ТРЕХКАСКАДНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО РАСХОДУ Российский патент 2012 года по МПК F15B9/07 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к электрогидравлическим автоматическим системам, широко применяемым в различных отраслях техники, где используются быстродействующие электрогидравлические усилители. Это и испытательные стенды в автомобильной и авиационной промышленностях, и мощные виброустановки в современных системах поиска нефти и газа, и прокатные станы в металлургии и ряд других применений.

Известны трехкаскадные электрогидравлические усилители американской фирмы MOOG серии D792 с пилотными двухкаскадными электрогидравлическими усилителями серии D765 [каталог «Сервоклапаны фирмы MOOG Gmbh. Нижегородский филиал, Россия, 2003»].

Указанный трехкаскадный электрогидравлический усилитель, являющийся на сегодняшний день наиболее совершенным, примем в качестве прототипа.

Принципиальная электрогидравлическая схема электрогидравлического усилителя-прототипа изображена на фиг.1 и содержит:

- первый суммирующий операционный усилитель (1) с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал (Uвx);

- второй суммирующий операционный усилитель (2), один вход которого соединен с выходом первого суммирующего операционного усилителя (1);

- электронный усилитель мощности (3), вход которого соединен с выходом второго суммирующего операционного усилителя (2);

- электромеханический преобразователь (4), управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности (3), а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада (5);

- гидрораспределитель первого каскада (5), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива;

- гидрораспределитель второго каскада (6), кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (9), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем первого каскада;

- согласующую аппаратуру (7), вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи (9) гидрораспределителя второго каскада (6), а выход согласующей аппаратуры соединен со вторым входом второго суммирующего операционного усилителя (2);

- гидрораспределитель третьего каскада (11), кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (10), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями, гидравлически соединенный с гидрораспределителем вторго каскада (б) и имеющий две выходные гидролинии для соединения с потребителем;

- согласующую аппаратуру (8), вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи (10) гидрораспределителя третьего каскада (11), а выход согласующей аппаратуры соединен со вторым входом первого суммирующего операционного усилителя (1).

Недостатком рассмотренного электрогидравлического усилителя-прототипа является зависимость распределяемого гидроусилителем расхода рабочей жидкости от перепада давлений от нагрузки в исполнительном устройстве следящего привода, в составе которого работает гидроусилитель, что снижает КПД этого привода.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение отмеченного недостатка.

Поставленная задача решается тем, что трехкаскадный электрогидравлический усилитель содержит:

- первый суммирующий операционный усилитель с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал;

- второй суммирующий операционный усилитель, один вход которого соединен с выходом первого суммирующего операционного усилителя;

- электронный усилитель мощности, вход которого соединен выходом второго суммирующего операционного усилителя;

- электромеханический преобразователь, управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности, а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада;

- гидрораспределитель первого каскада, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива;

- гидрораспределитель второго каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем первого каскада;

- согласующую аппаратуру, вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада, а выход согласующей аппаратуры соединен со вторым входом второго суммирующего операционного усилителя;

- гидрораспределитель третьего каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем второго каскада и имеющей две выходные гидролинии для соединения с потребителем;

- согласующую аппаратуру, вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя третьего каскада,

при этом новым является то, что, согласно изобретению, в принципиальную схему заявленного электрогидравлического усилителя включены:

- электрогидравлический датчик перепада давлений, гидравлически соединенный двумя гидролиниями с выходными гидролиниями гидрораспределителя третьего каскада;

- электронное вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры электрического датчика обратной связи гидрораспределителя третьего каскада, а другой вход соединен с электрическим выходом (U₂) электрогидравлического датчика перепада давлений, выход электронного вычислительного устройства соединен со вторым входом первого суммирующего операционного усилителя.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом (фиг.2), на котором представлена принципиальная электрогидравлическая схема усовершенствованного электрогидравлического усилителя, где P_n и P_l - давления нагнетания и слива в гидролиниях гидроусилителя, P₁ и P₂ - давления в выходных гидролиниях гидроусилителя, и которая содержит:

- первый суммирующий операционный усилитель (1) с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал (U_вх);

- второй суммирующий операционный усилитель (2), один вход которого соединен с выходом первого суммирующего операционного усилителя (1);

- электронный усилитель мощности (3), вход которого соединен с выходом второго суммирующего операционного усилителя (2);

- электромеханический преобразователь (4), управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности (3), а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада (5);

- гидрораспределитель первого каскада (5), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива;

- гидрораспределитель второго каскада (6), кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (9), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем первого каскада (5);

- согласующую аппаратуру (7), вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи (9) гидрораспределителя второго каскада (6), а выход согласующей аппаратуры соединен со вторым входом второго суммирующего операционного усилителя (2);

- гидрораспределитель третьего каскада (11), кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (10), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем второго каскада (6) и имеющий две выходные гидролинии для соединения с потребителем;

- согласующую аппаратуру (8), вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи (10) гидрораспределителя третьего каскада (11);

- электрогидравлический датчик перепада давлений (12), гидравлически соединенный двумя гидролиниями с выходными гидролиниями гидрораспределителя.третьего каскада (11);

- электронное вычислительное устройство (13), один вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры (8) электрического датчика обратной связи (10) гидрораспределителя третьего каскада (11), а другой вход соединен с электрическим выходом электрогидравлического датчика перепада давлений (12), выход электронного вычислительного устройства (13) соединен со вторым входом первого суммирующего операционного усилителя (1).

Заявленный трехкаскадный электрогидравлический усилитель работает следующим образом (см. фиг.2).

На вход первого суммирующего операционного усилителя (1) поступает входной управляющий сигнал (U_вх). Выход первого суммирующего операционного усилителя соединен со входом второго суммирующего операционного усилителя (2), являющегося электрическим входным устройством двухкаскадного электрогидравлического усилителя с электрической обратной связью, замыкаемой от электрического датчика (9) гидрораспределителя второго каскада (6) через согласующую аппаратуру (7) на второй вход второго суммирующего операционного усилителя (2). Указанный двухкаскадный электрогидравлический усилитель обеспечивает требуемые энергетические характеристики для управления гидрораспределителем выходного каскада (11), кинематически связанного с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (10), электрический сигнал с сигнальной обмотки этого датчика (U₁) через согласующую аппаратуру (8) поступает на первый вход электронного вычислительного устройства (13). Второй вход электронного вычислительного устройства (13) соединен с электрическим выходом (U₂) датчика перепада давлений (12), измеряющего разность давлений в выходных гидролиниях заявленного гидроусилителя.

Электронное вычислительное устройство вычисляет сигнал обратной связи по расходу (U_oc), подаваемый на второй вход первого суммирующего операционного усилителя, соответствующий модулю и знаку расхода рабочей жидкости Q, распределяемого заявленным гидроусилителем.

Для пояснения формулы, определяющей модуль и знак сигнала обратной связи U_oc, введем согласующий коэффициент К_с:

;

где - максимальное значение сигнала обратной связи на выходе электронного вычислительного устройства;

,

где Q₀ - расход рабочей жидкости при х₀ и ΔP_n=0;

X₀ - максимальное значение коордонаты, определяющей величину и знак смещения золотника гидрораспределителя выходного каскада от нейтрального положения при максимальном управляющем сигнале (U_BХ) и при ΔP_n=0;

ΔP₀ - располагаемый перепад давлений на входе в гидроусилитель ΔP₀=P_n-P_l;

ΔP_n - перепад давлений в выходных гидролиниях гидроусилителя, ΔP_n=Р₁-P₂;

µ - коэффициент расхода рабочих окон гидрораспределителя,

b_щ - ширина рабочих окон гидрораспределителя,

g - ускорение силы тяжести,

γ - удельный вес рабочей жидкости.

Текущее значение расхода (Q)

,

где х_з - текущее значение координаты золотника гидрораспределителя выходного каскада.

Рассмотрим выражение:

.

Если учесть, что (с учетом того, что соответствует x₀) и , то формула для определения сигнала обратной связи U_oc примет вид:

,

где U₁ - электрический сигнал на выходе согласующей аппаратуры датчика обратной связи гидрораспределителя третьего каскада;

U₂ - электрический сигнал, соответствующий перепаду давлений в выходных гидролиниях гидроусилителя ΔP_n;

- электрический сигнал, соответствующий располагаемому перепаду давлений на входе в гидроусилитель ΔР₀.

При замыкании контура, у которого на входе U_вх, а на выходе х₃, и при последующей подстановке х₃ в формулу для определения расхода рабочей жидкости, распределяемого гидроусилителем, получаем независимость указанного расхода от изменения, в заданных пределах, перепада давлений между выходными гидролиниями гидроусилителя.

В итоге имеем следующее.

Инвариантность скоростной характеристики к изменению перепада давлений от нагрузки гидропривода дроссельного регулирования, управляемого заявленным гидроусилителем.

Увеличение коэффициента полезного действия (КПД) силовой части вышеуказанного гидропривода.

Возможность, в случае необходимости, реализации ограничения по скорости выходного звена исполнительного механизма с помощью ограничения входного сигнала на входе первого суммирующего операционного усилителя.

Трехкаскадный электрогидравлический усилитель с электрической обратной связью по расходу предназначен для автоматических систем, где используются быстродействующие двух- и трехкаскадные электрогидравлические усилители. Усилитель содержит первый суммирующий операционный усилитель с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал; второй суммирующий операционный усилитель, один вход которого соединен с выходом первого суммирующего операционного усилителя; электронный усилитель мощности, вход которого соединен с выходом второго суммирующего операционного усилителя; электромеханический преобразователь, управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности, а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада; гидрораспределитель первого каскада, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива; гидрораспределитель второго каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива и двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем первого каскада; согласующую аппаратуру, вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада, а выход согласующей аппаратуры соединен со вторым входом второго суммирующего операционного усилителя; гидрораспределитель третьего каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем второго каскада и имеющий две выходные гидролинии для соединения с потребителем; согласующую аппаратуру, вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя третьего каскада; электрогидравлический датчик перепада давлений, гидравлически соединенный двумя гидролиниями с выходными гидролиниями гидрораспределителя третьего каскада; электронное вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры электрического датчика обратной связи гидрораспределителя третьего каскада, а другой вход соединен с электрическим выходом электрогидравлического датчика перепада давлений, выход электронного вычислительного устройства соединен со вторым входом первого суммирующего операционного усилителя. Технический результат - усовершенствованный электрогидравлический усилитель при работе в составе электрогидравлического следящего привода дроссельного регулирования обеспечивает: 1) инвариантность скоростной характеристики привода по отношению к изменению перепада давлений от нагрузки, 2) увеличение коэффициента полезного действия (КПД) силовой части привода в рабочем диапазоне изменения перепада давлений от нагрузки, 3) возможность, в случае необходимости, реализации ограничения по скорости выходного звена исполнительного механизма с помощью ограничения входного сигнала на входе первого суммирующего операционного усилителя. 2 ил.

Трехкаскадный электрогидравлический усилитель с электрической обратной связью по расходу, содержащий:
- первый суммирующий операционный усилитель с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал;
- второй суммирующий операционный усилитель, один вход которого соединен с выходом первого суммирующего операционного усилителя;
- электронный усилитель мощности, вход которого соединен с выходом второго суммирующего операционного усилителя;
- электромеханический преобразователь, управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности, а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада;
- гидрораспределитель первого каскада, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива;
- гидрораспределитель второго каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединный с гидролиниями нагнетания и слива и двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем первого каскада;
- согласующую аппаратуру, вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада, а выход согласующей аппаратуры соединен со вторым входом второго суммирующего операционного усилителя;
- гидрораспределитель третьего каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем второго каскада и имеющий две выходные гидролинии для соединения с потребителем;
- согласующую аппаратуру, вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя третьего каскада,
отличающийся тем, что в принципиальную схему заявленного электрогидравлического усилителя включены:
- электрогидравлический датчик перепада давлений, гидравлически соединенный двумя гидролиниями с выходными гидролиниями гидрораспределителя третьего каскада;
- электронное вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры электрического датчика обратной связи гидрораспределителя третьего каскада, а другой вход соединен с электрическим выходом электрогидравлического датчика перепада давлений; выход электронного вычислительного устройства соединен со вторым входом первого суммирующего операционного усилителя.