КОМПОЗИТНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЦИФРОВОГО ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМОГО ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ Российский патент 2023 года по МПК F15B9/08 G05B19/23 

Заявленное изобретение относится к области управления и программирования изменения/поддержания функциональных параметров гидросистемы, в том числе в автоматическом режиме, за счет цифрового управления скоростью и направлением потока гидравлической жидкости с заданной точностью во всех контурах гидросистемы.

Из уровня техники известны различные электроуправляемые пропорциональные гидрораспределители (Данфосс, Дупломатик, Атос, Муг и т.д.) и различные устройства цифрового управления гидроприводами (например, см. патент RU 10469 U1, опублик. 16.11.1998). Однако, прямых аналогов не существует. Самыми близкими по функциональной направленности и возможностям являются традиционно изготовленные гидрораспределители с чугунными, стальными или алюминиевыми корпусами. Корпуса традиционных гидрораспределителей несут в себе большое количество каналов гидравлического управления, а, так же, являются корпусами для деталей гидравлического управления и гидрокомпенсации.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков известного уровня техники. Технический результат заключается в обеспечении устройства высокоточного пропорционального динамического управления работой гидродвигателя, который позволяет обеспечить сокращение числа мелких и высокопрецизионных элементов конструкции и общего числа деталей, обеспечивает отказ от сложных/дорогостоящих материалов и технологий обработки при производстве элементов и деталей ЦЭПГР, обеспечивает снижение доли деталей из металлических сплавов до величины не более 35 % от общего объема материала изделия и использование в конструкции гидрораспределителя материалов, пригодных для повторной переработки и/или являющихся продуктом повторной переработки, а также обеспечивает создание способа надежной герметичной стыковки деталей из металлических сплавов и синтетических полимеров.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается посредством заявленного устройства цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя (ЦЭПГР). Заявленное устройство цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя (ЦЭПГР) включает корпус, а также содержит взаимосвязанные модуль цифрового контроля гидропотока, модуль цифрового управления регулятором, шаговый электромотор с толкателем на каждом канале, микропроцессор, управляющий электромотором на каждый канал, цифровой блок обратной связи на каждом канала, в корпусе выделены высокоатмосферная и низкоатмосферная части, при этом высокоатмосферная и низкоатмосферная часть стыкуются в одной горизонтальной плоскости с применением модульного типа монтажа через уплотнительные кольца круглого сечения, а для пропуска гидропотоков одного давления между собой части одного типа в секциях стыкуются через вертикальные боковые плоскости, регуляторный узел гидрораспределителя с «геометрическим программированием» расходных характеристик, который представляет собой сборной блок-регулятор с полым прямоугольным золотником для каждого канала и образует высокоатмосферную часть, при этом регуляторный узел состоит из двух герметично прижатых пластин с пропускными окнами: распределительной пластины неподвижной и регуляторной пластины, которая перемещается вдоль пластины с помощью электро-механического привода, управляемого микроконтроллером на основании данных цифрового блока обратной связи, при этом процессы понижения давления в полостях гидроцилиндра обратно-пропорциональны и синхронны, окна регуляторы расположены в одной движущейся детали, при этом для деталей высокоатмосферной части обеспечены вертикальные плоскости стыковки частей, выполненных из материалов одинакового типа, а для деталей низкоатмосферной части обеспечены горизонтальные плоскости стыковки частей, выполненных из материалов разных типов.

Заявленная композитная конструкция цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя - это конструкция сборного гидрораспределителя, состоящая из специально подобранных и изготовленных элементов и деталей, произведенных как из металлов/металлических сплавов, так и произведенных из синтетических полимерных материалов (пластиков), предполагающая особую архитектуру на основе физического обособления высокоатмосферной и низкоатмосферной частей, особого способа соединения металлических и неметаллических элементов конструкции и придания функции подшипников скольжения каналам в корпусных деталях, изготовленных из полимеров.

Цифровой электронно-управляемый пропорциональный гидрораспределитель (далее - ЦЭПГР) - регулирующее устройство в составе гидросистемы, выполненное на основе принципиальных решений технологии «Цифровая гидравлическая платформа» (далее - «DHP»).

Общее устройство и принцип работы Цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя (ЦЭПГР).

ЦЭПГР состоит из:

- корпуса (на каждый канал или общего - моноблока), в котором выделена низкоатмосферная часть (Фиг. 11):

- модуля цифрового контроля гидропотока (2);

- модуля цифрового управления регулятором (3);

- шагового электромотора с толкателем (на каждый канал);

- микропроцессора, управляющего электромотором (на каждый канал);

- цифрового блока обратной связи (на каждый канал);

- регуляторного узла (1) гидрораспределителя с «геометрическим программированием» расходных характеристик - сборного Блока-регулятора с полым прямоугольным золотником (высокоатмосферная часть) для каждого канала (Фиг. 10).

Состав и принцип работы:

Регуляторный узел - Блок-регулятор входит в состав цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя (ЦЭПГР).

На Фиг.1 изображена схема подключения Регуляторного узла (1) к полостям исполнительного гидродвигателя (например - гидроцилиндра), где Р - напорные магистрали (4), Т - сливные магистрали (5).

1 - Регуляторный узел

4 - Напорные магистрали «Р»

5 - Сливные магистрали «Т».

Характер работы исполнительного гидродвигателя зависит от площади и конфигурации дросселирующих окон гидрорегулятора. Исполнительная часть гидродвигателя совершает движение при создании разницы давления в полостях. Разницей давления на выходе управляет регуляторный узел.

Регуляторный узел состоит из двух герметично прижатых пластин с пропускными окнами:

- распределительная пластина неподвижная.

- регуляторная пластина перемещается вдоль пластины с помощью электро-механического привода, управляемого микроконтроллером на основании данных Цифрового блока обратной связи. Процессы понижения давления в полостях гидроцилиндра обратно-пропорциональны и синхронны, так как окна регуляторы расположены в одной движущейся детали.

На Фиг. 2:

4 - Напорные магистрали «Р»

5 - Сливные магистрали «Т»

6,7 - Регуляторные окна

8 - Неподвижная пластина

9 - Регуляторная пластина

Неподвижная распределительная пластина (8), в которой «Р» - окна напорных магистралей (4), «Т» - окна сливных магистралей (5) подвижная регуляторная пластина (9), в которой регуляторные окна (6,7).

На Фиг. 3 - штриховкой обозначена область взаимоналожения окон.

4 - Напорные магистрали «Р»

5 - Сливные магистрали «Т»

6,7 - Регуляторные окна

Особенностью данного регулятора является возможность геометрически заложить закон развития расходной характеристики. Регуляторное окно (6) подвижной пластины может быть прямоугольной формы в случае линейной расходной характеристики или иметь профиль, повторяющий график расходной характеристики. Область взаимного перекрытия окон, при условии, что подвижное окно сдвигается по оси Х, своей геометрической формой повторяет функцию закономерности развития расходной характеристики регулятора.

На Фиг. 4. показан пример взаимоналожения проточных окон, создающего профиль, геометрическая форма которого соответствует графику функции расходной характеристики.

4 - Напорная магистрали «Р»

5 - Сливная магистраль «Т»

6 - Регуляторное окно

Состав и принцип работы сборного Блока-Регулятора с полым прямоугольным золотником.

В конструкции сборного Блока-Регулятора с полым прямоугольным золотником отсутствуют необработанные поверхности. При изготовлении корпуса не применяется литье, отсутствуют поднутрения и внутренние скрытые полости.

Корпус Блока-Регулятора является сборной конструкцией, поэтому точность выполнения отсечных кромок окон пропуска гидравлической жидкости обеспечивается в пределах до 0,005 мм.

Кромка формируется прямолинейной либо соответствующей закономерности расходной характеристики. Точность выполнения отсечных кромок позволяет гарантированно точно определить уровень перекрытия золотника (положительное, нулевое или отрицательное перекрытие).

На Фиг. 5 показана схема сборного Блока-Регулятора с полым прямоугольным золотником (10).

10 - Полый прямоугольный золотник

8 - Распределяющие пластины

Особенностью Блока-Регулятора является полая конструкция золотника, что позволяет осуществлять сложные четырех и более позиционные переключения. При этом работой Блока-Регулятора управляет электронно-механический привод, контролируемый процессором на основе данных датчиков.

На Фиг. 6 показано схема соединения регулирующих плиток корпуса сборного Блок-Регулятора с прямоугольным золотником и многовариантности направлений пропуска гидравлической жидкости.

Принцип работы сборного Блок-Регулятора с полым прямоугольным золотником:

гидравлическая жидкость под давлением подается в полость приемной распределительной плитки. Далее поток жидкости дозируется отсечной кромкой входного окна полого золотника, проходит через его внутренний объем и дозируется отсечными кромками выходных окон полого золотника, распределяясь в одну или несколько приемных полостей плиток Блока-Регулятора.

В сочетании с цифровым электронным управлением ПАК «Цифровой Блок управления гидросистемой», в состав которого входит Блок-Регулятор, создается устройство высокоточного пропорционального динамического управления работой гидродвигателя.

Регулирование потоков в гидросистеме осуществляет ЦЭПГР, который входит в Программно-аппаратный комплекс «Цифровой блок управления гидросистемой» (ПАК ЦБУГ).

На Фиг.7 показаны принципиальные блок-схемы гидросистемы с традиционным аналоговым электроуправляемым гидрораспределителем и гидросистемы, управляемой по технологии «Цифровая гидравлическая платформа» (DHP).

1 - Регулятор;

11 - Цифровое управление;

12 - Модуль оцифровки;

13 - Гидронасос

14 - Электрическое аналоговое управление;

15 - Гидромотор;

16 - Гидравлическое управление;

17 - Гидрокомпенсация;

18 - Традиционное аналоговое электроуправление гидрораспределителем;

19 - Технология «Цифровая гидравлическая платформа» (DHP);

На Фиг.7 показаны принципиальные отличия гидросистем с пропорциональным гидрораспределителем традиционной архитектуры и архитектуры «Цифровая гидравлическая платформа» («DHP»).

На Фиг. 8 отражена блок-схема гидросистемы, управляемой программно-аппаратным комплексом «Цифровой блок управления гидросистемой», и функциональная сочетаемость ПАК ЦБУГ с различными гидрокомпонентами, в том числе, разных производителей.

22 - Нерегулируемый насос;

23 - Регулируемый насос с наклонным блоком;

24 - Регулируемый насос с наклонной шайбой;

25 - Нереверсивные моторы;

26 - Реверсивные моторы;

27 - Гидроцилиндры общепромышленные;

28 - Гидроцилиндры с функцией «следящего привода»;

29 - Специальные динамические возвратно-поступательные гидроприводы;

30 - Высокоскоростные гидродемпферы с программно-изменяемыми характеристиками;

31 - БЦК (блок цифровой коммутации);

32 - Внешний программируемый пульт управления;

33 - ЦБОС (цифровой блок обратной связи);

34 - ППБ (программно-процессорный блок);

35 - ПО (программное-обеспечение);

36 - ЦПЭГР (цифровой пропорциональный электронно-управляемый гидрораспределитель);

37 - ПАК ЦБУГ.

В ЦЭПГР весь контур гидравлической логики и компенсации исключен в связи с тем, что его функцию напрямую выполняет Программно-процессорный блок со специальным программным обеспечением, которое, помимо этого, позволяет осуществлять непрерывный анализ и контроль работы исполнительных устройств без выносных датчиков и в автоматическом режиме корректировать работу гидросистемы с учетом изменяющихся условий функционирования.

Как следствие, использование в конструкции ЦЭПГР принципиальных решений по технологии «DHP» обеспечивает:

- исключение из конструкции ЦЭПГР всех элементов и деталей контура аналоговой гидравлической логики (гидравлического управления);

- возможность физического геометрического обособления высокоатмосферной и низкоатмосферной частей ЦЭПГР;

- сокращение числа мелких и высокопрецизионных элементов конструкции и общего числа деталей (в разы);

- отказ от сложных/дорогостоящих материалов и технологий обработки при производстве элементов и деталей ЦЭПГР.

На основе изложенного выше стало возможным создание композитной конструкции ЦЭПГР.

Результатом применения композитной конструкции ЦЭПГР являются:

- создание сборного устройства, в котором значительная часть объема конструкции выполняется из синтетических полимеров;

- создание сборного устройства, в котором сам полимерный корпус низкоатмосферной части пропорционального гидроблока выполняет функцию подшипника скольжения для стальных подвижных деталей;

- повышение экологичности изделия - ЦЭПГР за счет использования в его конструкции материалов, являющихся результатом/пригодных для повторной переработки и незагрязняющих окружающую среду;

- повышение экономической эффективности ЦЭПГР за счет использования в конструкции материала, имеющего значительно более низкую стоимость, меньшую массу, повышенную устойчивость к воздействию агрессивных сред, чем металл/металлические сплавы;

- применение материала с возможностью его обработки как традиционными способами (фрезерование, сверловка, расточка и тп), так и способами, характерными для обработки полимеров (литье под давлением, спекание, использование аддитивных технологий).

Таким образом, технические проблемы, решаемые в предлагаемом решении:

- разделение гидрораспределителя на высокоатмосферную и низкоатмосферную части с сохранением всех эксплуатационных свойств, но со снижением доли деталей из металлических сплавов до величины не более 35 % от общего объема материала изделия;

- полное исключение из конструкции гидрораспределителя каналов и деталей сопутствующего гидравлического управления и гидрокомпенсации, препятствующих физическому обособлению низкоатмосферной части, пригодной для изготовления из полимерных материалов;

- замена значительной части корпусных деталей гидрораспределителя на детали из синтетических полимеров;

- создание способа надежной герметичной стыковки деталей из металлических сплавов и синтетических полимеров;

- использование каналов в полимерном корпусе низкоатмосферной части в качестве подшипника скольжения для подвижных стальных деталей.

Техническим результатом заявленного технического решения являются:

- разделение гидрораспределителя на высокоатмосферную и низкоатмосферную части с сохранением всех эксплуатационных свойств, но со снижением доли металлических деталей не более 35 % от общего объема материала изделия;

- выполнение каналами в низкоатмосферной части корпуса функции подшипников скольжения для подвижных металлических деталей;

- использование экономически выгодных материалов без потери эксплуатационных свойств гидрораспределителя;

- использование в конструкции гидрораспределителя материалов, пригодных для повторной переработки и/или являющихся продуктом повторной переработки;

Композитная конструкция цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя.

Состав и принцип работы.

Если рассмотреть устройство традиционного гидрораспределителя, то можно увидеть, что его корпус (чугунный, стальной или алюминиевый) пронизан каналами гидравлического управления, а так же, корпус гидрораспределителя является и корпусом для гидрокомпенсатора, редукционных клапанов потока гидроуправления, клапанов «или»-гидроуправления и пр. Это единая неделимая система, объединенная внутренними каналами (Фиг. 9), где каналы гидравлического управления помечены красным.

Применение цифрового электронного управления гидрораспределителем позволяет полностью исключить из его конструкции элементы, детали и каналы сопутствующего гидравлического управления и гидрокомпнсации, характерные для традиционной конструкции гидрораспределителя. Благодаря этому, появляется возможность зонировать корпус гидрораспределителя и разделить его физически и геометрически на две части:

- высокоатмосферную, выполняемую из металла/ металлического сплава;

- низкоатмосферную, выполняемую из материалов с меньшими требованиями по конструкционной прочности. Например, из полимерных материалов.

Композитная конструкция устройства гидрораспределителя позволяет создавать как секционную - модульную, так и моноблочную компоновку многоканального гидрораспределителя.

Для наглядности состав и принцип работы заявленного технического решения поясняется на примере универсальной секции секционного ЦЭПГР (Фиг. 10 и Фиг. 11).

Вынос привода цифрового управления регулятором в низкоатмосферную часть позволяет снизить долю металлических частей до 35% от общего материального объема устройства.

Основные узлы, занимающие конструкционный объем, это корпус низкого давления, модуль цифрового управления регулятором и модуль цифрового контроля потока. (Фиг. 10).

На Фиг. 10 обозначены:

Высокоатмосферная часть (выделено красным цветом) 1 - блок - регулятор;

Низкоатмосферная часть (выделено зеленым цветом) 2 - модуль цифрового контроля гидропотока;

3 - модуль цифрового управления регулятором.

Корпуса данных модулей выполняется с применением полимерных материалов. Каналы в полимерном материале корпуса выполняют функцию подшипником скольжения для стальных подвижных деталей.

На Фиг. 11 обозначены:

20 - Вертикальные плоскости стыковки частей, одного уровня давления;

21 - Горизонтальные плоскости стыковки частей, разных уровней давления.

В известных существующих аналогах каналы в элементах корпуса так же используются в качестве подшипников, но каналы исполняют методом литья специальных чугунов под давлением с последующей шлифовкой.

В случае с композитной конструкцией ЦЭПГР канал в пластике выполняется простой разверткой без дополнительной обработки.

Для исключения возможных напряжений, вызванных разницей коэффициентов температурного расширении материалов, части разных типов (высокоатмосферная и низкоатмосферная) стыкуются в одной горизонтальной плоскости с применением модульного типа монтажа через уплотнительные кольца круглого сечения. Для пропуска гидропотоков одного давления между собой части одного типа в секциях стыкуются через вертикальные боковые плоскости (Фиг. 11).

Специальным конструктивным решением является способ стыковки металлических и полимерных деталей. В полимерных деталях принципиально отсутствуют резьбовые отверстия. Каждая полимерная деталь является вставкой между двумя металлическими деталями, стянутыми резьбовыми соединениями между собой.

Применяемые материалы.

Композитная конструкция ЦПГР позволяет применять широкий спектр материалов:

- для высокоатмосферной части могут быть использованы алюминиевые сплавы, чугуны, легированные и нержавеющие стали.

- для изготовления низкоатмосферной части возможно применение полиоксиметиленов, полиамидов и полиуретанов, пригодных для обработки как традиционными способами (фрезеровка, расточка), так и способами, характерными для полимеров (литье под давлением, спекание, изготовление с помощью аддитивных технологий).

Таким образом, заявленная композитная конструкция цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя представляет собой сборное устройство гидрораспределителя на основе сочетания в единой конструкции деталей, производимых из металлов/металлических сплавов и деталей, получаемых из синтетических полимерных материалов, с физическим геометрическим разделением конструкции на высокоатмосферную и низкоатмосферную части, с оригинальным способом стыковки частей одного типа материала в вертикальной плоскости, и частей разных типов - в горизонтальной, а так же придание полимерной низкоатмосферной части корпуса функции подшипника скольжения для подвижных стальных деталей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ (пример реализации).

По заказу предприятия АО «ТоМеЗ» (Акционерное общество «Тосненский механический завод», РФ, Ленобласть) серийно выпускающего дорожно-уборочную и коммунальную технику, на основании Технического задания от «27» июля 2022г. были проведены прочностные испытания низкоатмосферной части ЦПЭГР, выполненной из полиоксиметилена, и функциональности ЦПЭГР в сборе (протоколы испытаний №№ 1-8 от «12» октября 2022г.) на экспериментальном испытательном стенде.

Состав экспериментального испытательного стенда:

• гидростанция в составе электромотора мощностью 20 кВт и приводимого нерегулируемого гидронасоса HDS-64;

• гидрораспределитель ручного включения Р-80 с предохранительным клапаном;

• ЦПЭГР с низкоатмосферной частью, выполненной из полимера;

• испытательный закрытый бокс безопасности;

• монометр канальный ДМ-93-063-1 (до 250 МРа);

• соединительные рукава высокого давления;

В результате испытаний установлено:

• при максимальном эксплуатационном давлении 2,5 МРа в низкоатмосферной части ЦЭПГР ее конструкция выдержала пятикратное превышение рабочего давления после чего безопасно разрушилась, дав течь по одной из кромок;

• до разрушения низкоатмосферной части ЦЭПГР работал штатно с переменной нагрузкой и в разных режимах, поддерживая установленные параметры работы гидросистемы.

Заявленное изобретение относится к области управления и программирования изменения/поддержания функциональных параметров гидросистемы, в том числе в автоматическом режиме, за счет цифрового управления скоростью и направлением потока гидравлической жидкости с заданной точностью во всех контурах гидросистемы. Заявленное устройство цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя (ЦЭПГР) включает корпус, а также содержит взаимосвязанные модуль цифрового контроля гидропотока, модуль цифрового управления регулятором, шаговый электромотор с толкателем на каждом канале, микропроцессор, управляющий электромотором на каждом канале, цифровой блок обратной связи на каждом канале, в корпусе выделены высокоатмосферная и низкоатмосферная части, при этом высокоатмосферная и низкоатмосферная части стыкуются в одной горизонтальной плоскости с применением модульного типа монтажа через уплотнительные кольца круглого сечения, а для пропуска гидропотоков одного давления между собой части одного типа в секциях стыкуются через вертикальные боковые плоскости, регуляторный узел гидрораспределителя с «геометрическим программированием» расходных характеристик, который представляет собой сборной блок-регулятор с полым прямоугольным золотником для каждого канала и образует высокоатмосферную часть, при этом для деталей высокоатмосферной части обеспечены вертикальные плоскости стыковки частей, выполненных из материалов одинакового типа, а для деталей низкоатмосферной части обеспечены горизонтальные плоскости стыковки частей, выполненных из материалов разных типов, при этом регуляторный узел состоит из двух герметично прижатых пластин с пропускными окнами: распределительной пластины неподвижной и регуляторной пластины, которая перемещается вдоль пластины с помощью электромеханического привода, управляемого микроконтроллером на основании данных цифрового блока обратной связи, при этом процессы понижения давления в полостях гидроцилиндра обратно пропорциональны и синхронны, окна регуляторы расположены в одной движущейся детали. Технический результат заключается в обеспечении устройства высокоточного пропорционального динамического управления работой гидродвигателя, который позволяет обеспечить сокращение числа мелких и высокопрецизионных элементов конструкции и общего числа деталей, обеспечивает отказ от сложных/дорогостоящих материалов и технологий обработки при производстве элементов и деталей ЦЭПГР, обеспечивает снижение доли деталей из металлических сплавов до величины не более 35 % от общего объема материала изделия и использование в конструкции гидрораспределителя материалов, пригодных для повторной переработки и/или являющихся продуктом повторной переработки, а также обеспечивает создание способа надежной герметичной стыковки деталей из металлических сплавов и синтетических полимеров. 11 ил.

Устройство цифрового электронно-управляемого пропорционального гидрораспределителя (ЦЭПГР), включающее корпус, отличающееся тем, что содержит взаимосвязанные модуль цифрового контроля гидропотока, модуль цифрового управления регулятором, шаговый электромотор с толкателем на каждом канале, микропроцессор, управляющий электромотором на каждом канале, цифровой блок обратной связи на каждом канале, при этом в корпусе выделены высокоатмосферная и низкоатмосферная части, при этом высокоатмосферная и низкоатмосферная части стыкуются в одной горизонтальной плоскости с применением модульного типа монтажа через уплотнительные кольца круглого сечения, а для пропуска гидропотоков одного давления между собой части одного типа в секциях стыкуются через вертикальные боковые плоскости, регуляторный узел гидрораспределителя с «геометрическим программированием» расходных характеристик, который представляет собой сборной блок-регулятор с полым прямоугольным золотником для каждого канала и образует высокоатмосферную часть, при этом регуляторный узел состоит из двух герметично прижатых пластин с пропускными окнами: распределительной пластины неподвижной и регуляторной пластины, которая перемещается вдоль пластины с помощью электромеханического привода, управляемого микроконтроллером на основании данных цифрового блока обратной связи, при этом процессы понижения давления в полостях гидроцилиндра обратно пропорциональны и синхронны, окна регуляторы расположены в одной движущейся детали, при этом для деталей высокоатмосферной части обеспечены вертикальные плоскости стыковки частей, выполненных из материалов одинакового типа, а для деталей низкоатмосферной части обеспечены горизонтальные плоскости стыковки частей, выполненных из материалов различающихся типов.