МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПРЯМОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПОТОКА ВЕРХНЕГО КОНТУРА ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЗОЛОТНИКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК F15B13/43 F15B21/06 

Изобретение относится к машиностроению.

Уровень техники

Известны системы гидравлического привода, использующие в качестве рабочей среды магнитореологическую жидкость и магнитореологические дроссели, патенты SU 1317406 A1, RU 2029447 C1, SU 929945 A, SU 1399522 А1.

Раскрытие изобретения

В предлагаемом магнитореологическом приводе прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника в отличие от патентов SU 1317406 A1, RU 2029447 С1 и SU 929945 А с целью снижения требуемых значений параметров управляющего магнитного поля, повышения энергоэффективности и улучшения динамики регулирования используется магнитореологический дроссель-гидрозамок, выполненный в виде кольцевого канала, по периферии которого радиально расположены элементы дифференциальной обмотки, ориентированные в осевом направлении данного кольцевого канала, а создание перепада давления в магнитореологической среде достигается не только изменением вязкости магнитореологической среды, но и за счет динамического вихревого эффекта запирания потока, возникающего вследствие вращающегося движения жидкости в радиальном направлении кольцевого канала, посредством бегущего вращающегося управляющего магнитного поля. Вращающееся управляющее магнитное поле, создаваемое магнитореологическими дросселями-гидрозамками, индуцируется группой элементов дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления, расположенных по периферии кольцевого канала (снаружи или внутри) каждого магнитореологического дросселя-гидрозамка, а включение элементов осуществляется с угловым сдвигом по сигналу системы управления. Комбинированное управление характеристиками потока магнитореологической среды за счет изменения ее вязкости и создания динамического вихревого запирания потока посредством вращающегося управляющегося магнитного поля позволяет создавать значительные перепады давления на магнитореологическом дросселе при снижении его энергопотребления.

Наиболее близкой является система, приведенная в патенте SU 1317406 А1. Но предлагаемый привод отличается от SU 1317406 А1 тем, что с целью улучшения динамических параметров регулирования и повышения надежности обе торцевые камеры гидравлического золотникового распределителя соединены с управляющими линиями, расположенными между парами последовательно включенных магнитореологических дросселей-гидрозамков, использующих для создания перепада давления как эффект изменения вязкости при изменении параметров магнитного поля, так и эффект динамического запирания потока магнитореологической жидкости посредством вращающегося управляющего магнитного поля. Поэтому данный магнитореологический привод позволяет прецизионно производить центрирование золотника как при деформации одной из пружин, расположенных в торцевых камерах золотника, так и за счет балансировки давления в управляющих линиях по показаниям датчика линейного перемещения. Улучшение динамики магнитореологического привода прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника достигается при одновременном изменении как перепада давления в управляющих линий под каждой торцевой камерой, так и регулированием соотношения давлений в торцевых полостях и кольцевых каналах золотника. Применение в магнитореологической системе магнитодинамического насоса препятствует механической деструкции частиц магнитореологической жидкости, что продлевает срок эксплуатации рабочей среды.

Также в отличие от патента SU 929945 А предложенная конструкция магнитореологического дросселя-гидрозамка не содержит сердечник в виде набора шайб, выполненных из магнитного материала и разделенных немагнитными прокладками, а установка струевыпрямителя, выполненного из немагнитного материала, приводит к линеаризации потока, что облегчает расчет требуемых значений параметров управляющего сигнала.

Позиционный следящий привод SU 1399522 А1 предусматривает управление расходными характеристиками магнитореологической среды посредством изменения вязкости рабочей среды и удержания объема рабочей среды на участке винтового канала. Для реализации позиционирования рабочего органа в данной системе применяются различные подвижные механические элементы. В отличие от SU 1399522 А1 в предложенной конструкции магнитореологического привода управление перемещениями золотника реализовано без применения механических элементов, а магнитореологические дроссели изменяют не только вязкость рабочей среды, но и создают посредством вращающегося электромагнитного поля эффект динамического запирания потока. Применение подобного комбинированного метода управления расходными характеристиками рабочей среды позволяет создавать значительно больший перепад давления на магнитореологическом дросселе при аналогичной вязкости рабочей магнитореологической среды и избегать нежелательных эффектов, связанных с ростом вязкости.

Предложенная конструкция модульного магнитореологического дросселя-гидрозамка в отличие от устройств, описанных в патентах SU 1317406 Al, RU 2029447 C1, SU 929945 A, SU 1399522 А1, универсальна в монтаже и легко модифицируема.

Технический результат

Технический результат достигается тем, что применение комбинированного управления расходными характеристиками позволяет создавать больший перепад давления на дросселе без дополнительного повышения начальной вязкости магнитореологической среды. Так как повышение вязкости приводит к росту гидродинамического трения и потерь энергии на тепловыделение, динамическое запирание потока магнитореологической среды в магнитном поле является более предпочтительным. Это связано с тем, что магнитное поле позволяет создавать эффект появления псевдопластичных и даже вязкопластичных свойств рабочей среды, причем магнитореологическая жидкость изначально в магнитном поле обладает псевдопластичными свойствами, но под действием достаточно сильных магнитных полей эти свойства фактически переходят в вязкопластичные свойства, что приводит к запиранию потока, так как вязкопластичным жидкостям характерны высокие начальные напряжения сдвига, если этот запас прочности на сдвиг достаточно большой, то динамическая вязкость начинает стремиться к бесконечности. Также предложенная конструкция магнитореологического дросселея-гидрозамка позволяет осуществлять мгновенное запирание потока, не вызывая явления гидроудара, свойственного классической гидроаппаратуре. Поэтому данный магнитореологический привод не требует применение мер, нацеленных на устранение явлений гидравлических ударов, позволяя перекрывать ток рабочей среды.

Осуществление изобретения

Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника (Фиг. 1), состоит из насоса 1, блоков регулирования давления серии модульных магнитореологических дросселей-гидрозамков, состоящих из внутреннего полого магнитопроводящего элемента, выполненного в виде цилиндра, коаксиально установленного в корпус и фиксируемого в центре струевыпрямителя, оснащенного обтекателем; в крышках выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур; в полость внутреннего элемента помещен блок электромагнитного управления потоком, состоящий из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности 2-5, золотника 6, гидролиний 7, 8 и бака 9. Для подачи рабочей среды к управляющему золотником контуру используется магнитодинамический насос. Управление золотником осуществляется посредством установки в контур управляющих гидролиний магнитореологических дросселей-гидрозамков, конструкция которых (Фиг. 2, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7) позволяет регулировать расход магнитореологической жидкости посредством бегущего магнитного поля, индуцируемого блоком электромагнитного управления потоком Фиг. 3, а также за счет гироскопических эффектов жидкой среды, моделируемых направляющим аппаратом. Блоки электромагнитного управления потоком воздействуют на магнитореологическую жидкость, находящуюся в кольцевом зазоре, образованном внутренним цилиндром и цилиндрическим корпусом, и осуществляют управление магнитным полем посредством последовательного включения контуров, питающих элементы дифференциальной обмотки электромагнита, входящие в блок электромагнитного управления потоком, инициирующие вращательно-поступательное движение магнитореологической жидкости и создающие эффект динамического вихревого запирания потока. Включение элементов дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления аналогично схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя, таким образом, регулирование расхода на магнитореологическом дросселе-гидрозамке осуществляется в зависимости от изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления потоком магнитореологического дросселя-гидрозамка. Для повышения рабочих характеристик возможно подключение каскада модулей магнитореологических дросселей-гидрозамков.

Возможны конструкции магнитореологического дросселя-гидрозамка с различными вариантами расположения блоков электромагнитного управления. Вариант, интеграция герметизированного блока электромагнитного управления потоком во внутренний элемент посадкой на поверхность в паз. При данной конструкции требуется создание на поверхности внутреннего цилиндра паза для посадки герметизированного блока электромагнитного управления, так чтобы при этом сохранялась геометрия проточной части. Вариант, комбинация: герметизированного блока электромагнитного управления потоком интегрированного во внутренний элемент посадкой на поверхность в паз и блока электромагнитного управления потоком, установленного на корпус. При данной конструкции требуется создание на поверхности внутреннего цилиндра паза для посадки герметизированного блока электромагнитного управления, так чтобы при этом сохранялась геометрия проточной части и магнитопроводящий корпус.

Также возможна конструкция магнитореологического дросселя-гидрозамка с различной геометрией сечения отверстий струевыпрямителя, применение подобного направляющего аппарата позволяет задавать угол входа потока в полость рабочей зоны магнитореологического дросселя-гидрозамка. Для рабочей среды с низкой вязкостью и небольшим содержанием ферромагнетика это снижает затраты энергии на управление характеристиками потока и облегчает регулирование расхода рабочей магнитореологической среды.

Вариант, конструкции магнитореологического дросселя-гидрозамка для приводов с достаточно малым диаметром сечения проточной части, с гидравлическим диаметром меньше 10 мм, не содержит внутреннего элемента, а блок электромагнитного управления потоком, состоящий из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, установлен на внешнюю поверхность магнитопроводящего корпуса. При этом сохраняется общая концепция конструкции модульного магнитореологического дросселя-гидрозамка, состоящей из корпуса, в крышках которого выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур, и блока электромагнитного управления потоком, состоящего из элементов дифференциальной обмотки.

Верхний контур гидравлической системы золотника включает в себя гидроаппараты, установленные в управляющие гидролинии, а именно: серию регуляторов давления - дросселей-гидрозамков, магнитодинамический насос, гидробак, гидролинии, подведенные к торцевым камерам золотниковой пары, и гидролинии, идущие на слив.

Модульный магнитореологический дроссель-гидрозамок может устанавливаться как отдельный элемент, так и в составе каскада магнитореологических дросселей-гидрозамков.

Устройство работает следующим образом.

С целью улучшения динамических параметров регулирования и повышения надежности привода обе торцевые золотниковые камеры соединены с линиями, расположенными между парами последовательно включенных магнитореологических дросселей-гидрозамков, использующих для создания перепада давления и запирания потока магнитореологической жидкости как эффект изменения вязкости при изменении параметров магнитного поля, так и эффект динамического запирания потока, возникающий при организации вращающегося движения рабочей жидкости в радиальном направлении кольцевого канала, посредством управляющего магнитного поля. Вращающееся управляющее магнитное поле, создаваемое магнитореологическим дросселем-гидрозамком, индуцируется группой элементов блока электромагнитного управления потоком, расположенных по периферии кольцевого канала проточной части. По сигналу системы управления происходит последовательное включение элементов блока электромагнитного управления потоком, в результате этого магнитореологическая жидкость движется вращательно-поступательно, создавая эффект динамического вихревого запирания потока. Нагрузка на дифференциальные элементы обмотки блока электромагнитного управления подается по схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя таким образом, что регулирование гидравлического сопротивления на магнитореологическом дросселе-гидрозамке осуществляется в зависимости от скорости изменения характеристик магнитного поля и частоты переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления потоком магнитореологического дросселя-гидрозамка.

Перечень последовательностей

Ссылочные обозначения Фиг. 1

Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника:

1 - магнитодинамический насос,

2, 3, 4, 5 - модульные магнитореологические дроссели-гидрозамки,

6 - золотник,

7, 8 - гидролинии,

9 – бак.

Ссылочные обозначения Фиг. 2

Модульный магнитореологический дроссель-гидрозамок - конструкция с внутренним блоком электромагнитного управления потоком:

1 - внутренний элемент,

2 - струевыпрямитель,

3 - обтекатель,

4 - корпус,

5, 6 - крышки,

7, 8 - отверстия под патрубки,

9 - внутренний блок электромагнитного управления потоком.

Ссылочные обозначения Фиг. 3

Блок электромагнитного управления потоком:

А - Фаза А

В - Фаза В

С - Фаза С

Ссылочные обозначения Фиг. 4

Модульный магнитореологический дроссель-гидрозамок - конструкция с внутренним герметизированным блоком электромагнитного управления потоком:

1 - внутренний элемент,

2 - струевыпрямитель,

3 - обтекатель,

4 - корпус,

5, 6 - крышки,

7, 8 - отверстия под патрубки,

9 - внутренний герметизированный блок электромагнитного управления потоком.

Ссылочные обозначения Фиг. 5

Модульный магнитореологический дроссель-гидрозамок - конструкция с комбинацией блоков электромагнитного управления потоком:

1 - внутренний элемент,

2 - струевыпрямитель,

3 - обтекатель,

4 - корпус,

5, 6 - крышки,

7, 8 - отверстия под патрубки,

9 - внутренний герметизированный блок электромагнитного управления потоком,

10 - внешний блок электромагнитного управления потоком.

Ссылочные обозначения Фиг. 6

Модульный магнитореологический дроссель-гидрозамок - конструкция с различной геометрией сечения отверстий струевыпрямителя:

1 - внутренний элемент,

2 - струевыпрямитель,

3 - обтекатель,

4 - корпус,

5, 6 - крышки,

7, 8 - отверстия под патрубки,

9 - внешний блок электромагнитного управления потоком,

10 - отверстие струевыпрямителя.

Ссылочные обозначения Фиг. 7

Модульный магнитореологический дроссель-гидрозамок - конструкция для приводов с небольшим диаметром сечения проточной части:

1 - корпус,

2, 3 - крышки,

4, 5 - отверстия под патрубки,

6 - внешний блок электромагнитного управления потоком.

Изобретение относится к машиностроению. Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника предназначен для автоматического управления гидравлическим или пневматическим последующим нижним контуром системы посредством золотника. Принцип прямого электромагнитного управления характеристиками потока основан на магнитореологических эффектах изменения внутренней энергии частиц магнетика и энергии взаимодействия частиц между собой в магнитном поле, а также взаимодействия частиц с магнитным полем и законах гидродинамики. Технический результат - повышение быстродействия, точности, надежности и долговечности верхнего контура системы, следовательно, гидравлической системы в целом за счет применения гидроаппаратуры с конструкцией, исключающей подвижные механические элементы. 5 н. п. ф-лы, 7 ил.

1. Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника, содержащий контур управления золотником, магнитореологические дроссели, отличающийся тем, что имеет модульные магнитореологические дроссели-гидрозамки, состоящие из внутреннего полого магнитопроводящего элемента, выполненного в виде цилиндра, установленного в корпус и фиксируемого в центре струевыпрямителя, оснащенного обтекателем, в крышках выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур, в полость внутреннего элемента помещен блок электромагнитного управления потоком, состоящий из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, воздействующих на магнитореологическую жидкость, находящуюся в кольцевом зазоре, образованном внутренним цилиндром и цилиндрическим корпусом, движение магнитореологической жидкости в кольцевом зазоре осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля и скорости включения контуров, питающих элементы дифференциальной обмотки электромагнита, входящие в блок электромагнитного управления потоком, инициирующие вращательно-поступательное движение магнитореологической жидкости, включение элементов дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления аналогично схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя, таким образом, регулирование расхода на магнитореологическом дросселе-гидрозамке осуществляется в зависимости от изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления потоком магнитореологического дросселя-гидрозамка, для повышения характеристик возможно подключение каскада модулей магнитореологических дросселей-гидрозамков.

2. Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника, содержащий контур управления золотником, магнитореологические дроссели, отличающийся тем, что имеет модульные магнитореологические дроссели-гидрозамки, состоящие из внутреннего элемента, выполненного в виде цилиндра, установленного в корпус и фиксируемого в центре струевыпрямителя, оснащенного обтекателем, в крышках выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур, во внутренний элемент интегрирован посадкой на поверхность в паз герметизированный блок электромагнитного управления, состоящий из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, воздействующих на магнитореологическую жидкость, находящуюся в кольцевом зазоре, образованном внутренним цилиндром и цилиндрическим корпусом, движение магнитореологической жидкости в кольцевом зазоре осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля и скорости включения контуров, питающих элементы дифференциальной обмотки электромагнита, входящие в блок электромагнитного управления потоком, инициирующие вращательно-поступательное движение магнитореологической жидкости, включение элементов дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления аналогично схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя, таким образом, регулирование расхода на магнитореологическом дросселе-гидрозамке осуществляется в зависимости от изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления потоком магнитореологического дросселя-гидрозамка, при данной конструкции требуется создание на поверхности внутреннего цилиндра паза для посадки герметизированного блока электромагнитного управления, так чтобы при этом сохранялась геометрия проточной части, для повышения характеристик возможно подключение каскада модулей магнитореологических дросселей-гидрозамков.

3. Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника, содержащий контур управления золотником, магнитореологические дроссели, отличающийся тем, что имеет модульные магнитореологические дроссели-гидрозамки, состоящие из внутреннего элемента, выполненного в виде цилиндра, установленного в корпус и фиксируемого в центре струевыпрямителя, оснащенного обтекателем, в крышках выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур, магнитореологические дроссели-гидрозамки содержат комбинацию: герметизированного блока электромагнитного управления потоком интегрированного во внутренний элемент посадкой на поверхность в паз и блока электромагнитного управления потоком, установленного на корпус, блоки электромагнитного управления потоком состоят из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, воздействующих на магнитореологическую жидкость, находящуюся в кольцевом зазоре, образованном внутренним цилиндром и цилиндрическим корпусом, движение магнитореологической жидкости в кольцевом зазоре осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля и скорости включения контуров, питающих элементы дифференциальной обмотки электромагнитов, входящие в блоки электромагнитного управления потоком, инициирующие вращательно-поступательное движение магнитореологической жидкости, включение элементов дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления аналогично схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя, таким образом, регулирование расхода на магнитореологическом дросселе-гидрозамке осуществляется в зависимости от изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блоков электромагнитного управления потоком магнитореологического дросселя-гидрозамка, при данной конструкции требуется создание на поверхности внутреннего цилиндра паза для посадки герметизированного блока электромагнитного управления, так чтобы при этом сохранялись геометрия проточной части и магнитопроводящий корпус, для повышения характеристик возможно подключение каскада модулей магнитореологических дросселей-гидрозамков.

4. Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника, содержащий контур управления золотником, магнитореологические дроссели, отличающийся тем, что имеет модульные магнитореологические дроссели-гидрозамки, состоящие из внутреннего элемента, выполненного в виде цилиндра, установленного в корпус и фиксируемого в центре струевыпрямителя, оснащенного обтекателем, в крышках выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур, содержащий блок электромагнитного управления потоком, состоящий из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, воздействующих на магнитореологическую жидкость, находящуюся в кольцевом зазоре, образованном внутренним цилиндром и цилиндрическим корпусом, движение магнитореологической жидкости в кольцевом зазоре осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля и скорости включения контуров, питающих элементы дифференциальной обмотки электромагнита, входящие в блок электромагнитного управления потоком, инициирующие вращательно-поступательное движение магнитореологической жидкости, включение элементов дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления аналогично схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя, таким образом, регулирование расхода на магнитореологическом дросселе-гидрозамке осуществляется в зависимости от изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления потоком магнитореологического дросселя-гидрозамка, возможна конструкция струевыпрямителя с различной геометрией сечения отверстий, применение подобного направляющего аппарата позволяет задавать угол входа потока в полость рабочей зоны магнитореологического дросселя-гидрозамка, для рабочей среды с низкой вязкостью и небольшим содержанием ферромагнетика это снижает затраты энергии на управление характеристиками потока и облегчает регулирование расхода рабочей магнитореологической среды, для повышения характеристик возможно подключение каскада модулей магнитореологических дросселей-гидрозамков.

5. Магнитореологический привод прямого электромагнитного управления характеристиками потока верхнего контура гидравлической системы золотника, содержащий контур управления золотником, магнитореологические дроссели, отличающийся тем, что для приводов с достаточно малым диаметром сечения проточной части имеет модульные магнитореологические дроссели-гидрозамки, состоящие из корпуса, в крышках которого выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур, и установленного на внешнюю поверхность магнитопроводящего корпуса блока электромагнитного управления потоком, состоящего из элементов дифференциальной обмотки, расположенных по окружности, воздействующих на магнитореологическую жидкость, находящуюся в цилиндрическом корпусе, движение магнитореологической жидкости осуществляется посредством изменения характеристик магнитного поля и скорости включения контуров, питающих элементы дифференциальной обмотки электромагнита, входящие в блок электромагнитного управления потоком, инициирующие вращательно-поступательное движение магнитореологической жидкости, включение элементов дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления аналогично схеме подключения многофазного асинхронного электродвигателя, таким образом, регулирование расхода на магнитореологическом дросселе-гидрозамке осуществляется в зависимости от изменения характеристик магнитного поля и скорости переключения элементов кольцевой дифференциальной обмотки блока электромагнитного управления потоком магнитореологического дросселя-гидрозамка, при этом сохраняется общая концепция конструкции модульного магнитореологического дросселя-гидрозамка, состоящая из корпуса, в крышках которого выполнены отверстия под патрубки для включения в гидравлический контур, и блока электромагнитного управления потоком, состоящего из элементов дифференциальной обмотки, для повышения характеристик возможно подключение каскада модулей магнитореологических дросселей-гидрозамков.