицательном перекрытии его рабочих окон буртами золотника 14, который связан с электрическим датчиком обратной связи 17. Подторцевые камеры 18 и 19 золотника 14 соединены гидролиниями 20 и 21 с первым каскадом электрогидроусилителя 8. Гидролинией 22 гидрораспределитель 13 соединен с линией слива 4. На гидравлических входах электрогидравлических каналов управления 5 содержатся взаимосвязанные клапаны кольцевания 23 рабочих полостей гидроцилиндра 1 и электромагнитные клапаны включения 24, повышающие надежность и отказобезопасность резервированного привода за счет обеспечения поканального режима работы либо стопорения выходного звена гидроцилиндра 1 путем гидравлической отсечки его рабочих полостей.

Рабочие полости каждой камеры гидроцилиндра 1 через клапан 23 подведены соответственно гидролиниями 25 и 7 к правой крайней проточке золотника 14, а гидролиниями 26 и 6 к средней проточке золотника 14.

Через щели 15 и 16 и левую крайнюю проточку золотника 14, гидролинии 6 и 7, 25 и 26 рабочие полости каждой камеры гидроцилиндра 1 соединены между собой. При этом величина каждого из отрицательных перекрытий, образующих щели 15 и 16, равна от 1,5 до 2-кратной приведенной величине возможной разности сигналов на управляющих входах 12 каждого из электрогидравлических каналов 5. Клапаны кольцевания 23 и электромагнитные клапаны 24 в каждом из каналов управления 5 соединены через фильтр 27 с линией подвода рабочей жидкости 3.

Для подтверждения возможности решения поставленной в заявке задачи в соответствии с условием промышленной применимости и получения указанного выше технического результата на фиг.2 приведена блок-схема двухконтурного управления предлагаемым резервированным электрогидравлическим приводом, содержащая усилители-формирователи сигналов управления (УС), усилители мощности (УМ), усилители межканальной коррекции (УК), электрогидроусилители (ЭГУ), двухкамерный гидроцилиндр (ГЦ) и датчики обратной связи (ДОС).

Предложенный резервированный электрогидравлический привод работает следующим образом (фиг.1, фиг.2).

При подаче электропитания в электромагнитные клапаны 24, датчики обратной связи 2, 17 и гидропитания в линии 3 и 4, усиленная в усилителях-формирователях УС разность входных сигналов U_вx1 (U_вх2) и сигналов обратной связи U_oc1 (U_oc2), составляющая сигнал управления U_y1 (U_y2), поступает в усилители мощности УМ и далее в виде сигналов I₁, I₂ в электрогидравлические усилители ЭГУ8.

Энергия потоков рабочей жидкости, подводимых и отводимых соответственно по гидролиниям 3 и 4, обеспечивает в зависимости от величины и полярности входных управляющих сигналов перемещение золотников 14 и выходного штока гидроцилиндра 1 в одну или другую сторону. При нулевых значениях U_вx золотники 14 и выходной шток гидроцилиндра 1 занимают среднее положение.

Возможная несинхронность в подаче входных сигналов U_вx1, U_вx2 или разбалансировка в цепях, связанных с управляющими входами 12, приводит к рассогласованию в положениях золотников 14 ЭГУ, при этом сигналы датчиков обратной связи 17 U'_oc1 и U'_oc2 поступают на входы усилителей межканальной коррекции УК в различной полярности, например, на вход УК своего канала в положительной полярности, а на вход соседнего канала в отрицательной.

Усиленная разность сигналов U_к1 и U_к2 с выходов усилителей УК подается соответственно на входы усилителей мощности УМ в обратной полярности по отношению к полярности сигналов управления U_y1, U_y2. В усилителях УМ формируется корректирующая составляющая к сигналам I₁, I₂, подаваемым на входы 12 электрогидравлических каналов 5 и в ЭГУ8, при этом обеспечивается "замедление" опережающего золотника 14 в одном из каналов 5 и одновременно в соседнем канале 5 для "отстающего" золотника 14 - дополнительное приращение по ходу.

Аналогичным образом, при опережающем страгивании из среднего положения одного любого из золотников 14 датчик 17, связанный с этим золотником, вырабатывает сигнал обратной связи, поступающий после соответствующего усиления также и на вход 12 соседнего электрогидравлического канала 5, как бы "подтягивая" его золотник 14 вслед за сместившимся золотником первого канала.

Устранение рассогласования золотников 14 ЭГУ снижает взаимонагружение камер двухкамерного гидроцилиндра 1 за счет выравнивания уровней давлений в его рабочих полостях, т.е. повышается надежность и долговечность электрогидравлического привода в целом. Однако вышеописанная схема электрической коррекции перемещений золотников ЭГУ в электрогидравлических каналах резервированного электрогидропривода, основанная на измерении разности положений золотников ЭГУ, не позволяет в полной мере решить эту проблему. При наличии у гидрораспределителей ЭГУ "крутой" силовой (перепадной) характеристики, что присуще известным резервированным электрогидроприводам, и при несинхронном страгивании из среднего положения, когда один из золотников первым начинает перемещение, открывая щели в гидрораспределителе, соединенные с рабочими полостями гидроцилиндра, в то время как полости другой камеры отсечены золотником ЭГУ соседнего канала, в них возникают разнонаправленные максимальные перепады давлений, т.е. взаимонагружение. При открытии аналогичных щелей в гидрораспределителе ЭГУ соседнего канала обе камеры гидроцилиндра начинают работать согласованно и их взаимонагружение резко снижается почти до полного исчезновения по мере дальнейшего открытия этих щелей золотниками ЭГУ. Перепады давлений в камерах гидроцилиндра 1 определяются величиной внешней нагрузки на выходном штоке двухкамерного гидроцилиндра 1 и уже не зависят от рассогласования каналов 5 резервированного привода.

Таким образом, при работе известного резервированного привода описанный процесс возникновения взаимонагружения его каналов многократно повторяется при каждой перекладке выходного штока гидроцилиндра, оказывая отрицательное влияние на циклическую и усталостную прочность, надежность и долговечность привода.

В предложенном резервированном электрогидроприводе для снижения взаимонагружения камер гидроцилиндра 1 при несинхронном страгивании золотников 14 ЭГУ в них гидрораспределители 13 выполнены семилинейными с тремя проточками и четырьмя буртами на золотниках 14, при этом отрицательные перекрытия по этим буртам образуют щели 15 и 16, которые через левую крайнюю проточку на золотнике 14 соединяют между собой рабочие полости каждой из камер гидроцилиндра 1, обеспечивая "пологую" силовую (перепадную) характеристику гидрораспределителей 13, причем величина каждого из отрицательных перекрытий равна 1,5 - 2-кратной приведенной величине возможной разности сигналов на управляющих входах 12 каждого из электрогидравлических каналов 5.

Величина отрицательного перекрытия по буртам золотника 14 может быть определена по формуле

где δ - величина отрицательного перекрытия, мм;
|ΔU| - возможная разность сигналов управления U_y1 и U_y2, В;
К₁ - коэффициент приведения выходного напряжения датчика обратной связи (ДОС) электрогидроусилителя (ЭГУ) ко входу усилителя мощности (УМ),
К₂ - коэффициент, зависящий от крутизны характеристики выходного напряжения датчика обратной связи (ДОС) электрогидроусилителя (ЭГУ),
Следовательно, величина отрицательных перекрытий δ полностью определяется величиной разности сигналов на управляющих входах электрогидравлических каналов, приведенных к ним через характеристики датчиков обратной связи золотников ЭГУ. При этом 1,5...2,0-кратный запас установлен экспериментальным путем исходя из реально возможной точности выполнения размеров δ, стабильности входных сигналов при обеспечении удовлетворительных показателей качества работы резервированного привода.

Таким образом, "закольцовка" рабочих полостей через щели 15 и 16, образованные отрицательными перекрытиями по буртам, и проточку на золотнике 14, в камере гидроцилиндра 1, управляемой от "опережающего" гидрораспределителя 13 ЭГУ, до момента начала работы второй камеры от "отстающего" гидрораспределителя 13 второго ЭГУ обеспечивает снижение величины взаимонагружения каналов резервированного электрогидравлического привода.

Момент начала работы "отстающего" гидрораспределителя 13 зависит от возможной разности сигналов на управляющих входах 12 каналов 5, на которую регулярно проверяется и подстраивается система управления резервированным электрогидроприводом.

Наряду со снижением взаимонагружения каналов в предложенном резервированном электрогидравлическом приводе возможно поглощение шумов, импульсных колебаний и других помех, связанных со случайными процессами в изменении входных управляющих сигналов, либо с частотой квантования этих сигналов при цифровом управлении приводом без проявления этих возмущений на выходном штоке гидроцилиндра 1.

Известно, что золотниковые гидрораспределители с отрицательными перекрытиями имеют повышенную утечку рабочей жидкости, что является неблагоприятным фактором с точки зрения потерь энергии и повышения нагрева при дросселировании жидкости.

Особенно этот недостаток нежелателен для гидроприводов, у которых значительную часть рабочего цикла составляет стоянка под рабочим давлением жидкости в нем и при среднем положении выходного штока.

В предложенном резервированном электрогидравлическом приводе рабочие полости гидроцилиндра 1, соединенные между собой через щели 15 и 16 и проточку на золотнике 14, одновременно подведены соответственно к двум проточкам золотника 14. При среднем положении золотника 14 в гидрораспределителе 13 рабочие полости гидроцилиндра 1 отсечены и только при смещении золотника 14 они соединяются соответственно с подающей гидролинией 3 и линией слива рабочей жидкости 4. Таким образом, уменьшается утечка рабочей жидкости при среднем положении золотника 14 в гидрораспределителе 13 и одновременно замедляется процесс нарастания перепада давлений в рабочих полостях гидроцилиндра 1, что способствует снижению взаимонагружения его камер из-за несинхронного страгивания золотников 14.

Заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", т. к. при анализе патентных материалов и литературы не обнаружено признаков, сходных с признаками, отличающими заявленное техническое решение от прототипа.

Исследовательские работы, проведенные с резервированными электрогидроприводами, выполненными в соответствии с предлагаемой схемой и эксплуатируемыми при рабочих давлениях до 280кгс/см² и выше, частотах изменения входных сигналов управления до 10Гц и выше, полностью подтвердили вышеназванные преимущества, что позволяет широко использовать их в любой отрасли машиностроения, связанной с гидроавтоматикой.

Резервированный электрогидравлический привод относится к области гидроавтоматики и может быть использован в качестве исполнительного механизма в системах автоматического управления различных машин, механизмов, транспортных средств. Привод содержит связанные между собой гидролиниями двухкамерный гидроцилиндр и два электрогидравлических канала управления, каждый из которых снабжен гидрораспределителем с золотником, выполненным семилинейным, при этом подающая гидролиния через клапан кольцевания подведена к правому среднему бурту и одновременно через постоянные дроссели к его подторцевым камерам управления и соплам, а линии слива - к правому крайнему бурту и левому среднему бурту, полости камеры гидроцилиндра подведены соответственно к правой крайней и средней проточкам, левому среднему и левому крайнему буртам и соединены между собой через окна, образованные отрицательными перекрытиями по буртам, и левую крайнюю проточку, причем величина каждого из отрицательных перекрытий равна 1,5 - 2-кратной приведенной величине возможной разности сигналов на управляющих входах каждого из электрогидравлических каналов. Технический результат - повышение надежности. 2 ил.

Резервированный электрогидравлический привод, содержащий связанные между собой гидролиниями двухкамерный гидроцилиндр и электрогидравлические каналы управления, каждый из которых содержит двухкаскадный электрогидравлический усилитель типа сопло - заслонка, соединенный электрически с управляющим входом канала, с золотниковым гидрораспределителем, снабженным рабочими окнами и подторцевыми камерами, соединенным с электрическим датчиком обратной связи, а также электромагнитный клапан включения и клапан кольцевания рабочих полостей камеры гидроцилиндра, взаимосвязанный с клапаном кольцевания и электромагнитным клапаном соседнего канала, отличающийся тем, что золотник каждого гидрораспределителя выполнен семилинейным, подающая гидролиния через клапан кольцевания подведена к правому среднему бурту и одновременно через постоянные дроссели к его подторцевым камерам управления и соплам, а линии слива - к правому крайнему бурту и левому среднему бурту, полости камеры гидроцилиндра подведены соответственно к правой крайней и средней проточкам, к левому среднему и левому крайнему буртам и соединены между собой через окна, образованные отрицательными перекрытиями по буртам, и левую крайнюю проточку, причем величина каждого из отрицательных перекрытий равна 1,5-2-кратной приведенной величине возможной разности сигналов на управляющих входах каждого из электрогидравлических каналов.