ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ МОРСКОЙ ВОДЫ Российский патент 2015 года по МПК F15B13/43 

Область техники

Изобретение относится к электрогидравлическим устройствам для распределения или питания, приспособленным для управления сервомеханизмами с электрически управляемыми пилотными клапанами, с морской водой в качестве рабочей жидкости.

Уровень техники

Известен клапанный трехлинейный трехпозиционный (3/3) гидравлический распределитель с защитой линии отвода от перегрузок, ее запирание и демпфирование (патент RU 2375611, МПК F15B 13/044, опубл. 10.12.2009), предназначенный для подвода и отвода жидкости в полость гидродвигателя с защитой ее от перегрузок, запирания полости и удержания груза на весу, вытеснения жидкости из полости гидродвигателя с демпфированием для обеспечения равномерного движения с любой заданной скоростью. Распределитель содержит прямоугольный металлический корпус стыкового монтажа с отводной, подводной и сливной линиями, предохранительный клапан с пилотом, управляемый клапан с пилотом и два обратных клапана, каждый из которых включает втулку-седло, шарик и пружину. При этом в торец корпуса, по длинной его оси, встроен предохранительный клапан с двумя управляющими клапанами и пилотом. Перпендикулярно длинной оси корпуса встроен управляемый клапан с пилотом. При этом подклапанная полость предохранительного клапана соединена каналом с боковой поверхностью затвора управляемого клапана и линией отвода, линия подвода подключена к подклапанной полости управляемого клапана, линия слива соединена с боковой поверхностью предохранительного клапана, а в отводящих каналах линий отвода и подвода установлены обратные клапаны, герметично перекрывающие последние от перетечек жидкости из одной линии в другую.

Однако этот гидрораспределитель относится к гидроприводу карьерного бурового станка. Другие области применения изобретения: гидропривод управления ковшом экскаватора, гидроподъемники, гидравлические прессы и листогибы. И он никак не приспособлен для работы с агрессивной и низковязкой морской водой в качестве рабочей жидкости. Кроме того, этот 3/3 гидрораспределитель имеет сложную гидравлическую схему.

Наиболее близким аналогом по конструкции можно признать четырехлинейный трехпозиционный (4/3) электрогидравлический седельный (клапанный) распределитель с управлением от пилота или с помощью каналов управления - разработки и производства немецкой компании Бош Рексрот (Bosch Rexroth Книга: Гидропривод. Основы и компоненты. Учебный курс по гидравлике, том 1, издательство: Бош Рексрот АГ, 2003 г., стр. 195-197). Этот гидрораспределитель содержит запорно-регулирующие элементы (ЗРЭ) клапанного типа с электрогидравлическим управлением - электромеханический преобразователь (первый каскад) и пилотный второй каскад с двумя конусными ЗРЭ, а в основном третьем каскаде запирание одной из полостей происходит за счет наличия перепада давлений нагнетания, подводимого под торцы четырех конусных ЗРЭ с пружинами.

Распределитель 4/3 означает, что к нему подходят 4 линии (нагнетание от насоса слив и две рабочие линии к гидродвигателю), а находиться распределитель может в 3-х состояниях (подача в одну линию гидродвигателя и слив из другой, подача и слив в обратном направлении и среднее нейтральное положение).

В клапанных (седельных) гидрораспределителях в корпусе имеются ЗРЭ, выполненные в виде шариков или конусов. Эти элементы автоматически прижимаются к седлам пружинами и отжимаются от седел плунжерами. Каналы для рабочей жидкости расположены перед и после запорного элемента. Поток всегда движется от запорного элемента к седлу. Это единственный путь управления потоком (прерывания или пропускания). В противоположном направлении присутствует эффект обратного клапана.

Места контакта между запорным элементом и седлом герметичны, что идеально для гидравлических зажимных и фиксирующих механизмов. Кстати, применение клапанного (а не золотникового) распределителя еще лучше тогда, когда рабочая жидкость в гидравлике - морская вода, вязкость которой намного меньше, чем у масла, из-за чего ее утечки могут быть значительно больше в случае золотникового распределителя.

Однако прототипный гидрораспределитель также не предназначен и не приспособлен для работы с электролитически агрессивной и низковязкой морской водой в качестве рабочей жидкости, а также не содержит управляемый гидрозамок для запирания полостей гидродвигателя и удержания груза в подвешенном состоянии.

Раскрытие изобретения

Задача предлагаемого изобретения - значительное улучшение конструкции гидрораспределителя для работы с электролитически агрессивной и маловязкой морской водой в качестве рабочей жидкости гидрораспределителя в приводах подводного робота.

Конструкция предлагаемого гидрораспределителя компактнее, чем у прототипа, за счет того, что в предлагаемом распределителе в третьем каскаде только один блок с парой шариков, а в прототипе - два блока с двумя парами шариков и с пружинами. Также в конструкции прототипа нет гидрозамка, используемого в предлагаемом гидрораспределителе для герметичного запирания полостей исполнительных двигателей после прекращения подачи рабочей жидкости и удержания их в статическом положении. Совмещать гидрораспределитель с гидрозамком также необходимо для обеспечения безопасности, а именно: если оборвалась гидравлическая линия, то полости гидродвигателя при наличии гидрозамка окажутся запертыми, и при этом давление в полостях будет продолжать держать вес груза. При применении предлагаемого гидрораспределителя в подводном манипуляторе это необходимо для удержания груза в схвате манипулятора в случае его аварии.

Также в прототипе в таблице его технических данных указано, что рабочей жидкостью является минеральное масло, а предлагаемый гидрораспределитель должен работать на морской воде, поэтому в нем были применены материалы, пригодные для работы с морской водой, а именно: полимерный материал - полиарилэфиркетон VICTREX PEEK WG102 (разработки и производства компании VICTREX plc) - этот материал инертен к морской воде и может быть использован при высоких скоростях и больших уровнях P·V (например, при скорости V=1 м/с и давлении Р=8 МПа мощность Ρ·V будет около 8 МПа·м/с). Главным преимуществом выбора VICTREX РЕЕК для работы с морской водой является следующая высокоэффективная совокупность свойств этого материала: хорошие антифрикционные свойства; высокая механическая прочность; способность работать в паре трения с титаном в условиях недостаточной или даже отсутствующей смазки.

Детали предлагаемого гидрораспределителя с гидрозамком выполнены преимущественно из титанового деформируемого сплава ВТ6. Во всех сопрягаемых взаимоподвижных деталях в гидрораспределителе, представляющих собой пару трения, таких, например, как плунжер-гильза, одна из сопрягаемых деталей сделана из титана (титанового деформируемого сплава ВТ6), а другая - с применением антифрикционного полимерного материала - полиарилэфиркетона VICTREX PEEK WG102 (в паре плунжер-гильза: гильза - титановая, а плунжер - со вставками опорных колец из VICTREX РЕЕК).

В конструкции присутствуют плунжеры, которые состоят из двух опорных колец по бокам из VICTREX РЕЕК и между ними по центру плунжера стоит комбинированное уплотнительное кольцо, составленное из двух колец: внутреннего - резинового кольца и внешнего - из коксонаполненого фторопласта.

Кроме того, так как распределитель используют в морской воде, а его магнитопровод с якорем сделаны из магнитной углеродистой стали, то они должны быть дополнительно залиты герметизирующим защитным компаундом. Ведь в морской воде титан со сталью образуют сильную электролитическую пару, и сталь будет ускоренно корродировать в морской воде из-за титана, находящегося в непосредственной близости от стали. Чтобы избежать это, необходимо применение герметизирующих сталь и стойких к морской воде с большим давлением (примерно до 60 МПа) компаундов. Одним из таких компаундов является гелькоут (гелеобразное отверждаемое покрытие), который является изолятором углеродистой стали электромагнитного каскада гидрораспределителя от агрессивного корродирующего влияния титана в соленой морской воде (примечание: конкретно был использован гелькоут белый серии 10000 - двухкомпонентный эпоксидный компаунд эпитал по ТУ 5772-111-18826195-00).

Шарики ЗРЭ также являются практически коррозионно-стойкими керамическими и сделаны из нитрида кремния Si₃N₄, твердого тугоплавкого материала, который имеет кристаллическую решетку, аналогичную решетке алмаза.

Таким образом, предлагаемый гидравлический распределитель имеет клапанную четырехлинейную трехпозиционную симметричную гидравлическую схему с линиями нагнетания, слива и двумя выходными линиями к раздельным полостям гидродвигателя и содержит три каскада усиления, при этом первый каскад - электрогидравлический с двумя дискретными электромагнитами с толкателями двух клапанных запорно-регулирующих элементов (ЗРЭ) с четырьмя рабочими кромками второго пилотного каскада, управляющего третьим каскадом также с клапанными ЗРЭ. Причем третий каскад также содержит два ЗРЭ с четырьмя рабочими кромками, при этом линии управления второго пилотного каскада подведены к торцам двух плунжеров толкателей третьего каскада, в центры второго и третьего каскадов между их ЗРЭ подведены линии нагнетания насоса, а линии слива подведены к полостям толкателей ЗРЭ второго и третьего каскадов. Далее управляющие линии третьего каскада подведены к полостям с толкателями центрального плунжера для двух ЗРЭ с двумя рабочими кромками гидрозамка и с двумя боковыми полостями с пружинами поджатая ЗРЭ к рабочим кромкам. Указанные боковые полости гидрозамка содержат выходные линии с возможностью соединения с рабочими полостями гидродвигателя. Кроме того, с учетом морской воды в качестве рабочей жидкости гидрораспределителя, во всех сопрягаемых взаимоподвижных деталях в гидрораспределителе с гидрозамком, представляющих собой пару трения, таких как плунжер-гильза, одна из сопрягаемых деталей сделана из титана или титанового деформируемого сплава ВТ6, а другая - с применением антифрикционного полимерного материала. Магнитопроводы с якорями дискретных электромагнитов из магнитной углеродистой стали дополнительно герметично залиты защитным компаундом, а ЗРЭ выполнены керамическими. Также рабочий ход каждого из двух шариков ЗРЭ третьего каскада между рабочими кромками составляет ориентировочно около 2% от диаметра этих шариков, чтобы не возникало ситуаций коммутации центральной линии нагнетания с линий слива через шариковый клапан третьего каскада в его нейтральном положении.

Перечень фигур

Фиг. 1 - принципиальная схема устройства предлагаемого гидрораспределителя;

Фиг. 2 - условное графическое обозначение предлагаемого гидрораспределителя.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 сверху вниз представлены все каскады усиления предлагаемого гидрораспределителя с гидрозамком для морской воды (симметричная схема).

Обозначения на фиг. 1: Ρ - линия высокого давления нагнетания, Τ - линия низкого давления слива, P_A и P_B (или A и B) - выходные рабочие линии из полостей гидрозамка к полостям гидродвигателя.

Позиции на фиг. 1: 1 - шарик ЗРЭ второго пилотного каскада, 2 - дискретный электромагнит первого каскада, 3 - толкатель первого каскада, 4 - плунжер с толкателем третьего каскада, 5 - шарик ЗРЭ третьего каскада, 6 - пружина гидрозамка, 7 - шарик гидрозамка, 8 - единый центральный плунжер с двумя толкателя двух шариков гидрозамка.

Первый каскад (сверху) - электромагнитный, представляет собой два толкателя, поджатых якорями своих дискретных электромагнитов.

Второй - пилотный каскад, который состоит из двух шариков ЗРЭ с четырьмя рабочими кромками с двух сторон от ЗРЭ типа сфера на кромку. ЗРЭ пилотного каскада выполнены таким образом, что с одной стороны (с центра между ними) они поджаты высоким давлением нагнетания, а с противоположных боковых сторон шарики поджаты толкателями первого каскада.

Третий - основной каскад также состоит из двух шариков ЗРЭ с четырьмя рабочими кромками с двух сторон от ЗРЭ типа сфера на кромку, с одной стороны (с центра между ними) поджатых высоким давлением нагнетания, а с противоположных боковых сторон шарики поджаты толкателями плунжеров, под торцы плунжеров подведены давления управления с выходов второго пилотного каскада.

Гидрозамок конструктивно выполнен из двух шариков ЗРЭ, поджатых с противоположных боковых сторон пружинами, а между шариками установлен общий центральный плунжер с двумя толкателями шариков. Управляющие линии третьего каскада соединены с полостями гидрозамка между шариками и центральным плунжером.

Три позиции гидрораспределителя связаны с состояниями дискретных электромагнитов: оба выключены либо включен один из них (одновременное включение обоих электромагнитов является нерабочим состоянием, но, конечно, не ведет к аварии).

На фиг. 1 гидрораспределитель с гидрозамком представлен в нейтральном положении при обоих выключенных электромагнитах. В этом положении полости гидродвигателя запираются гидрозамком, в том числе с удержанием груза в подвешенном состоянии.

Позицию соединения (P-B и A-T) производят путем включения электромагнита правого пилота при выключенном левом электромагните. При этом его толкатель перемещается влево, создавая усилие, которое прижимает правый шарик ЗРЭ пилотного каскада к его левой кромке, и при этом правый канал управления пилотного каскада коммутируется со сливом, правый шарик третьего каскада под перепадом давления также прижимается к своей правой кромке, и высокое давление через соответствующую полость гидрозамка поступает в линию В. В это же время при выключенном левом электромагните под торец левого плунжера третьего каскада поступает высокое давление нагнетания. Усилие, создаваемое этим давлением, прижимает левый ЗРЭ третьего каскада к его правой кромке и соответственно линия слива коммутируется через левую полость с толкателем третьего каскада и далее через левую полость - с толкателем гидрозамка с линией А.

Аналогично устанавливается противоположная позиция соединения P-A и B-T за счет включения левого электромагнита пилота при правом выключенном электромагните.

В предлагаемом гидрораспределителе, помимо одинакового с прототипом электромагнитного управления, нет дополнительных гидравлических каналов управления как в прототипе (каналы x, y), с помощью которых можно управлять пилотным каскадом. Каналы управления обычно используются, если есть какие-то ограничения по общей затрачиваемой мощности, то есть когда потери энергии играют значительную роль в гидросистеме, используют, например, два насоса. Один создает высокое давление - исполнительное (например, 15 МПа), а второй - давление управления (например, 4 МПа), как раз для запитывания пилотного каскада по гидроканалам x, y.

В гидроприводах подводного манипулятора на морской воде такие ограничения по техническому заданию отсутствовали, поэтому пилотный и основной каскады запитываются единым насосом с высоким давлением 15 МПа.

Конкретные геометрические величины следующие: диаметр шариков пилотного второго каскада 3 мм, их рабочий ход порядка 1 мм; диаметры шариков третьего каскада и гидрозамка по 14 мм. Ход шариков третьего каскада порядка 0,3 мм (около 2% от диаметра шарика 14 мм для установления перепада давлений порядка 1 МПа на клапане третьего каскада для нормальной работы, чтобы не возникало ситуаций коммутации через клапан третьего каскада линии давления нагнетания с линией слива).

На фиг. 2 представлено условное графическое обозначение предлагаемого гидрораспределителя со всеми каскадами, типами клапанов, типом электромагнитного управления и показом гидрозамка с пружинами.

Распределитель предназначен для распределения или питания для сервомеханизмов, у которых в качестве рабочей жидкости используется морская вода. Распределитель имеет клапанную четырехлинейную трехпозиционную симметричную гидравлическую схему с линиями нагнетания, слива и двумя выходными линиями к раздельным полостям гидродвигателя. Он содержит три каскада усиления и гидрозамок. Все запорно-регулирующие элементы выполнены в виде шариков. Технический результат - значительное улучшение конструкции гидрораспределителя для работы с электролитически агрессивной и маловязкой морской водой в качестве рабочей жидкости гидрораспределителя в приводах подводного робота. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидравлический распределитель, имеющий клапанную четырехлинейную трехпозиционную симметричную гидравлическую схему с линиями нагнетания, слива и двумя выходными линиями к раздельным полостям гидродвигателя и содержащий три каскада усиления, при этом первый каскад - электрогидравлический с двумя дискретными электромагнитами с толкателями двух клапанных запорно-регулирующих элементов (ЗРЭ) с четырьмя рабочими кромками второго пилотного каскада, управляющего третьим каскадом также с клапанными ЗРЭ, отличающийся тем, что третий каскад также содержит два ЗРЭ с четырьмя рабочими кромками, причем линии управления второго пилотного каскада подведены к торцам двух плунжеров толкателей третьего каскада, в центры второго и третьего каскадов между их ЗРЭ подведены линии нагнетания насоса, а линии слива подведены к полостям толкателей ЗРЭ второго и третьего каскадов; далее управляющие линии третьего каскада подведены к полостям с толкателями центрального плунжера для двух ЗРЭ с двумя рабочими кромками гидрозамка и с двумя боковыми полостями с пружинами поджатия ЗРЭ к рабочим кромкам, указанные боковые полости гидрозамка содержат выходные линии с возможностью соединения с рабочими полостями гидродвигателя; кроме того, с учетом морской воды в качестве рабочей жидкости гидрораспределителя, во всех сопрягаемых взаимоподвижных деталях в гидрораспределителе с гидрозамком, представляющих собой пару трения, таких как плунжер-гильза, одна из сопрягаемых деталей сделана из титана или титанового деформируемого сплава ВТ6, а другая - с применением антифрикционного полимерного материала; магнитопроводы с якорями дискретных электромагнитов из магнитной углеродистой стали дополнительно герметично залиты защитным компаундом, а ЗРЭ выполнены керамическими.

2. Распределитель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве антифрикционного полимерного материала выбран полиарилэфиркетон - VICTREX PEEK WG102, в качестве защитного компаунда выбран гелькоут, а шарики ЗРЭ сделаны из твердого тугоплавкого материала нитрида кремния Si₃N₄.

3. Распределитель по п. 1, отличающийся тем, что рабочий ход каждого из двух шариков ЗРЭ третьего каскада между рабочими кромками составляет ориентировочно около 2% от диаметра этих шариков, конкретно порядка 0,3 мм хода при диаметре 14 мм.