ГИДРОУСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F15B3/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в следящих приводах управления рабочими органами различных машин в условиях ограниченной потребляемой мощности.

Из патентной литературы известен гидроусилитель, содержащий неподвижную гильзу, подвижную втулку и цилиндрический золотник, имеющий последовательно расположенные три рабочих пояска, размещенных в отверстии большего диаметра гильзы [1].

Недостатками этого гидроусилителя являются большие габариты и масса, низкий к.п.д., высокая сложность изготовления, недостаточный диапазон пропускаемых частот сигнала управления, которые могут быть отработаны с достаточной точностью, низкая динамическая устойчивость и низкое качество переходного процесса, обусловленные неоптимальными конструктивными параметрами.

Из патентной литературы известен также гидроусилитель, содержащий неподвижную гильзу, подвижную втулку и цилиндрический золотник, имеющий последовательно расположенные три рабочих пояска, размещенных в отверстии большего диаметра гильзы, промежуточный поясок, размещенный в отверстии меньшего диаметра гильзы, и продольную направляющую, на которой установлена втулка, при этом золотник установлен с образованием в гильзе камер управления [2].

Недостатками этого гидроусилителя являются низкий к.п.д., низкое быстродействие, недостаточный диапазон частот сигнала управления, которые могут быть отработаны с достаточной точностью, низкое качество переходного процесса и низкая динамическая устойчивость, обусловленные неоптимальными конструктивными параметрами.

Технической задачей изобретения является создание гидроусилителя, обеспечивающего эффективное дроссельное регулирование, а также расширение арсенала гидроусилителей.

Технический результат состоит в повышении к.п.д. и быстродействия, упрощении изготовления, расширении диапазона пропускаемых частот, улучшении динамических характеристик - запаса устойчивости и качества переходного процесса.

Сущность изобретения состоит в том, что гидроусилитель содержит неподвижную гильзу, подвижную втулку и цилиндрический золотник, имеющий последовательно расположенные три рабочих пояска, размещенных в отверстии большего диаметра гильзы, промежуточный поясок, размещенный в отверстии меньшего диаметра гильзы, и продольную направляющую, на которой установлена втулка, при этом золотник установлен с образованием в гильзе камер управления, одна из которых расположена со стороны свободного торца крайнего рабочего пояска и соединена с несквозным продольным каналом, выполненным в золотнике, который дроссельным отверстием меньшего диаметра соединен со второй камерой управления, образованной вокруг промежуточного пояска у смежного с ним рабочего пояска, а дроссельным отверстием большего диаметра - с поверхностью направляющей, на которой установлена подвижная втулка с образованием регулируемого дросселя первого каскада, причем гидроусилитель выполнен с пятью внешними гидролиниями второго каскада, а гильза выполнена с пятью наружными кольцевыми проточками, первая и четвертая из которых связаны с одной внешней гидролинией и соединены с внутренней расточкой гильзы окнами, образующими с крайними поясками золотника регулируемые дроссели, вторая и третья связаны с двумя внешними гидролиниями и соединены с внутренней расточкой гильзы, а пятая соединена с упомянутой камерой управления, образованной вокруг промежуточного пояска, при этом между второй и третьей проточками гильза выполнена с четырьмя равномерно расположенными по окружности и разделенными между собой наружными канавками прямоугольного сечения, две из которых связаны с одной внешней гидролинией, а две другие - с другой внешней гидролинией и попарно соединены с внутренней расточкой гильзы изолированными окнами, образующими с центральным пояском регулируемые дроссели.

Предпочтительно камера управления, расположенная со стороны свободного торца крайнего рабочего пояска, выполнена с большей эффективной площадью, а камера управления, образованная вокруг промежуточного пояска у другого крайнего рабочего пояска - с меньшей эффективной площадью, при этом отношение их эффективных площадей находится в пределах 1,85÷4,95, первая и четвертая наружные кольцевые проточки гильзы соединены с внутренней расточкой гильзы прямоугольными окнами, вторая и третья - круглыми окнами, а наружные канавки прямоугольного сечения - прямоугольными окнами, при этом пятая кольцевая проточка гильзы соединена с камерой управления шестью наклонными отверстиями, дроссельное отверстие меньшего диаметра выполнено с площадью проходного сечения, составляющей 0,12÷0,15 максимальной площади проходного сечения дроссельного отверстия большего диаметра, которое выполнено диаметральным и соединено с кольцевой канавкой, выполненной на поверхности направляющей, а направляющая выполнена с несколькими глухими канавками на наружной поверхности.

На фиг.1 изображена конструктивная схема гидроусилителя, на фиг.2 - гильза второго каскада гидроусилителя, на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2, на фиг.4 - подвижная втулка первого каскада гидроусилителя, на фиг.5 - вид справа на фиг.4, на фиг.6 - золотник гидроусилителя, на фиг.7 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики, на фиг.8, 9, - переходные характеристики привода и его звеньев в режиме холостого хода и при номинальной нагрузке, соответственно, на фиг.10 изображена принципиальная схема электрогидравлического следящего привода, в составе которого может использоваться гидроусилитель.

Гидроусилитель может использоваться, например, в составе электрогидравлического следящего привода, который содержит исполнительный гидродвигатель 1, насос 2 с двухсторонним гидравлическим управлением и с пружиной 3, воздействующей на регулирующий орган насоса 2 в направлении установления максимального расхода насоса 2, и редукционный клапан 4 с настроечным дросселем 5, а также заявляемый в настоящей заявке двухкаскадный гидроусилитель с регулируемым дросселем 6 первого каскада и самоустанавливающимся пятилинейным распределителем 7 второго каскада, трехлинейный ограничитель 8 мощности, поршневое компенсационно-поддавливающее (аккумулирующее) устройство 9, поршневая полость которого соединена с всасыванием насоса 2, заправочные клапаны 10, 11 и датчик 12 перемещения гидродвигателя 1. Гидродвигатель 1 имеет полости и реверсивный подвижный орган - шток или вал (не обозначены). Насос 2 имеет приводной двигатель (не изображен) и регулирующий орган, например плунжер поворота наклонного диска (не изображено), в этом случае камеры 28, 30 располагаются по торцам этого плунжера. Датчик 12 подключен к одному входу сравнивающего устройства 13, выход которого через усилитель 14 связан с электромеханическим преобразователем 15 управления дросселем 6 первого каскада гидроусилителя, жестко соединенным с распределителем 7 второго каскада. Распределитель 7 выполнен с двумя гидролиниями 16, 17, подключенными к полостям гидродвигателя 1, с одной гидролинией 18, подключенной к трехлинейному ограничителю 8 мощности, с двумя гидролиниями 19, 20, соединенными с нагнетанием и всасыванием насоса 1, и с двумя камерами 21, 22 управления с заданным соотношением эффективных площадей, приведенным ниже. Камера 22 с большей площадью подключена ко входу регулируемого дросселя 6 первого каскада, а камера 21 с меньшей площадью - к выходу редукционного клапана 4, соединенному со штоковой полостью компенсационно-поддавливающего устройства 9 и, через первый дроссель 23 постоянного сечения, - со входом регулируемого дросселя 6 первого каскада. При этом вход редукционного клапана 4 соединен с нагнетанием насоса 2, гидролиния 18 пятилинейного распределителя, подключенная к трехлинейному ограничителю 8 мощности, соединена с камерой 24 управления последнего, с его гидролинией 25 и, через второй дроссель 26 постоянного сечения, - с другой его гидролинией 27, соединенной с камерой 28 управления насоса 2, воздействующей в направлении увеличения его расхода, третья гидролиния 29 трехлинейного ограничителя 8 мощности соединена со всасыванием насоса 2, другая камера 30 управления которого, воздействующая в направлении уменьшения расхода, соединена с его нагнетанием.

Пятилинейный распределитель 7 выполнен с возможностью соединения в нейтральном положении всех гидролиний 16, 17, 18, 19, 20 между собой, а при смещении из нейтрального положения - образования регулируемых дросселей для соединений одной из полостей гидродвигателя 1 с всасыванием, а другой - с нагнетанием насоса 2 с одновременным подключением к регулируемому дросселю гидроусилителя гидролинии 18, подключенной к трехлинейному ограничителю мощности, выполненному с возможностью регулируемого соединения этой гидролинии 18 с камерой 28 управления насоса 2, разобщения с ней при повышении давления в этой гидролинии 18 с одновременным их соединением через второй дроссель 26 постоянного сечения и соединения камеры 28 управления насоса 2 с его всасыванием при дальнейшем увеличении давления в гидролинии 18.

Первый дроссель 23 постоянного сечения выполнен с площадью проходного сечения (диаметром, например, 0,7 мм), составляющей 0,12÷0,15 максимальной площади проходного сечения (диаметром, например, 0,9 мм) регулируемого дросселя 6 первого каскада. Клапан 31 подпитки связан с всасыванием насоса 2.

Заявляемый гидроусилитель содержит неподвижную гильзу 32, подвижную втулку 33 и цилиндрический золотник, имеющий последовательно расположенные три рабочих пояска 34, 35, 36, размещенных в отверстии большего диаметра гильзы 32 с образованием распределителя 7, промежуточный поясок 37, размещенный в отверстии меньшего диаметра гильзы 32, и продольную направляющую 38, на которой установлена втулка 33. Втулка 33 выполняется тонкостенной, с минимально возможной массой (1-2 г).

Гидроусилитель имеет пять внешних гидролиний 16-20 (фиг.10) второго каскада. Золотник установлен с образованием в гильзе 32 камер 21, 22 управления. Камера 22 расположена со стороны свободного торца крайнего рабочего пояска 36 и соединена с выполненным в золотнике несквозным продольным каналом 39, который первым дросселем 23 постоянного сечения, выполненным в виде дроссельного отверстия меньшего диаметра (0,7 мм), соединен со второй камерой 21 управления, образованной вокруг промежуточного пояска 37 у смежного с ним рабочего пояска 34, а дроссельным отверстием 40 большего диаметра (0,9 мм) - с поверхностью направляющей 38, на которой установлена подвижная втулка 33 с образованием ее кромкой регулируемого дросселя 6 первого каскада гидроусилителя. Гильза 32 выполнена с пятью наружными кольцевыми проточками 41-45, первая и четвертая проточки 41, 44 из которых связаны с одной внешней гидролинией 20 и соединены с внутренней расточкой гильзы 32 окнами 46, 47, образующими с крайними поясками 34, 36 золотника регулируемые дроссели, вторая и третья проточки 42, 43 связаны с двумя внешними гидролиниями 16, 17 и соединены с внутренней расточкой гильзы 32, а пятая проточка 45 связана через редукционный клапан 4 с нагнетанием насоса 2 и соединена с упомянутой камерой 21 управления, образованной вокруг промежуточного пояска 37. Между второй и третьей проточками 42, 43 гильза 32 выполнена с четырьмя равномерно расположенными по окружности и разделенными между собой наружными канавками 48, 49, 50, 51 прямоугольного сечения. Канавки 48-51 не пересекаются и разделены между собой участками наружной поверхности гильзы 32. Две канавки 48, 50 связаны с одной внешней гидролинией 19, а две другие канавки 49, 51 - с другой внешней гидролинией 18 и попарно соединены с внутренней расточкой гильзы 32 изолированными прямоугольными окнами 52, 53, 54, 55, образующими с центральным пояском 35 регулируемые дроссели.

Камера 22 управления, расположенная со стороны свободного торца крайнего рабочего пояска 36, выполнена с большей эффективной площадью, а камера 21 управления, образованная вокруг промежуточного пояска 37 у другого крайнего рабочего пояска 34 - с меньшей эффективной площадью, при этом отношение их эффективных площадей находится в пределах 1,85÷1,95.

Первая и четвертая наружные кольцевые проточки 41, 44 гильзы 32 соединены с внутренней расточкой гильзы 32 прямоугольными окнами 46, 47, вторая и третья проточки 42, 43 - круглыми окнами 56, а наружные канавки 48-51 прямоугольного сечения - прямоугольными окнами 52-55, при этом пятая кольцевая проточка 45 гильзы 32 соединена с камерой 21 управления шестью наклонными отверстиями 57. Пояски 34, 35 выполнены с отрицательным перекрытием, а поясок 36 - с положительным перекрытием окон гильзы 32.

Дроссельное отверстие меньшего диаметра, например, 0,7 мм, дросселя 23 выполнено радиальным с площадью проходного сечения, составляющей 0,12÷0,15 максимальной площади проходного сечения дроссельного отверстия 40 большего диаметра, например 0,9 мм, которое выполнено диаметральным и соединено с кольцевой канавкой 58, выполненной на поверхности направляющей 38 и образующей с торцевой кромкой втулки 33 дроссель 6 первого каскада.

Направляющая 38 выполнена с несколькими глухими канавками 59 на наружной поверхности, на которой установлена втулка 33, имеющая с одной стороны для соединения с электромеханическим преобразователем 15 усеченный конический выступ 60 с углом при вершине 22°.

На фиг.7 амплитудно-частотная логарифмическая характеристика обозначена IW(jw)I, фазочастотная логарифмическая характеристика обозначена Arg W(jw), запас по фазе обозначен "Δ". На фиг.8, 9 обозначены характеристики переходного процесса: "а" - входной сигнал прямоугольной формы на положительном входе сравнивающего устройства, "b" - ход гидродвигателя, "с" - скорость гидродвигателя, "d" - ход золотника распределителя, "е" - ход регулирующего органа насоса, "f" - давление нагнетания.

Гидроусилитель работает в составе электрогидравлического следящего привода следующим образом.

Заполнение контура привода, включая гидроусилитель, производится через клапаны 10, 11, которые расположены вышеуказанным образом, чтобы обеспечить возможность гарантированного заполнения всех полостей и камер и полного удаления воздуха.

При выключенном состоянии привода давление нагнетания отсутствует, пружиной 3 регулирующий орган (наклонная шайба и т.п.) насоса 1 установлен в положение максимального хода плунжеров (или поршней), т.е. в положение максимального расхода рабочей жидкости. Давление в камерах 28, 30 и в камерах 21, 22 одинаковое. Пуск двигателя насоса 2 приводит к созданию давления нагнетания, поступающего в камеру 30, в результате чего регулирующий орган насоса 1 переводится в положение минимального расхода рабочей жидкости, необходимого для готовности привода и гидроусилителя к отработке сигнала управления. Таким образом, при отсутствии сигнала управления на положительном входе сравнивающего устройства 13 расход энергии минимален. Редукционный клапан 4 устанавливает и в дальнейшем обеспечивает стабильное давление в канавке 45 гильзы 32, т.е. на входе дросселя 23, в камере 21 гидроусилителя, а также в штоковой полости компенсационно-поддавливающего устройства 9, поддерживающего необходимый уровень давления на входе клапана 31 и, следовательно, на всасывании насоса 2. Положение кромки торца втулки 33 относительно края канавки 58 обеспечивает состояние (сопротивление) дросселя 6, необходимое для равновесия золотника распределителя 7 гидроусилителя в нейтральном положении.

При подаче входного сигнала "а" управления на положительный вход сравнивающего устройства 13 этот сигнал, преобразованный усилителем 14, поступает на электромеханический преобразователь 15, который перемещает втулку 33 по поверхности 38, изменяя тем самым сопротивление дросселя 6 первого каскада гидроусилителя. Таким образом, давление в камере 21 определяется настройкой редукционного клапана 4, а в камере 22 - результирующим суммарным сопротивлением дросселей 6 и 23. В результате формируется рабочий перепад давления в камерах 21, 22 и усилие, определяемое соотношением эффективных площадей и давлений в этих камерах, воздействующее на золотник распределителя 7, который перемещается в направлении результирующего усилия. Перемещение золотника изменяет сопротивление регулируемых дросселей, образованных поясками 34-36 золотника с окнами 46, 47, 52-55 и 56 гильзы 32. Перемещение (ход) "d" золотника распределителя 7 при выбранных соотношениях эффективных площадей камер 21, 22 происходит плавно и не сопровождается колебаниями (фиг.8, 9).

Одновременно перемещение золотника приводит к восстановлению положения втулки 33 относительно канавки 58 и отверстия 40 и, следовательно, к восстановлению первоначального сопротивления дросселя 6 и равновесия золотника. Золотник устанавливается в положении, определяемом значением сигнала на электромеханическом преобразователе 15.

В результате формируется перепад давления на гидролиниях 16, 17 и в полостях гидродвигателя 1. Одновременно, по гидролиниям 18, 25, 27 давление поступает в камеру 28, в результате чего регулирующий орган насоса 1 переводится в положение подачи заданного значения расхода рабочей жидкости гидродвигателю 1. В отличие от аналогов ход золотника распределителя как и перемещение (ход) "е" регулирующего органа насоса 2 происходит плавно и не сопровождается колебаниями, а изменение "f" давления в приводе характеризуется быстрозатухающими колебаниями малой амплитуды, не приводящими к возникновению колебаний подвижных звеньев привода и допустимыми по величине, т.е. не требующими усиления конструкции для обеспечения прочности при однократном наибольшем повышении давления (фиг.8, 9).

В одну из полостей гидродвигателя 1 поступает рабочая жидкость под давлением, определяемым нагрузкой, а из другой полости вытесняется на всасывание насоса 2. Значение расхода рабочей жидкости насоса 2 определяет скорость гидродвигателя 1. Перерегулирование по перемещению "b" гидродвигателя 1 отсутствует, его скорость "с" изменяется плавно, особенно под нагрузкой. Длительность переходного процесса от начала подачи сигнала управления до установления стационарного режима минимальна, т.к. не превышает длительности перемещения регулирующих звеньев золотника гидроусилителя 7, т.е. меньше, чем для аналогов (фиг.9, 10). Перемещение гидродвигателя 1 с нагрузкой контролируется датчиком 12, формирующим сигнал отрицательной обратной связи по положению, который устройством 13 алгебраически суммируется с сигналом управления. Сигнал на выходе устройства 13 и усилителя 14 уменьшается до нуля, и электромеханический преобразователь 15 возвращается в исходное состояние, что приводит к возвращению в первоначальное положение втулки 33 и, следовательно, сопротивления дросселя 6, а также распределителя 7, золотник которого устанавливается в первоначальное положение относительно гильзы 32. Давление в гидролиниях 16, 17 выравнивается. Давление в гидролинию 18 не поступает и соответственно уменьшается давление в камере 28 насоса 2, регулирующий орган которого возвращается в положение минимальной производительности.

Контур привода с заявляемым гидроусилителем имеет запас Δ по фазе, равный 60 градусов при частоте среза 16 Гц (фиг.7), что гарантирует от возникновения автоколебаний. При нагрузке, для которой построены характеристики фиг.7-9, коэффициент усиления может повышаться до достижения частоты среза 80 Гц (при нулевом запасе по фазе). При соответствующем снижении нагрузки коэффициент усиления может повышаться, а частота среза может быть доведена до 150 Гц.

В случае несанкционированного повышения нагрузки на гидродвигателе 1 и давления нагнетания ограничитель 8 осуществляет регулирование мощности по давлению в камере 24, для чего перемещается в направлении уменьшения проходного сечения, соединяющего гидролинию 25 с гидролинией 27 и уменьшения давления в камере 28 насоса 2, подача которого также уменьшается. В случае дальнейшего роста давления нагнетания ограничитель 8 разобщает гидролинии 25, 27, а если рост давления нагнетания не прекращается, ограничитель 8 соединяет гидролинию 27 с гидролинией 29, т.е. со всасыванием, давление в камере 28 становится минимально возможным и подача (расход) насоса 2 сокращается до минимального значения, возможного при включенном двигателе.

Таким образом, оптимальное соотношение эффективных площадей камер управления и дроссельных отверстий гидроусилителя обеспечивает расширение диапазона пропускаемых частот, улучшение динамических характеристик - запаса устойчивости и качества переходного процесса. Гидроусилителем обеспечивается эффективное дроссельное регулирование с помощью регулируемых дросселей первого и второго каскада гидроусилителя с одновременной отработкой обратной связи между первым и вторым каскадами последнего. Одновременно обеспечивается повышение быстродействия и к.п.д. гидроусилителя и привода в целом.

Настоящее изобретение реализуется с помощью универсального оборудования, широко распространенного в машиностроении для производства гидравлического оборудования и средств автоматического управления и контроля.

Источники информации

1. US №3095906, 1963.

2. RU №2218486, 2003 (прототип).

Гидроусилитель предназначен для следящих приводов. Гидроусилитель содержит гильзу, подвижную втулку и золотник, имеющий три рабочих пояска, промежуточный поясок и направляющую, одна из камер управления расположена со стороны свободного торца и соединена с каналом, выполненным в золотнике, который дроссельным отверстием меньшего диаметра соединен со второй камерой управления вокруг промежуточного пояска, а дроссельным отверстием большего диаметра - с поверхностью направляющей, на которой установлена подвижная втулка с образованием дросселя первого каскада. Технический результат состоит в повышении к.п.д. и быстродействия, расширении диапазона частот, улучшении динамических характеристик - запаса устойчивости и качества переходного процесса. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Гидроусилитель, содержащий неподвижную гильзу, подвижную втулку и цилиндрический золотник, имеющий последовательно расположенные три рабочих пояска, размещенных в отверстии большего диаметра гильзы, промежуточный поясок, размещенный в отверстии меньшего диаметра гильзы, и продольную направляющую, на которой установлена втулка, при этом золотник установлен с образованием в гильзе камер управления, одна из которых расположена со стороны свободного торца крайнего рабочего пояска и соединена с несквозным продольным каналом, выполненным в золотнике, который дроссельным отверстием меньшего диаметра соединен со второй камерой управления, образованной вокруг промежуточного пояска у смежного с ним рабочего пояска, а дроссельным отверстием большего диаметра - с поверхностью направляющей, на которой установлена подвижная втулка с образованием регулируемого дросселя первого каскада, причем гидроусилитель выполнен с пятью внешними гидролиниями второго каскада, а гильза выполнена с пятью наружными кольцевыми проточками, первая и четвертая из которых связаны с одной внешней гидролинией и соединены с внутренней расточкой гильзы окнами, образующими с крайними поясками золотника регулируемые дроссели, вторая и третья связаны с двумя внешними гидролиниями и соединены с внутренней расточкой гильзы, а пятая соединена с упомянутой камерой управления, образованной вокруг промежуточного пояска, при этом между второй и третьей проточками гильза выполнена с четырьмя равномерно расположенными по окружности и разделенными между собой наружными канавками прямоугольного сечения, две из которых связаны с одной внешней гидролинией, а две другие - с другой внешней гидролинией и попарно соединены с внутренней расточкой гильзы изолированными окнами, образующими с центральным пояском регулируемые дроссели.2. Гидроусилитель по п.1, отличающийся тем, что камера управления, расположенная со стороны свободного торца крайнего рабочего пояска, выполнена с большей эффективной площадью, а камера управления, образованная вокруг промежуточного пояска у другого крайнего рабочего пояска, - с меньшей эффективной площадью, при этом отношение их эффективных площадей находится в пределах 1,85÷1,95.3. Гидроусилитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что первая и четвертая наружные кольцевые проточки гильзы соединены с внутренней расточкой гильзы прямоугольными окнами, вторая и третья - круглыми окнами, а наружные канавки прямоугольного сечения - прямоугольными окнами, при этом пятая кольцевая проточка гильзы соединена с камерой управления шестью наклонными отверстиями.4. Гидроусилитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что дроссельное отверстие меньшего диаметра выполнено с площадью проходного сечения, составляющей 0,12÷0,15 максимальной площади проходного сечения дроссельного отверстия большего диаметра, которое выполнено диаметральным и соединено с кольцевой канавкой, выполненной на поверхности направляющей.5. Гидроусилитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что направляющая выполнена с несколькими глухими канавками на наружной поверхности.