ОГРАНИЧИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА Российский патент 2007 года по МПК F15B9/04 F15B13/44 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в системах управления рабочими органами различных машин, например летательных аппаратов, в условиях ограниченной потребляемой мощности.

Из патентной литературы известен двухкаскадный ограничитель мощности, содержащий основной и дополнительный золотники и два регулируемых дросселя, связанных с регулирующим органом насоса [1].

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

Из патентной литературы известен ограничитель мощности электрогидравлического следящего привода, содержащий гильзу со ступенчатой наружной поверхностью и осевым каналом, в котором установлены два цилиндрических рабочих пояска ступенчатого золотника, на наружной поверхности меньшего диаметра гильзы выполнены первая и вторая проточки, соединенные окнами с осевым каналом [2].

Недостатками данного ограничителя являются низкий КПД, обусловленный невозможностью обеспечения полного диапазона регулирования и снижения давления объемного регулирования до минимального значения, равного давлению всасывания, узость функциональных возможностей в связи с тем, что управление производится по давлению насоса (а не по давлению дроссельного регулирования электрогидравлического следящего привода, т.е. не обеспечивается объемно-дроссельное регулирование), а также связанные с этим недостаточный диапазон частот сигнала управления, которые могут быть отработаны с достаточной точностью, низкое качество переходного процесса и низкая динамическая устойчивость из-за неоптимального конструктивного решения золотника с двумя поясками и гильзы с тремя замкнутыми проточками.

Технической задачей изобретения является создание эффективного ограничителя мощности и расширение арсенала ограничителей мощности.

Технический результат изобретения состоит в повышении КПД, расширении функциональных возможностей, расширении диапазона пропускаемых частот, улучшении динамических характеристик - запаса устойчивости и качества переходного процесса при объемно-дроссельном регулировании привода с использованием заявляемого ограничителя мощности.

Сущность изобретения состоит в том, что ограничитель мощности электрогидравлического следящего привода содержит гильзу со ступенчатой наружной поверхностью и осевым каналом, в котором установлены два цилиндрических рабочих пояска подпружиненного ступенчатого золотника, третий поясок которого снабжен торцевым упором и выполнен с диаметром, большим диаметра осевого канала гильзы, на наружной поверхности меньшего диаметра которой выполнены первая и вторая проточки, соединенные с осевым каналом, а наружная поверхность большего диаметра гильзы выполнена с двумя плоскими срезами, поверхности которых соединены радиальными отверстиями с осевым каналом, при этом первый поясок расположен у торца золотника, противоположного упору с образованием камеры управления, выполнен шириной, меньшей ширины второго пояска, с двумя плоскими срезами на наружной поверхности и с возможностью взаимодействия с окнами первой проточки гильзы, имеющими длину больше ширины этого пояска; второй поясок отделен проточкой на золотнике от третьего пояска, расположен на расстоянии от последнего меньшем, чем от первого, и выполнен с возможностью взаимодействия с радиальными отверстиями гильзы, первая проточка которой открыта с ее торца, а окна второй проточки соединены с рабочей полостью, образованной в осевом канале между первым и вторым поясками золотника.

Предпочтительно второй поясок расположен на расстояниях от первого и третьего поясков, отношение длин которых составляет 10.

Первая проточка гильзы соединена с осевым каналом двумя окнами прямоугольной формы с длиной, превышающей в 2±0,1 раза ширину первого пояска.

Вторая проточка гильзы соединена с осевым каналом четырьмя окнами в форме окружности с диаметром, составляющим 0,5±0,05 диаметра осевого канала.

Радиальные отверстия гильзы выполнены в форме соединенных между собой окружности и прямоугольного паза, ширина которого составляет 0,1÷0,3 диаметра этой окружности, расположенного со стороны наружной поверхности гильзы меньшего диаметра.

Первая проточка и осевой канал гильзы со стороны первого пояска золотника соединены с гидролинией дроссельного регулирования привода, вторая проточка - с гидролинией объемного регулирования привода, а наружная поверхность гильзы - с двумя плоскими срезами - со сливом.

Ограничитель предпочтительно выполнен с возможностью регулируемого соединения гидролинии дроссельного регулирования с гидролинией объемного регулирования, разобщения их при повышении давления в гидролинии дроссельного регулирования с одновременным их соединением через срезы на поверхности первого пояска золотника и соединения гидролинии объемного регулирования со сливом при дальнейшем увеличении давления.

На фиг.1 изображена конструктивная схема ограничителя мощности, на фиг.2 - гильза ограничителя мощности, на фиг.3 - поперечный разрез гильзы ограничителя мощности, на фиг.4 - поперечное сечение радиального отверстия, на фиг.5 - золотник ограничителя мощности, на фиг.6 - разрез первого пояска ограничителя мощности, на фиг.7 - принципиальная схема электрогидравлического следящего привода объемно-дроссельного регулирования, на фиг.8 - логарифмические амплитудно-частотные характеристики разомкнутого привода при номинальной нагрузке, на фиг.9, 10 - переходные характеристики привода и его звеньев в режиме холостого хода и при номинальной нагрузке соответственно.

Ограничитель мощности электрогидравлического следящего привода содержит гильзу 1 со ступенчатой наружной поверхностью и осевым каналом 2, в котором установлены два цилиндрических рабочих пояска 3, 4 ступенчатого подпружиненного золотника 5, третий поясок 6 которого снабжен коническим или полусферическим торцевым упором 7 и выполнен с диаметром, большим диаметра осевого канала 2. На наружной поверхности меньшего диаметра гильзы 1 выполнены первая и вторая проточки 8, 9, соединенные окнами с осевым каналом 2. Наружная поверхность большего диаметра гильзы 1 выполнена с двумя плоскими срезами (не обозначены), поверхности которых соединены радиальными отверстиями 10, 11 с осевым каналом 2. Первый поясок 3 расположен у торца золотника 5, противоположного упору 7 с образованием на его свободном торце камеры управления 39. Поясок 3 выполнен с шириной 1,5 мм, меньшей ширины 2,5 мм второго пояска 4, с двумя плоскими срезами на наружной поверхности и с возможностью взаимодействия с окнами первой проточки 8 гильзы 1, имеющими длину 3 мм, большую ширины пояска 3. Второй поясок 4 расположен на расстоянии 1,5 мм от третьего пояска 6, т.е. меньшем, чем его расстояние 16 мм от первого пояска 3, и выполнен с возможностью взаимодействия с радиальными отверстиями гильзы 1, а окна второй проточки 9 последней соединены с рабочей полостью 12, образованной в осевом канале 2 между первым и вторым поясками 3, 4 золотника 5.

При этом золотник 5 выполнен с третьим пояском 6, отделенным от второго пояска 4 проточкой на золотнике 5. Второй поясок 4 расположен на расстояниях от первого и третьего поясков 3, 6, составляющих 16 мм и 1,5 мм, т.е. отношение расстояний (длин) находится в пределах 10-12. Первая проточка 8 гильзы 1 соединена с осевым каналом 2 двумя окнами 13, 14 прямоугольной формы с длиной 3 мм, превышающей в 2±0,1 раза ширину 1,5 мм первого пояска 3.

Вторая проточка 9 гильзы 1 соединена с осевым каналом 2 четырьмя окнами 15 в форме окружности с диаметром 2 мм, составляющим 0,5±0,05 диаметра 4 мм осевого канала 2.

Радиальные отверстия 10, 11 гильзы 1 выполнены в форме соединенных между собой окружности и прямоугольного паза, ширина «h» которого равна 0,2 мм и находится в пределах (составляет) 0,1÷0,3 диаметра d=1 мм этой окружности, расположенного со стороны наружной поверхности гильзы 1 меньшего диаметра.

Первая проточка 8 и осевой канал 2 гильзы 1 со стороны ее торца и первого пояска 3 золотника 5 соединены гидролинией 40 с гидролинией 33 дроссельного регулирования электрогидравлического следящего привода, вторая проточка 9 - с гидролинией 42 объемного регулирования насоса 17 привода, а наружная поверхность с двумя плоскими срезами соединена гидролинией 44 со сливом - всасыванием.

Ограничитель мощности выполнен с возможностью регулируемого соединения гидролиний 40 (и 33) дроссельного регулирования с гидролинией 42 объемного регулирования, разобщения их при повышении давления в гидролинии 33 (и 40) с одновременным их соединением через дроссель 41, функции которого выполняют срезы на поверхности первого пояска 3 золотника 5, и соединения гидролинии 42 объемного регулирования через гидролинию 44 со сливом - всасыванием при дальнейшем увеличении давления в электрогидравлическом следящем приводе.

Электрогидравлический следящий привод объемно-дроссельного регулирования, в котором осуществляется ограничение мощности заявляемым ограничителем, содержит исполнительный гидродвигатель 16, насос 17 с двухсторонним гидравлическим регулированием и с пружиной 18, воздействующей на регулирующий орган (наклонный диск) насоса 17 в направлении установления максимального расхода насоса 17, редукционный клапан 19 с настроечным дросселем 20, двухкаскадный гидроусилитель дроссельного регулирования с регулируемым дросселем 21 первого каскада и самоустанавливающимся пятилинейным распределителем 22 второго каскада, заявляемый трехлинейный ограничитель 23 мощности, поршневое компенсационно-поддавливающее (аккумулирующее) устройство 24, поршневая полость которого соединена с всасыванием насоса 17, заправочные клапаны 25, 26 и датчик 27 перемещения гидродвигателя 16. Гидродвигатель 16 имеет полости и реверсивный подвижный орган - шток или вал (не обозначен). Датчик 27 связан с гидродвигателем 16 зубчато-реечной передачей (не обозначена). Насос 17 связан с приводным двигателем (не изображен). По торцам плунжера поворота наклонного диска (не изображено) насоса 17 располагаются камеры 43, 45. Датчик 27 подключен к одному входу сравнивающего устройства 28, выход которого через усилитель 29 связан с электромеханическим преобразователем 30 управления дросселем 21 первого каскада гидроусилителя, жестко соединенным с распределителем 22 второго каскада. Распределитель 22 выполнен с двумя гидролиниями 31, 32, подключенными к полостям гидродвигателя 16, с одной гидролинией 33, подключенной через гидролинию 40 к заявляемому трехлинейному ограничителю 23 мощности, с двумя гидролиниями 34, 35, соединенными с нагнетанием и всасыванием насоса 16, и с двумя камерами 36, 37 управления. Камера 37 с большей площадью управления подключена ко входу регулируемого дросселя 21 первого каскада, а камера 36 с меньшей площадью - к выходу редукционного клапана 19, соединенному со штоковой полостью компенсационно-поддавливающего устройства 24 и через первый дроссель 38 постоянного сечения - со входом регулируемого дросселя 21 первого каскада. При этом вход редукционного клапана 19 соединен с нагнетанием насоса 17, гидролиния 33 пятилинейного распределителя, подключенная к трехлинейному ограничителю 23 мощности, соединена с камерой 39 управления последнего, с его гидролинией 40 и через второй дроссель 41 постоянного сечения - с гидролинией 42, соединенной с камерой 43 управления насоса 17, воздействующей в направлении увеличения его расхода, третья гидролиния 44 связана с трехлинейным ограничителем 23 мощности и соединена со всасыванием насоса 17, другая камера 45 управления которого, воздействующая в направлении уменьшения расхода, соединена с его нагнетанием.

Заправочный клапан 25 соединен с гидролинией 33 пятилинейного распределителя 22 и с гидролинией 40 трехлинейного ограничителя 23 мощности, а второй клапан 26 через дополнительно установленный клапан 46 подпитки - со всасыванием насоса 17.

На фиг.8 амплитудно-частотная логарифмическая характеристика обозначена IW(jw)I, фазочастотная логарифмическая характеристика обозначена Arg W(jw). На фиг.9, 10 обозначены характеристики переходного процесса: "а" - входной сигнал прямоугольной формы на положительном входе сравнивающего устройства, "b" - ход гидродвигателя, "c" - скорость гидродвигателя, "d" - ход золотника 5, "e" - ход регулирующего органа насоса, Т - давление нагнетания насоса.

Электрогидравлический следящий привод объемно-дроссельного регулирования с заявляемым ограничителем мощности работает следующим образом. Заявляемый ограничитель мощности не используется вне привода, по этому его работа описывается в составе привода.

При выключенном состоянии привода давление нагнетания отсутствует, пружиной 18 регулирующий орган (наклонная шайба и т.п.) насоса 17 установлен в положение максимального хода плунжеров (или поршней), т.е. в положение максимального расхода рабочей жидкости. Давление в камерах 43, 45 и в камерах 36, 37 одинаковое. Пуск двигателя насоса 17 приводит к созданию давления нагнетания, поступающего в камеру 45, в результате чего регулирующий орган насоса 17 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 28 расход энергии минимален. Редукционный клапан 19 устанавливает и в дальнейшем обеспечивает стабильное давление на входе дросселя 38, в камере 36 гидроусилителя, а также в штоковой полости компенсационно-поддавливающего устройства 24, поддерживающего необходимый уровень давления на входе клапана 46 и, следовательно, на всасывании насоса 17. Положение дросселя 21 обеспечивает равновесие золотника распределителя 22 гидроусилителя в нейтральном положении.

При подаче входного сигнала "а" управления на положительный вход сравнивающего устройства 28 этот сигнал, преобразованный усилителем 29, поступает на электромеханический преобразователь 30, изменяющий сопротивление дросселя 21 первого каскада гидроусилителя. Таким образом, давление в камере 36 определяется настройкой редукционного клапана 19, а в камере 37 - результирующим суммарным сопротивлением дросселей 21 и 38. В результате формируется рабочий перепад давления в камерах 36, 37, определяемый соотношением эффективных площадей и давлений в этих камерах, воздействующий на распределитель 22, который перемещается в направлении результирующего усилия. Перемещение распределителя 22 изменяет сопротивление регулируемых дросселей, соединенных с гидролиниями 31, 32, 33, причем гидролиния 33 соединена с той из гидролиний 31, 32, в которой давление больше.

Одновременно перемещение распределителя 22 приводит к восстановлению его равновесия и первоначального сопротивления дросселя 6. Распределитель 22 устанавливается в положении, определяемом значением сигнала на электромеханическом преобразователе 30.

В результате формируется перепад давления на гидролиниях 31, 32 и в полостях гидродвигателя 16. Одновременно, по гидролиниям 33, 40, 42 и через проточку 8 ограничителя 23, открытую пояском 3 золотника 5, давление поступает в камеру 43, в результате чего регулирующий орган насоса 17 переводится в положение подачи заданного значения расхода рабочей жидкости гидродвигателю 16. В одну из полостей гидродвигателя 16 и в гидролинию 33 поступает рабочая жидкость под давлением, определяемым нагрузкой, а из другой полости втесняется на всасывание насоса 17. Значение расхода рабочей жидкости насоса 17 определяет скорость гидродвигателя 16. Перерегулирование по перемещению "b" гидродвигателя 16 отсутствует, его скорость "с" изменяется плавно, особенно под нагрузкой. Длительность переходного процесса от начала подачи сигнала управления до установления стационарного режима перемещения гидродвигателя 16 минимальна, т.к. не превышает длительности перемещения регулирующих звеньев (золотника 5 и регулирующего органа насоса 17), т.е. меньше, чем для аналогов (фиг.9, 10). Перемещение гидродвигателя 16 с нагрузкой контролируется датчиком 27, которому передается перемещение с помощью беззазорной зубчато-реечной передачи. Датчик 27 формирует сигнал отрицательной обратной связи по положению, который устройством 28 алгебраически суммируется с сигналом управления. Сигнал на выходе устройства 28 и усилителя 29 уменьшается до нуля и электромеханический преобразователь 30 возвращается в исходное состояние, что приводит к возвращению в первоначальное состояние дросселя 21, а также распределителя 22. Давление в гидролиниях 31, 32 и в полостях гидродвигателя 16 выравнивается. Давление в гидролинию 33 не поступает и соответственно уменьшается давление в камере 43 насоса 17, регулирующий орган которого возвращается в положение минимальной производительности.

Контур привода с звеном в виде заявляемого ограничителя мощности имеет запас А по фазе, равный 60 градусам при частоте среза 16 Гц (фиг.8), что гарантирует от возникновения автоколебаний. При номинальной нагрузке, для которой построены характеристики фиг.9, 10, коэффициент усиления может повышаться до достижения частоты среза 80 Гц (при нулевом запасе по фазе). При соответствующем снижении нагрузки на гидродвигателе 16 коэффициент усиления может повышаться, а частота среза может быть доведена до 150 Гц.

Заданная нагрузка на гидродвигатель 16 определяет допустимое значение давления насоса 17 и, следовательно, величину допускаемой мощности, потребляемой приводом и пропорциональной произведению значений перепада давления и расхода насоса 17. В случае несанкционированного повышения нагрузки на гидродвигателе 16 и давления нагнетания насоса 17 давление одновременно возрастает в гидролиниях 33, 40 и в камере 39 ограничителя 23. Последний осуществляет регулирование мощности по давлению в камере 39, для чего золотник 5 перемещается в направлении перекрытия пояском 3 проточки 8 и, следовательно, уменьшения проходного сечения, соединяющего гидролинию 40 с гидролинией 42, и уменьшения давления в камере 43 насоса 17, подача которого также уменьшается. Плавность изменения расхода в значительной степени обеспечивается выполнением проточки 8 открытой со стороны торца золотника 5. В случае дальнейшего роста давления нагнетания золотник 5 ограничителя 23 пояском 3 разобщает гидролинии 40, 42, одновременно камера 43 соединена с гидролинией 33 только через дроссель 41, функции которого выполняют срезы на поверхности первого пояска 3 золотника 5, и расход насоса 17 уменьшается до значения, близкого к минимальному. Если рост давления нагнетания не прекращается, золотник 5 перемещается далее и поясок 4 открывает доступ из проточки 9 через рабочую полость 12 к радиальным отверстиям 10, 11, открывая паз последних с шириной «h». В результате ограничитель 23 соединяет гидролинию 42 через радиальные отверстия 10, 11, т.е. только через каналы гильзы 1 (без внешних соединений, которые могли бы увеличить гидравлические потери на этом участке и сузить диапазон регулирования насоса), с гидролинией 44, т.е. непосредственно со всасыванием. При этом выполнение золотника 5 с третьим пояском 6, отделенным от второго пояска 4 проточкой, обеспечивает снижение гидродинамической силы, воздействующей на золотник 5 в период переключения гидролиний, и, тем самым, препятствует запаздыванию и возникновению автоколебаний. Давление в камере 43 становится минимально возможным, регулирующий орган насоса 17 возвращается в положение минимальной подачи и подача (расход) насоса 17 сокращается до минимального значения, возможного при включенном двигателе.

Таким образом, одновременное обеспечение объемного регулирования насоса с помощью заявляемого ограничителя мощности обеспечивает повышение КПД, привода, расширение диапазона пропускаемых частот, улучшение динамических характеристик - запаса устойчивости и качества переходного процесса.

Источники информации

1. SU №661138, 1979.

2. RU №2031256, 1995 (прототип).

Ограничитель предназначен для ограничения потребляемой мощности в системах управления рабочими органами. Ограничитель содержит гильзу со ступенчатой наружной поверхностью и осевым каналом, в котором установлены два цилиндрических рабочих пояска ступенчатого золотника, третий поясок которого снабжен торцевым упором, на наружной поверхности меньшего диаметра гильзы выполнены первая и вторая проточки, соединенные с осевым каналом, а наружная поверхность большего диаметра гильзы выполнена с двумя срезами, поверхности которых соединены отверстиями с осевым каналом, первый поясок расположен у торца золотника, противоположного упору с образованием камеры управления, выполнен с двумя плоскими срезами на наружной поверхности и с возможностью взаимодействия с окнами первой проточки гильзы, второй поясок отделен проточкой от третьего пояска и выполнен с возможностью взаимодействия с радиальными отверстиями гильзы, первая проточка которой открыта с ее торца, а окна второй проточки соединены с рабочей полостью, образованной в осевом канале между поясками золотника. Технический результат - повышение КПД привода, улучшение динамических характеристик - запаса устойчивости и качества переходного процесса. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Ограничитель мощности электрогидравлического следящего привода, содержащий гильзу со ступенчатой наружной поверхностью и осевым каналом, в котором установлены два цилиндрических рабочих пояска подпружиненного ступенчатого золотника, третий поясок которого снабжен торцевым упором и выполнен с диаметром, большим диаметра осевого канала гильзы, на наружной поверхности меньшего диаметра которой выполнены первая и вторая проточки, соединенные с осевым каналом, а наружная поверхность большего диаметра гильзы выполнена с двумя плоскими срезами, поверхности которых соединены радиальными отверстиями с осевым каналом, при этом первый поясок расположен у торца золотника, противоположного упору с образованием камеры управления, выполнен с шириной, меньшей ширины второго пояска, с двумя плоскими срезами на наружной поверхности, и с возможностью взаимодействия с окнами первой проточки гильзы, имеющими длину, большую ширины этого пояска, второй поясок отделен проточкой на золотнике от третьего пояска, расположен на расстоянии от последнего меньшем, чем от первого, и выполнен с возможностью взаимодействия с упомянутыми радиальными отверстиями гильзы, первая проточка которой открыта с ее торца, а окна второй проточки соединены с рабочей полостью, образованной в осевом канале между первым и вторым поясками золотника.2. Ограничитель по п.1, отличающийся тем, что второй поясок расположен на расстояниях от первого и третьего поясков, отношение длин которых составляет 10-12.3. Ограничитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что первая проточка гильзы соединена с осевым каналом двумя окнами прямоугольной формы с длиной, превышающей в 2+0,1 раза ширину первого пояска.4. Ограничитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что вторая проточка гильзы соединена с осевым каналом четырьмя окнами в форме окружности с диаметром, составляющим 0,5+0,05 диаметра осевого канала.5. Ограничитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что радиальные отверстия гильзы выполнены в форме соединенных между собой окружности и прямоугольного паза, ширина которого составляет 0,1-0,3 диаметра этой окружности, расположенного со стороны наружной поверхности гильзы меньшего диаметра.6. Ограничитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что первая проточка и осевой канал гильзы со стороны первого пояска золотника соединены с гидролинией дроссельного регулирования привода, вторая проточка - с гидролинией объемного регулирования привода, а наружная поверхность гильзы с двумя плоскими срезами - со сливом.7. Ограничитель по п.6, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью регулируемого соединения гидролинии дроссельного регулирования с гидролинией объемного регулирования, разобщения их при повышении давления в гидролинии дроссельного регулирования с одновременным их соединением через срезы на поверхности первого пояска золотника, и соединения гидролинии объемного регулирования со сливом при дальнейшем увеличении давления.