ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД Российский патент 2003 года по МПК F15B9/00 

Предлагаемое устройство относится к следящим электрогидравлическим системам управления и может быть использовано в качестве автономного электрогидравлического исполнительного механизма в системах управления летательных аппаратов, а также других машин и механизмов, например в станкостроении, в танковой промышленности и других областях техники.

Наиболее широкое применение с существенным техническим и экономическим эффектом изобретение может найти в системах управления летательных аппаратов, где требуются высокое быстродействие, точность отработки управляющих команд, большие усилия на исполнительном механизме, высокая надежность, компактность, ограниченное потребление электроэнергии от источника питания, высокий КПД насоса, малый вес и габариты.

Известны электрогидравлические следящие приводы, например, приведенные в книге Гамынина Н. С. и др. Гидравлический следящий привод. - М.: Машиностроение, 1968; по патентам - США 3095906, кл. 121-41, 1963, Великобритании 1152228, кл. G 3 P, 1969; по авторским свидетельствам СССР: 86340, 517879, кл. В 64 с 13/36, 1975; 87039, кл. G 05 B 11/06, F 15 B 9/04, 1975; 505262, кл. G 05 B 11/06, F 15 B 9/04, 1976.

Однако известные приводы имеют ряд существенных недостатков таких как:
- наличие вспомогательного насоса;
- большой вес и габариты;
- низкий КПД насоса;
- низкая надежность из-за большого количества конструктивных элементов;
- недостаточно высокая полоса пропускания управляющего сигнала из-за наличия инерционных масс на органах управления насоса;
- склонность к самозагрязнению из-за наличия вспомогательного насоса;
- повышенный самонагрев рабочей жидкости из-за дросселирования ее на рабочих щелях гидроусилителя или перепуска ее через предохранительный клапан под большим давлением;
- сложность кинематических и других связей, обеспечивающих объемно-дроссельное управление люлькой основного насоса.

Несмотря на разнообразие технических решений, остаются проблемы повышения надежности, улучшения габаритно-массовых, энергетических и динамических характеристик, уменьшения зоны нечувствительности, точности отработки управляющих команд, технологичности и себестоимости изготовления в связи с появлением повышенных требований к новым разработкам устройств для летательных аппаратов.

Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения является электрогидравлический следящий привод по патенту Российской Федерации 2052673, кл. F 15 B 9/00, 1996, который имеет преимущества по сравнению с известными аналогами.

Привод состоит из электродвигателя 1, насоса 2 регулируемой производительности, редукционного клапана 3, преобразователя-распределителя 4 с двухкаскадным усилением, гидродвигателя 5, компенсационно-поддавливающего устройства 6, предохранительного клапана 7, установленного в канале нагнетания насоса, клапана подпитки 8.

Люлька 9, шарнирно связанная с регулятором 10, выполненным в виде дифференциального поршня, поджата пружиной 11 к толкателю 12 на угол максимальной производительности насоса 2.

Данный прототип хотя и имеет преимущества по сравнению с известными аналогами, однако ряд его недостатков не позволяет достигнуть технического результата по поставленной задаче.

К ним относятся такие как:
- наличие габаритного регулируемого аксиально-поршневого насоса с несиловым двойным карданом, установленного в люльке на опорном подшипнике, имеющем большие габариты и значительную инерционную массу, снижающую полосу пропускания при высокочастотных перемещениях люльки по командам управления, поступающим от гидрораспределителя на дифференциальный сервопоршень;
- наличие сложного дифференциального подпружиненного сервопоршня, шарнирно связанного с люлькой насоса и с подпружиненным толкателем, рабочая полость которого сообщена с центральной проточкой предохранительного клапана, выполненного в виде плоского запорного элемента и плунжера, поджатых пружиной, установленных в магистрали нагнетания насоса. Такое выполнение сервомеханизма снижает КПД насоса из-за необходимости обеспечения больших зазоров для надежной работы соосно расположенных сопрягаемых поверхностей регулятора (10) и толкателя (12), например 0,016...0,020 мм, а следовательно, больших утечек по сопрягаемым поверхностям дифференциального поршня регулятора и толкателя, сложность конструкции и кинематики соединения люльки с поршнем сервомеханизма. Конструкция указанного предохранительного клапана не позволяет установить люльку на минимальный угол в связи с наличием определенного расхода рабочей жидкости в канале нагнетания насоса, переливающейся в слив через кромку предохранительного клапана, что вызывает дополнительное энергопотребление привода на тормозном режиме, например, это энергопотребление составляет ~50% от максимальной потребляемой приводом мощности;
- низкая надежность из-за отсутствия в схеме регулятора, ограничивающего скорость поршня гидродвигателя при попутных нагрузках, а также отсутствие предохранения насоса и электродвигателя от повышенных предельных оборотов, возникающих при попутных нагрузках вследствие перехода насоса в режим гидромотора. Эти скорости могут возрастать в 6-10 раз по сравнению со скоростью холостого хода, что может вызвать поломку насоса или электродвигателя.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электрогидравлического следящего привода, взятого за прототип, путем уменьшения габаритов и массы насоса, упрощения конструкции и кинематики соединения сервомеханизма с люлькой насоса, повышения КПД насоса, улучшения динамических характеристик, повышения надежности, ограничения скорости поршня гидродвигателя при попутных нагрузках, а также ограничения при этом оборотов насоса и электродвигателя, снижения энергопотребления на тормозном режиме.

Эта цель достигается тем, что в электрогидравлическом следящем приводе, содержащем размещенные в корпусе регулируемый насос, компенсационно-поддавливающее устройство, гидродвигатель, клапан подпитки, предохранительный клапан, редукционный клапан, двухкаскадный гидрораспределитель со следящим золотником, установленным во втулке, снабженной перегородкой, расположенной на наружной поверхности, центральные окна которой через одно разделены перегородкой, образующей с корпусом две полости, одна из которых подключена к нагнетающей магистрали, а другая - к командной полости сервопоршня, охваченные механическими, электрическими и гидравлическими связями, согласно изобретению люлька, в которой установлен аксиально-плунжерный или аксиально-поршневой насос, с одной стороны соединена шарнирно с цилиндрическим плунжером сервомеханизма через осевой продольный прямоугольный паз, выполненный посредине плунжера, а с другой - шарнирно через толкатель пружиной поджата на угол максимальной производительности, причем управляющая полость сервомеханизма через центральную проточку ограничителя мощности, выполненного в виде подпружиненного двухпояскового золотника с возможностью отключения его центральной проточки от управляющего канала гидрораспределителя и сообщения его через кромку предохранительного клапана со сливом, сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя, кроме того, в канале всасывания насоса дополнительно установлен регулятор скорости, выполненный в виде двухпояскового подпружиненного золотника, левая торцевая полость которого сообщена с каналом нагнетания, а пружинная полость сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя, причем сливные каналы гидрораспределителя сообщены с центральной проточкой золотника, которая, в свою очередь, через переменный дроссель сообщена со всасывающим каналом насоса.

В предлагаемом устройстве между отличительными признаками и достигнутым техническим результатом имеется причинно-следственная связь. За счет применения компактного аксиально-плунжерного или аксиально-поршневого насоса, например, по патенту Российской Федерации 1038546, кл. F 04 B 1/20, 1983, выполненного с гидростатической разгрузкой башмаков, установленного в малогабаритной люльке, значительно снижены масса и габариты люльки, что позволило увеличить полосу пропускания низкочастотных управляющих сигналов, например до 40 Гц.

За счет установки в регуляторе насоса простого сервомеханизма, выполненного в виде цилиндрического плунжера с небольшим зазором, например 0,004. . . 0,008 мм, шарнирно связанного с люлькой, второй конец которой поджат пружиной к жесткому упору, значительно упрощена конструкция и кинематическая связь с люлькой, значительно сокращены непроизводительные утечки рабочей жидкости через зазоры, что повысило КПД насоса, а установка в канале управления люлькой насоса ограничителя мощности, выполненного в виде подпружиненного двухпояскового золотника, центральная расточка которого имеет возможность отключения ее от управляющего канала гидрораспределителя и сообщения его через кромку предохранительного клапана со сливом, позволила значительно снизить энергопотребление привода на тормозном режиме, например, до величины энергопотребления на холостом ходу за счет установки люльки на минимальный угол, определяемый расходом рабочей жидкости, требуемой для системы управления гидрораспределителем, и внутренними перетечками насоса и гидрораспределителя, что также позволило значительно упростить конструкцию и систему ограничения мощности привода по сравнению с прототипом.

За счет установки в схеме гидропривода в канале всасывания насоса регулятора скорости значительно снижена скорость поршня гидродвигателя, например, до скорости холостого хода при воздействии попутной нагрузки на поршень гидродвигателя и защищены насос и электродвигатель от значительного возрастания частоты вращения вала насоса, так как он при этом переходит в режим гидромотора, например частота вращения вала не превышает частоты вращения его на холостом ходу, что предохраняет насос и электродвигатель от поломки и повышает надежность привода в целом.

На чертеже изображена принципиальная схема заявляемого электрогидравлического следящего привода.

Привод содержит электродвигатель 1, соединенный рессорой с валом насоса 2, установленного в люльке 3, которая с одной стороны шарнирно через толкатель 4 пружиной 5 установлена на угол максимальной производительности насоса, а с другой стороны шарнирно соединена с плунжером 6 регулятора, левая торцевая полость 7 которого каналом 8 сообщена с каналом 9 нагнетания насоса, одновременно соединенного каналом 10 с переменным дросселем 11 редукционного клапана и входными окнами гидроусилителя, а правая торцевая управляющая полость 12 каналом 13 через центральную проточку 14 ограничителя мощности каналом 15 сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя, рабочие окна которого выполнены с возможностью соединения соответственно с каналами 16 и 17 гидродвигателя 18 и каналами 19 и 20 со всасывающим каналом 21 насоса, а центральная проточка 22 редукционного клапана 23 каналом 24 сообщена с полостью 25 компенсационно-поддавливающего устройства 26 и одновременно каналом 27 с верхней торцевой проточкой 28, которая через постоянный дроссель 29, в свою очередь, осевым каналом 30 сообщена с управляющей нижней полостью 31 и переменным дросселем 32, образованным безинерционной втулкой 33 первого каскада усиления и проточкой 34, выполненной на золотнике 35 гидроусилителя; пружинная полость клапана подпитки 36 сообщена с каналом 21 всасывания насоса, а каналом 37 с полостью 38 компенсационно-поддавливающего устройства и сливными полостями гидрораспределителя и насоса; ограничитель мощности, выполненный в виде двухпояскового золотника 39, на левом пояске которого выполнен дроссель 40, сообщенный с проточкой 41 и с проточкой 14, а кромка правого пояска выполнена с возможностью сообщения проточки 14 через кромку 42 со сливной полостью; во всасывающем канале 21 насоса установлен ограничитель скорости, выполненный в виде подпружиненного двухпояскового золотника 43, левая торцевая полость которого сообщена с каналом нагнетания, а пружинная полость сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя, причем сливные каналы гидрораспределителя сообщены с центральной проточкой золотника и через переменный дроссель 44 - с всасывающим каналом 21 насоса.

Привод работает следующим образом.

При подаче рабочего напряжения на клеммы электродвигателя 1 ротор насоса 2 при отсутствии управляющих команд выходит на обороты холостого хода.

С ростом оборотов ротора насоса растет давление рабочей жидкости в каналах 8, 9, 10, 15. Когда давление в канале 10 достигнет величины, на которую настроена пружина редукционного клапана 23, его золотник перемещается влево, между каналами 10 и 24 кромка золотника образует дроссель 11.

В каналах 24 и 27 и полостях 25 и 28 устанавливается постоянное давление управления, которое поддерживается клапаном 23 независимо от дальнейшего роста давления в канале 9 и расхода рабочей жидкости через клапан 23.

Давление в канале 24 и полости 25, воздействуя на двухступенчатый поршень компенсационно-поддавливающего устройства 26, перемещает его влево, повышая через полость 38 давление в сливной полости привода до расчетного значения за счет подбора рабочих площадей поршня компенсационно-поддавливающего устройства.

По каналу 27 и полости 28 рабочая жидкость поступает к гидроусилителю, через дроссель 29 поступает во внутренний канал 30 золотника 35 и через него к дросселю 32 и в глухую полость 31. Дроссель 32 устанавливает перепад давлений между полостями 28 и 31 на соответствующие эффективные площади золотника 35 гидроусилителя, на нем появляется усилие, устанавливающее золотник 35 в нейтральное положение. Этому положению золотника соответствует положение втулки 33, отрегулированное установкой электромеханического преобразователя при отсутствии управляющих команд. При этом дроссель 32 открыт на такую величину, при которой наступает равновесие сил, воздействующих на золотник 35 от указанных выше давлений. При нейтральном положении золотника его кромки рассоединяют канал 9 с каналами 19 и 20, запирают каналы 16 и 17, поддерживают настроенный перепад давлений между каналами 9 и 15. Этот перепад по каналам 15 и 13 поступает к плунжеру 6 регулятора насоса, который сжимает пружину 5 и устанавливает люльку 3 насоса 2 на угол минимально отрегулированной производительности, обеспечивающей работу привода на холостом режиме, т.е. при отсутствии управляющих команд и нагрузок на гидродвигателе.

В этом положении привод находится в состоянии готовности к принятию управляющих команд, поступающих от электронного блока управления объекта.

Потребляемая приводом мощность от источника питания электродвигателя 1 определяется расходом рабочей жидкости через дроссель 32, например, до 1 л/мин при перепаде, на который настроен редукционный клапан, например 20 кгс/см².

При подаче на электромеханический преобразователь управляющей команды, например, положительного знака поводок его повернется по часовой стрелке на строго определенный угол, пропорциональный величине команды (знак команды и направление угла поворота выбраны условно). Втулка 33 переместится вниз, увеличив проходное сечение дросселя 32. Давление в полости 31 упадет. Нарушится равновесие золотника 35 гидрораспределителя. Он переместится вниз, точно отслеживая перемещение втулки 33, пока снова не наступит равновесие сил на золотнике. При этом пропорционально величине управляющей команды открываются профильные окна во втулке гидроусилителя, сообщая каналы 9 и 15, канал 13 через проточку 14 ограничителя мощности 39 с управляющей полостью 12, канал 9 с каналом 17, канал 16 с каналом 19.

Между каналами 9 и 15 перепад уменьшается пропорционально поданной команде. На эту же величину уменьшается перепад на регуляторе насоса. Пружина 5 перемещает плунжер 6 вправо, который поворачивает люльку 3 на увеличение производительности насоса, которая будет увеличиваться до тех пор, пока установится новое равновесное состояние регулятора насоса под действием силы затяжки пружины 5 и перепада давлений между каналами 9 и 15, соответствующее заданному положению золотника 35 гидрораспределителя.

Однако по каналам 9 и 17 рабочая жидкость поступает в верхнюю полость гидродвигателя 18, а по каналам 16, 19, дросселю 44 и каналу 21 вытесняется из его нижней полости на вход в насос 2.

Поршень гидродвигателя перемещается вниз (по схеме), изменяя положение рулевого органа летательного аппарата или другого объекта управления.

Скорость его перемещения определяется величиной наклона люльки 3 насоса 2. Величина давления рабочей жидкости в каналах 8, 9, 10, 13, 15, 17 определяется величиной рабочего усилия на рулевом органе управляемого объекта, которое передается на поршень гидродвигателя 18.

При перемещении поршня гидродвигателя по обмотке потенциометра обратной связи, установленного на рулевом органе управляемого объекта (на схеме не показано), скользит закрепленный на поршне ползунок. Изменяется ток в цепи потенциометра обратной связи, который в электронном блоке управления объектом сравнивается с величиной заданной управляющей команды. При их равенстве ток управления, поданный на электромеханический преобразователь, снижается до нуля. При этом поводок возвращает втулку 33 в нейтральное положение, сечение дросселя 32 уменьшается, давление в полости 31 увеличивается. Под действием гидравлических сил золотник 35 гидрораспределителя перемещается за втулкой 33 вверх и при достижении равенства гидравлических сил на золотнике 35 он устанавливается в первоначальное нейтральное положение.

Канал 9 отсоединяется от каналов 15 и 17, канал 16 от канала 19. Профильные окна во втулке гидрораспределителя закрываются.

Между каналами 9 и 15, а равносильно между каналами 8 и 12 увеличивается перепад давлений, пружина 5 плунжером 6 регулятора сжимается, люлька 3 уводится на угол минимальной производительности насоса 2.

Так как каналы 16 и 17 гидродвигателя 18 заперты золотником 35 гидрораспределителя, поршень гидродвигателя продолжает удерживаться в выдвинутом на заданную величину положении сколь угодно, пока не поступит последующая команда от системы управления на его перемещение.

При самопроизвольном перемещении поршня гидродвигателя ползунок потенциометра обратной связи, скользя по обмотке, изменяет ток в цепи обратной связи, при этом от электронного блока управления поступает команда на электромеханический преобразователь, по знаку соответствующая возвращению поршня в заданное положение.

При подаче на электромеханический преобразователь управляющей команды противоположного знака, например отрицательного, узлы привода работают аналогичным образом.

Гидродвигатель 18 привода может с высокой степенью точности отрабатывать команды управления любых разновидностей, например синусоидальную, в диапазоне от 0 до 100 Гц.

При повышении нагрузок на рулевом органе объекта, к которому подсоединен поршень гидродвигателя 18, выше расчетной, когда давление в канале 15 превышает настроенное, золотник 39 смещается вправо, сжимает пружину, разобщает канал 15 с проточкой 14 и сообщает канал 41 с расточкой 14 через постоянный дроссель 40. Плунжер 6 перемещается вправо за счет падения давления в канале 13, и люлька 3 устанавливается на угол минимальной производительности. Если давление в канале 41 продолжает расти и дальше, золотник перемещается дальше вправо, сообщает канал 13 через кромку 42 с каналом 37 и перепускает на слив часть рабочей жидкости, останавливая рост давления и предохраняя насос 2 от разрушения.

При падении давления в канале 21 ниже настроенного давлением рабочей жидкости в сливной полости 38 и канале 37 открывается клапан 36, и рабочая жидкость поступает по каналу 21 из полости 38 на вход в насос.

При попутных нагрузках на поршне гидродвигателя 18, когда давление в каналах 19, 20 и 21 повышается, клапан 36 отсекает эти каналы от сливной полости, одновременно повышается перепад давления на золотнике 43, при этом золотник 43 сжимает пружину и перемещается вправо, уменьшая проходное сечение переменного дросселя 44, при этом скорость поршня гидродвигателя уменьшается, одновременно уменьшается расход рабочей жидкости, поступающей через переменный дроссель 44 во всасывающий канал 21 насоса, вследствие чего предотвращается рост оборотов вала насоса и электродвигателя.

В настоящее время по предложенному электрогидравлическому следящему приводу изготовлены опытные образцы, которые успешно прошли испытания, подтвердившие полностью ожидаемые характеристики и параметры, техническую и экономическую целесообразность, выявлены все преимущества по сравнению с известными приводами-аналогами и прототипом.

Учитывая новизну, техническую и экономическую полезность предлагаемого устройства просим выдать патент.

Привод предназначен для системы управления летательных аппаратов. Люлька, в которой установлен аксиально-плунжерный или аксиально-поршневой насос, с одной стороны соединена шарнирно с цилиндрическим плунжером сервомеханизма через осевой продольный прямоугольный паз, выполненный посредине плунжера, а с другой - шарнирно через толкатель пружиной поджата на угол максимальной производительности, причем управляющая полость сервомеханизма через центральную проточку ограничителя мощности, выполненного в виде подпружиненного двухпояскового золотника с возможностью отключения его центральной проточки от управляющего канала гидрораспределителя и сообщения его через кромку предохранительного клапана со сливом, сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя, кроме того, в канале всасывания насоса дополнительно установлен регулятор скорости, выполненный в виде двухпояскового подпружиненного золотника, левая торцевая полость которого сообщена с каналом нагнетания, а пружинная полость сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя, причем сливные каналы гидрораспределителя сообщены с центральной проточкой золотника, которая, в свою очередь, через переменный дроссель сообщена со всасывающим каналом насоса. Технический результат - снижены масса и габариты люльки насоса, увеличена полоса пропускания низкочастотных управляющих сигналов, упрощена кинематическая связь с люлькой, повышен КПД насоса. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электрогидравлический следящий привод, содержащий размещенные в корпусе регулируемый насос, компенсационно-поддавливающее устройство, гидродвигатель, клапан подпитки, предохранительный клапан, редукционный клапан, двухкаскадный гидрораспределитель со следящим золотником, установленным во втулке, снабженной перегородкой, расположенной на наружной поверхности, центральные окна которой через одно разделены перегородкой, образующей с корпусом две полости, одна из которых подключена к нагнетающей магистрали, а другая - к командной полости сервопоршня, охваченные механическими, электрическими и гидравлическими связями, отличающийся тем, что люлька, в которой установлен аксиально-плунжерный или аксиально-поршневой насос, с одной стороны соединена шарнирно с цилиндрическим плунжером сервомеханизма через осевой продольный прямоугольный паз, выполненный посредине плунжера, а с другой - шарнирно через толкатель пружиной поджата на угол максимальной производительности, причем управляющая полость сервомеханизма через центральную проточку ограничителя мощности, выполненного в виде подпружиненного двухпояскового золотника с возможностью отключения его центральной проточки от управляющего канала гидрораспределителя и сообщения его через кромку предохранительного клапана со сливом, сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя.2. Привод по п.1, отличающийся тем, что в канале всасывания насоса дополнительно установлен регулятор скорости, выполненный в виде двухпояскового подпружиненного золотника, левая торцевая полость которого сообщена с каналом нагнетания, а пружинная полость сообщена с двумя управляющими окнами гидрораспределителя, причем сливные каналы гидрораспределителя сообщены с центральной проточкой золотника, которая, в свою очередь, через переменный дроссель сообщена со всасывающим каналом насоса.