ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК G05D16/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области элктрогидроавтоматики, в частности к автоматическим системам, в которых применяются преобразователи электрического сигнала постоянного или переменного тока в гидравлический.

Уровень техники

Известен ряд преобразователей того же назначения (аналогов), совокупность признаков которых сходна с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения.

Электрогидравлический преобразователь служит для преобразования электрического сигнала постоянного или переменного тока в сигнал в виде давления жидкости.

Известны электрогидравлические преобразователи [Справочник по средствам автоматики / Б.И.Филиппович, А.П.Шарыгин, В.А.Царьков и др. Под ред. В.Э.Низе и И.В.Антика. - М.: Энергоиздат, 1983, с.409-413], содержащие электромеханический и механогидравлический преобразователи, соединенные последовательно.

Электромеханические преобразователи выполняются с применением различных физических эффектов: магнитоэлектрических, электромагнитных, электромашинных и др.

Известные механогидравлические преобразователи представляют собой дроссель переменного сечения, выполненный в виде золотника, сопла с подвижной заслонкой или струйной трубки. Под воздействием входного сигнала (например, выходного сигнала электромеханического преобразователя) происходит перемещение управляющего элемента (золотника, заслонки или струйной трубки), что приводит к изменению проходного сечения канала, по которому движется рабочая жидкость в напорной магистрали от насоса к исполнительному механизму. Вследствие этого изменяется давление в рабочих полостях исполнительного механизма. Все известные механогидравлические преобразователи являются преобразователями расходного типа и давление на их выходе зависит от перемещения золотника, подвижной заслонки или струйной трубки и от давления питания [Танатар А.И. Элементы промышленной автоматики и их динамические свойства. - Киев.: Техника, 1975. - (с.152-163)].

Для построения аналоговых электрогидравлических преобразователей обычно используются компенсационные схемы, обеспечивающие стабильность преобразования, но из-за конструктивной сложности, присущей таким устройствам, стремятся использовать преобразователи прямого преобразования [Справочник по средствам автоматики / Б.И.Филиппович, А.П.Шарыгин, В.А.Царьков и др. Под ред. В.Э.Низе и И.В.Антика. - М.: Энергоиздат, 1983, с.410]. Для конструкций электрогидравлических преобразователей прямого преобразования характерна зависимость выходного сигнала от колебаний давления питания и окружающих условий, прежде всего от температуры [Справочник по средствам автоматики / Б.И.Филиппович, А.П.Шарыгин, В.А.Царьков и др. Под ред. В.Э.Низе и И.В.Антика. - М.: Энергоиздат, 1983, с.411].

Аналог предлагаемого изобретения, наиболее близкий к нему по совокупности существенных признаков (прототип)

Известен электрогидравлический преобразователь электрического сигнала (тока) в давление жидкости (регулятор давления с пропорциональным управлением) [Гойдо И.Е. Гидроаппаратура с пропорциональным электрическим управлением. - Челябинск, 2000, с.19-22], состоящий из следующих основных частей: двух пропорциональных электромагнитов, корпуса, золотника и двух поршней, выполненных с цилиндрическими головками большего диаметра и установленных в осевых расточках золотника со стороны его торцов. Со стороны каждого из своих концов золотник подпружинен относительно корпусных деталей. Регулятор имеет один напорный, один сливной, а также два рабочих канала, к которым подсоединяется потребитель.

Этот преобразователь имеет существенные недостатки. Золотник имеет перекрытие рабочих окон, что способствует образованию зоны нечувствительности, которая также увеличивается в связи с необходимостью компенсации усилия пружин золотника. При движении жидкости через преобразователь (регулятор) к потребителю и от него перепад давления на выходе регулятора (в его рабочих каналах) помимо величины управляющего сигнала зависит еще от расхода рабочей жидкости. Последнее обстоятельство связано с изменением равновесного положения золотника относительно корпуса (для пропускания рабочей жидкости) и с обусловленным данным обстоятельством изменением усилия деформации пружин золотника, а также появлением осевых гидродинамических сил, действующих на золотник со стороны жидкости, протекающей через открытые им рабочие окна. Поскольку пропускная способность регулятора давления ограничена, то при течении через регулятор жидкости погрешность в его работе (отклонение перепада давления на выходе регулятора от соответствующей величины при нулевом расходе жидкости и прочих равных условиях) может быть значительной. Этот известный электрогидравлический преобразователь (регулятор давления с пропорциональным управлением) имеет слишком сложную конструкцию.

Сущность изобретения

Предлагаемый электрогидравлический преобразователь содержит (Фиг.1. Электрогидравлический преобразователь с прямо пропорциональной зависимостью давления воздуха на выходе от выходного сигнала блока управления: а - принципиальная блок-схема; б - статическая характеристика) блок управления 1, подключенный к микропроцессорному контроллеру 2, подключенному к усилителю 3, питающему обмотку 4 электромагнита, температура которой измеряется датчиком температуры 5, также подключенным к микропроцессорному контроллеру 2; якорь 6 электромагнита опирается на мембранную головку 7, лежащую на мембране 8 и имеющую верхнее седло 9 регулирующего двухседельного клапана 10, поддерживаемого поддерживающей пружиной 12, нижнее впускное седло 10 которого закреплено в перегородке, разделяющей корпус механогидравлического преобразователя на две камеры: камеру А давления питания, закрываемую нижним впускным клапаном, и камеру В выходного давления, мембранная головка 7 имеет канал выхода жидкости в камеру С, соединенную с атмосферой.

С целью регулирования давления на выходе электрогидравлического преобразователя (в рабочем трубопроводе) в обратно пропорциональной зависимости от тока в обмотке 4 катушки электромагнита (Фиг.2. Электрогидравлический преобразователь с обратно пропорциональной зависимостью давления воздуха на выходе от выходного сигнала блока управления: а - принципиальная блок-схема; б - статическая характеристика) на якорь 6 электромагнита опирается измерительная пружина 14, упирающаяся в регулировочный винт 15.

Для уменьшения влияния сил трения и повышения тем самым точности преобразования сигналов в электрогидравлическом преобразователе (Фиг.3. Принципиальная блок-схема электрогидравлического преобразователя с уменьшенным влиянием сил трения на его характеристики) якорь 6 электромагнита подвешен на двух плоских пружинах 16.

Для обеспечения увеличенных расходов жидкости измерительный элемент преобразователя может быть выполнен в виде поршня 17 с уплотнением 18 (Фиг.4. Принципиальная блок-схема электрогидравлического преобразователя с поршневым измерителем выходного давления).

Для обеспечения еще больших расходов жидкости через преобразователь к его выходному трубопроводу подключен гидроусилитель, у которого седло выпускного клапана 9 закреплено на двух поршнях 19 и 20, пространство между которыми соединено с атмосферой (Фиг.5. Принципиальная блок-схема электрогидравлического преобразователя с гидроусилителем).

Таким образом, электрогидравлический преобразователь состоит из электромеханического преобразователя, содержащего элементы 1-6, и механогидравлического преобразователя, содержащего элементы 7-16. Механогидравлический преобразователь является преобразователем безрасходного типа, так как принцип его действия основан не на зависимости выходного давления от соотношения расходов жидкости через дроссели, а на принципе уравновешивания (компенсации) сил, действующих в нем. В предлагаемом электрогидравлическом преобразователе отсутствуют перемещения, определяющие характеристику преобразователя. В нем также уменьшено влияние сил трения на характеристики. Он обладает большей простотой конструкции, более высокой точностью преобразования сигналов и большей надежностью, чем известные электрогидравлические преобразователи.

Предлагаемый электрогидравлический преобразователь работает следующим образом. При установившемся режиме, то есть при постоянном значении входных сигналов блока управления 1 Х_ВХ, датчика 5 температуры обмотки 4 катушки электромагнита и тока I_K в обмотке катушки 4, сила F_Э электромагнита на якоре 6 постоянна, воздействует на мембранную головку 7 и уравновешивается силой F_M давления жидкости Р₂ на выходе электрогидравлического преобразователя на мембрану 8. При этом F_M=F_Э, а давление Р₂=F_Э/S_M, где S_M - эффективная площадь мембраны 8. Ток I_K в обмотке катушки 4 определяется входными сигналами блока управления 1 Х_вх и датчика 5 температуры обмотки 4.

При увеличении выходного сигнала блока управления 1 увеличиваются ток I_K в обмотке 4 и сила электромагнита F_Э, которая становится больше силы F_M. Под действием усилия, равного разности сил F₂ и F_M, мембрана 8 прогибается вниз, регулирующий двухседельный клапан 10 открывает нижнее впускное седло 11. Жидкость из камеры А поступает через нижнее впускное седло 11 в камеру В, и давление Р₂ на выходе электрогидравлического преобразователя увеличивается. При этом увеличивается сила F_M, и при достижении этой силой значения, равного F_Э, мембранная головка 7 поднимается и регулирующий двухседельный клапан 10 закрывает нижнее впускное седло 11. Давление P₂ становится постоянным и равным F_Э/S_M.

При уменьшении выходного сигнала блока управления 1 уменьшаются ток I_K в обмотке катушки 4 и сила электромагнита F_Э, которая становится меньше силы F_M2. Под действием усилия, равного разности сил F_M и F_Э, мембрана 8 прогибается вверх, регулирующий двухседельный клапан 10 открывает верхнее выпускное седло 9. Жидкость из камеры В поступает через верхнее выпускное седло 9 в камеру С, то есть в атмосферу, и давление P₂ на выходе электрогидравлического преобразователя уменьшается. При этом уменьшается сила F_M и при достижении ею значения, равного

F_Э, мембранная головка 7 опускается и регулирующий двухседельный клапан 10 закрывает верхнее выпускное седло 9. Давление Р₂ становится постоянным и равным F_Э/S_M.

Таким образом, электрогидравлический преобразователь работает на принципе уравновешивания (компенсации) сил, действующих в нем: силы якоря 6 электромагнита F_Э, силы давления жидкости Р₂ на мембрану 8 и мембранную головку 7 F_M и силы измерительной пружины F_П. Кроме этих основных сил, есть еще сила действия на регулирующий двухседельный клапан 10 поддерживающей пружины 12 и силы веса якоря 6 электромагнита и измерительной пружины 14. Однако эти последние три силы малы, постоянны и не оказывают влияния на характеристики электрогидравлического преобразователя.

При постоянном значении тока I_K в обмотке 4 давление Р₂, поддерживается постоянным. Утечки воздуха в рабочем воздухопроводе уменьшают силу F_M, и равенство F_M=F_Э нарушается. Восстановление равновесия сил происходит так же, как и при увеличении тока I_K в обмотке 4.

Таким образом, при увеличении тока Iк в обмотке 4 давление Р₂ на выходе электрогидравлического преобразователя увеличивается (см. фиг.1, а).

В случае применения в электрогидравлическом преобразователе измерительной пружины 14 и регулировочного винта 15 (см. фиг.2) при токе I_K в обмотке 4, равном нулю, сила F_Э=0 и давление на выходе электрогидравлического преобразователя P₂=F_П/S_М, где F_П - сила затяжки измерительной пружины 14, которая посредством якоря 6 воздействует на мембранную головку 7. При увеличении тока I_K в обмотке 4 (но уже обратного направления, чем в первом случае) сила - F_Э увеличивается, сила давления якоря 6 на мембранную головку 7 F_M уменьшается, так как F_N=F_П-F_Э, и давление Р₂ на выходе электрогидравлического преобразователя уменьшается. Таким образом, при увеличении тока I_K в обмотке 4 (но уже обратного направления, чем в первом случае) давление Р₂ на выходе электрогидравлического преобразователя не увеличивается, а уменьшается (см. фиг.2).

При изменении (например, повышении) температуры обмотки 4 электромагнита, то есть при отклонении от некоторого заданного значения, выходной сигнал датчика температуры 5 отклоняется от заданного значения, что приводит к изменению тока I_K в обмотке 4 и к уменьшению давления Р₂ на выходе электрогидравлического преобразователя при постоянном значении выходного сигнала блока управления 1. Такое отклонение выходного сигнала датчика температуры 5 от заданного значения приводит к тому, что микропроцессорный контроллер 2 изменяет входной сигнал усилителя 3 таким образом, чтобы значение тока I_K в обмотке 4 всегда соответствовало значению выходного сигнала блока управления 1. Таким образом компенсируется влияние температуры обмотки 4 на статическую характеристику электрогидравлического преобразователя р₂=f(Х_хв).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения

Технический результат заключается в обеспечении пропорциональной зависимости давления воздуха на выходе преобразователя от выходного сигнала блока управления независимо от колебания давления перед ним, утечек в рабочем воздухопроводе, температуры и других факторов.

Технический результат достигается за счет того, что электрогидравлический преобразователь, содержащий обмотку электромагнита, подключенную к электрическому усилителю, якорь электромагнита, механогидравлический преобразователь и датчик температуры обмотки, отличается тем, что электрический усилитель подключен к выходу микропроцессорного контроллера, к двум входам которого подключены блок управления преобразователем и датчик температуры обмотки, якорь электромагнита опирается на измеритель выходного давления - мембранную головку, лежащую на мембране и имеющую соединенное с атмосферой верхнее выпускное седло регулирующего двухседельного клапана, поддерживаемого поддерживающей пружиной, нижнее впускное седло которого закреплено в перегородке, разделяющей корпус механогидравлического преобразователя на две камеры: камеру давления питания, закрываемую нижним впускным клапаном, и камеру выходного давления, закрываемую верхним выпускным клапаном и мембраной.

На якорь электромагнита опирается измерительная пружина, упирающаяся в регулировочный винт.

Якорь электромагнита подвешен на двух плоских пружинах.

Измеритель выходного давления выполнен в виде поршня с закрепленным на нем седлом выпускного клапана.

К выходному трубопроводу преобразователя подключен гидроусилитель, у которого седло выпускного клапана закреплено на двух поршнях, пространство между которыми соединено с атмосферой.

Перечень фигур

Фиг.1. Электрогидравлический преобразователь с прямо пропорциональной зависимостью давления воздуха на выходе от тока в обмотке электромагнита: а - принципиальная блок-схема; б - статическая характеристика.

Фиг 2. Электрогидравлический преобразователь с обратно пропорциональной зависимостью давления воздуха на выходе от тока в обмотке электромагнита: а - принципиальная блок-схема; б - статическая характеристика.

Фиг 3. Принципиальная блок-схема электрогидравлического преобразователя с уменьшенным влиянием сил трения на его характеристики.

Фиг.4. Принципиальная блок-схема электрогидравлического преобразователя с поршневым измерителем выходного давления.

Фиг.5. Принципиальная блок-схема электрогидравлического преобразователя с гидроусилителем.

Изобретение относится к области электрогидроавтоматики, в частности к автоматическим системам, в которых применяются преобразователи электрического сигнала постоянного или переменного тока в гидравлический. Электрогидравлический преобразователь содержит обмотку электромагнита, подключенную к электрическому усилителю, якорь электромагнита, механогидравлический преобразователь и датчик температуры обмотки. Электрический усилитель подключен к выходу микропроцессорного контроллера, к двум входам которого подключены блок управления преобразователем и датчик температуры обмотки. Якорь электромагнита опирается на измеритель выходного давления - мембранную головку, лежащую на мембране и имеющую соединенное с атмосферой верхнее выпускное седло регулирующего двухседельного клапана, поддерживаемого поддерживающей пружиной, нижнее впускное седло которого закреплено в перегородке, разделяющей корпус механогидравлического преобразователя на камеру давления питания, закрываемую нижним впускным клапаном, и камеру выходного давления, закрываемую верхним выпускным клапаном и мембраной. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение точности и надежности. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрогидравлический преобразователь, содержащий обмотку электромагнита, подключенную к электрическому усилителю, якорь электромагнита, механогидравлический преобразователь и датчик температуры обмотки, отличающийся тем, что электрический усилитель подключен к выходу микропроцессорного контроллера, к двум входам которого подключены блок управления преобразователем и датчик температуры обмотки, якорь электромагнита опирается на измеритель выходного давления - мембранную головку, лежащую на мембране и имеющую соединенное с атмосферой верхнее выпускное седло регулирующего двухседельного клапана, поддерживаемого поддерживающей пружиной, нижнее впускное седло которого закреплено в перегородке, разделяющей корпус механогидравлического преобразователя на две камеры: камеру давления питания, закрываемую нижним впускным клапаном, и камеру выходного давления, закрываемую верхним выпускным клапаном и мембраной.

2. Электрогидравлический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на якорь электромагнита опирается измерительная пружина, упирающаяся в регулировочный винт.

3. Электрогидравлический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что якорь электромагнита подвешен на двух плоских пружинах.

4. Электрогидравлический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что измеритель выходного давления выполнен в виде поршня с закрепленным на нем седлом выпускного клапана.

5. Электрогидравлический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что к его выходному трубопроводу подключен гидроусилитель, у которого седло выпускного клапана закреплено на двух поршнях, пространство между которыми соединено с атмосферой.