Устройство цифровой гидравлической системы с прямым цифровым управлением Российский патент 2023 года по МПК G05B21/02 

Изобретение относится к области управления и программирования изменения/поддержания функциональных параметров гидросистемы, в том числе в автоматическом режиме, за счёт 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) и. Преимущества ЦПГР в составе ПАК ЦБУГ над существующими аналогами приведены в Таблице №1.

Основным отличительным свойством цифровых гидравлических систем является простое и универсальное сопряжение различных гидравлических и негидравлических элементов в единую роботизированную или автоматизированную систему с любыми иными цифровыми устройствами будь то:

- электромеханический цифровой привод,

- системы связи и автоматизированного учета,

- цифровые системы распределения и сортировки.

Практическое значение «Цифровой гидравлической платформы» в возможности эффективного сочетания в рамках гидросистем различных характеристик и функциональности широкого спектра компонентов, в том числе различных производителей, при едином цифровом управлении. Таких как:

гидроблоки пропорционального управления:

- нереверсивными гидромоторами;

- реверсивными гидромоторами;

- гидроцилиндрами;

- гидроцилиндрами с функцией слежения;

- гидравлической трансмиссией мобильных машин;

- специальными высокоскоростными гидроприводами, в том числе - гидродемпфером с изменяемыми характеристиками;

гидронасосы:

- нерегулируемые (в этом случае в составе ЦПГР присутствует секция электронного управления разгрузкой насоса);

- регулируемые, в т.ч. реверсивные (в этом случае в составе ЦПГР присутствует секция электронного управления производительностью насоса).

- возможно выделение цифрового управления насосами в отдельный блок с его размещением на насосе непосредственно или в любом ином месте гидросистемы/комплекса.

На основе заявленного изобретения может быть создана специализированная машина с произвольным функциональным наполнением, в том числе на собственном самоходном/мобильном шасси.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков известного уровня техники.

Технический результат заключается в обеспечении высокой точности и быстроты управления, исключения из конструкции гидроблоков деталей гидравлического управления и компенсации, обеспечение существенного снижения объёма прецизионной металлообработки: с 70 до 15 процентов на единицу продукции, а также повышение общей надёжности системы управления за счёт её упрощения.

Заявленное устройство цифровой гидравлической системы включает Программно-аппаратный комплекс «Цифровой Блок Управления Гидросистемой» (далее по тексту - ПАК ЦБУГ), который предназначен для точного согласованного управления всеми элементами гидросистемы вне зависимости от их количества и функционального назначения.

ПАК ЦБУГ управляет:

- производительностью гидронасоса/гидронасосов,

- направлением и скоростью вращения/перемещения исполнительных звеньев гидродвигателей и гидроцилиндров гидрофицированных комплексов,

- гидравлическими приводами подключаемого навесного оборудования.

ПАК ЦБУГ (см. фиг. 1, на котором отражена принципиальная схема гидросистемы с прямым цифровым управлением, выполненная на основе технологической платформы «Цифровая гидравлика») - единый программно-аппаратный комплекс регуляторного типа для прямого управления и программирования изменения/поддержания функциональных параметров гидросистемы, в т.ч. в автоматическом режиме, за счёт цифрового управления скоростью и направлением потока гидравлической жидкости с заданной точностью во всех контурах гидросистемы.

ПАК ЦБУГ включает в себя:

1. гидравлические элементы:

- гидронасос,

- цифровой пропорциональный гидрораспределитель (ЦПГР), который состоит из следующих функциональных частей:

• конструкционной и корпусной,

• гидравлической,

• электро-механической,

- гидродвигатели разных конструкций;

- цифровые компоненты:

• блок цифровой коммутации (БЦК),

• блок дистанционной диагностики и обратной связи - БЦОС,

- инструменты управления и контроля:

• программно-процессорные блок,

• цифровые выносные пульты управления различной конструкции,

• система датчиков.

2. ППБ - программно-процессорный блок включает:

- процессорную часть,

- коммутационную часть,

- программное обеспечение управления гидросистемой, вклющающее интерфейс управления гидросистемой;

- блок цифровой коммутации (БЦК) для прямого цифрового подключения к ЦБУГ гидронасосов различной конструкции и производительности разных производителей;

- блок цифровой обратной связи (БЦОС) на каждый канал гидравлической системы (вместо дистанционно размещаемых выносных датчиков обратной связи, устанавливаемых на исполнительных устройствах);

3. Выносной пульт управления (аналогово-цифровой или цифровой), в том числе унифицированный цифровой пульт управления.

При этом в конструкции ЦПГР отсутствуют LS/LSQD каналы и узлы опосредованного гидравлического управления и гидрокомпенсации, регулирование давления и расхода производится с помощью управляющих сигналов программно-процессорного блока, рассчитанных на основании данных датчиков контроля давления и расхода во всех контурах гидросистемы и на основе сигналов обратной связи от исполнительных гидроконтуров.

Управление, осуществляемое ПАК ЦБУГ, является:

- пропорциональным,

- программируемым,

- мануальным/полуавтоматическим/автоматическим,

- чувствительным к внешним воздействиям на гидросистему.

Точность и быстрота управления ПАК ЦБУГ достигается за счёт:

- быстроты и точности обработки данных и расчётных коэффициентов, поступающих с внешних сенсоров и устройств (тензометрических, температурных, геолокации, метеоусловий, вводимых эксплуатационные требований и т.п.);

- за счёт способа «геометрического программирования» формирования входящего потока с максимально точными параметрами.

Конструкция и состав ЦПРГ/ЦБУГ

ЦБУГ/ЦПРГ имеет моноблочное или секционное исполнение. В состав блока рабочих секций могут входить секции управления гидроцилиндрами и реверсивными/нереверсивными гидромоторами. К блоку рабочих секций присоединяется Блок Цифрового Сопряжения (БЦС), осуществляющий управление регулируемым гидронасосом или разгрузку нерегулируемого гидронасоса в зависимости от состава гидросистемы. В БЦК расположен клапан защиты гидросистемы от перегрузок. К Блоку рабочих секций присоединяется Блок Цифровой Обратной Связи (БЦОС), позволяющий отказаться в конструкции гидросистемы от размещения датчиков обратной связи непосредственно на гидродвигателях или гидроцилиндрах и от электрокоммуникаций, подводимых к ним. Контроль за работой всех блоков осуществляет напрямую ППБ. Оперативное вмешательство и настройка работы ЦБУГ (ППБ), осуществляется с Выносного пульта управления (ВПУ), расположенного на рабочем месте оператора. Оператор осуществляет выбор программы работы гидросистемы (последовательность и интенсивность режимов работы) и/или необходимых настроек. После ввода через интерфейс ППБ программы/настроек ЦБУГ осуществляет управление гидросистемой в автоматическом режиме.

Рабочие секции ЦПРГ/ЦБУГ (выпускаются в едином унифицированном корпусе).

Производительность и регуляторные свойства определяются заменяемым блок-регулятором.

Блок-регуляторы исполняются в трех типоразмерах:

- производительностью до 25 литр/мин;

- производительностью до 45 литр/мин;

- производительностью до 75 литр/мин.

Совокупная производительность рабочих секций не должна превышать производительности.

- максимальное давление - 210 кГс/см²

- давление в сливной магистрали, не более - 5 кГс/см²

- перепад давлений предохранительного клапана при номинальном расходе - 190 кГс/см²

- перепад давления между Р и Т в режиме разгрузки при номинальном расходе - 15⁺² кГс/см²

- рабочая жидкость - минеральное масло - (HVLP-32) с

- кинематической вязкостью - 16…2000 сСт.

- чистота рабочей жидкости - не ниже 12 кл. по ГОСТ 17216-2001

- температура рабочей жидкости - - 5°…+80°С

- температура окружающей среды - - 40°…+50°С

- напряжение питания - 24 V

- степень защиты - IP 66-67 ГОСТ 14254-96

Гидравлические каналы:

- напорная полость P - G3/4” ГОСТ 6357-81

- рабочие полости А, В - G1/2” ГОСТ 6357-81

- сливная полость Т - G3/4” ГОСТ 6357-81

- выход под манометр напорной гидролинии Мр - G1/4” ГОСТ 6357-81

- уплотнение гидроарматуры - по ГОСТ 23258-87

Функциональные свойства ЦБУГ

- управление направлением и скоростью выходного звена гидроцилиндра/ гидромотора;

- удержание постоянной скорости выходного звена вне зависимости от внешнего воздействия/нагрузки;

- работа гидроцилиндра в положении «следящий привод»;

- управление соотношением скоростей гидродвигателей (линейных и гидромоторов);

- удержание соотношения угловых скоростей гидромоторов:

• пропорционального;

• экспоненциального;

• с плавающим управляемым коэффициентом.

Программируемые возможности ЦБУГ:

- настройка работы функционального оборудования машины в зависимости от внешних условий и производственного задания - содержание и режимы выполняемых операций;

- геолокация;

- изменения метео-условий;

- учёт изменений характеристик и свойств, используемых или обрабатываемых материалов:

• объём,

• сыпучесть,

• вязкость,

• влажность,

• размер частиц,

• диаметр,

• длина,

• масса,

• твёрдость и тп.

Работу программно-аппаратного комплекса «Цифровой Блок Управления Гидросистемой» (ПАК ЦБУГ) и ее конструктивные и функциональные составляющие удобно проиллюстрировать на примере трехканального ПАК ЦБУГ для гидрофикации коммунальной уборочной машины.

Достигаемый технический результат заключается:

- в принципиальной технической возможности на основе технологической платформы «Цифровая гидравлика» эффективно сочетать широкий спектр компонентов разных производителей при едином унифицированном цифровом управлении в составе гидросистем различных характеристик и функциональности;

- конструктивно, на основе прямого цифрового управления позволила убрать из состава пропорциональных гидроблоков детали гидравлического управления и компенсации и, за счёт этого, существенно снизить объём прецизионной металлообработки: с 70 до 15 процентов на единицу продукции. А, так же, упростить и повысить эффективность системы управления, исключив аналоговую составляющую.

Приведенное ниже описание демонстрирует достижение заявленного технического результата:

ПАК ЦБУГ включает:

- Цифровой пропорциональный гидрораспределитель (ЦПГР), состоящий из корпусной, гидравлической и электро-механической части; ЦПГР выполняет контрольно-распределительную функцию в гидросистеме;

- Программно-процессорный блок (ППБ) - выполняющий вычислительную, аналитическую, алгоритмическую/программную и коммуникационно -коммутационную функции;

- Выносной цифровой пульт управления, выполняющий функцию ввода задач и контроля их выполнения, в т.ч. в виде автоматических программ;

- Блок Цифровой Коммутации (БЦК) выполняет функцию цифрового сопряжения различных элементов гидросистемы, в т.ч., разных производителей, с ЦПГР и ППБ без вторжения в их конструкцию.

Технологическая платформа «Цифровая гидравлика» позволяет применять различные типы компоновки ЦПГР. В описываемом случае ЦПГР представлен в моноблочном исполнении и выполнен в одном корпусе с БЦК. Возможны варианты:

- секционное исполнение с интегрированным БЦК,

- исполнение с БЦК, выполненным в отдельном корпусе, монтируемом с ЦПГР

- БЦК, выполненным в отдельном корпусе, монтируемом непосредственно на гидронасосе.

ЦПГР и БЦК имеют в своем составе сборные блоки-регуляторы с полым прямоугольным золотником в качестве распределяющего устройства.

БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ в обоих случаях это унифицированные картриджные конструкции, управляемые цифровым сигналом через электро-механический привод регуляторов. В конструкции электро-механического привода регулятора отсутствует аналоговая часть, т.е. регулирование осуществляется без изменения уровня напряжения или силы тока. БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ управляются напрямую цифровым сигналом на основании математического расчета, выполненного ППБ в соответствии с данными цифровых датчиков в составе ПАК ЦБУГ. БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ ЦПГР управляют гидравлическими потоками к исполнительным гидродвигателям различных конструкций на основе вычисленной ППБ потребности этих гидродвигателей в расходе и давлении. БЛОК-РЕГУЛЯТОР БЦК автоматически управляет работой гидронасоса (возможны различные конструкции). В случае рассматриваемого изделия он управляет разгрузкой нерегулируемого гидронасоса постоянной производительности.

В соответствии с вычисленной ППБ потребностью исполнительных гидродвигателей в расходе и давлении БЛОК-РЕГУЛЯТОР БЦК отсекает часть потока на максимальном давлении гидросистемы или, если для выполнения задачи потребности в максимальном давлении нет, отсекает часть потока, снижая рабочее давление гидросистемы.

В случае применения регулируемого гидронасоса с переменной производительностью картридж БЛОК-РЕГУЛЯТОРА заменяется на другой - управляющий работой регулируемых насосов.

ППБ через БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ ЦПГР и ЦБК осуществляет:

- прямое цифровое управление исполнительными гидродвигателями,

- автоматическую разгрузку нерегулируемых насосов,

- управление производительностью регулируемых насосов.

ППБ имеет в своем составе средства коммутации и коммуникации в виде набора цифровых входов-выходов для:

- взаимодействия с любыми цифровыми устройствами,

- цифровыми датчиками ПАК ЦБУГ,

- для преобразования сигналов подключаемых аналоговых устройств и датчиков,

- для обработки цифровых сигналов от внешнего цифрового пульта управления и обратной связи с ним.

Весь заявленный функционал и технические возможности ПАК ЦБУГ были подтверждены в рамках натурных заводских испытаний 20.12.2021 г. на серийной гидрофицированной коммунальной машине производства АО «ТоМеЗ» (РФ, ЛенОбласть, г. Тосно) в составе гидросистемы модуля распределения твердых сыпучих материалов (модуль РТМ).

Таблица 1
Сравнительная таблица принципиальных различий между ЦБУГ и любым существующим электроуправляемым пропорциональным гидрораспределителем (Данфосс, Дупломатик, Атос, Муг и т.п. - далее Существующий Аналог)
Comparative table of the fundamental differences between the DCUHS and any existing electrically controlled proportional valve (Danfoss, Duplomatic, Atos, Mug, etc. - hereinafter the Existing Analog) Позиция
Specification Существующий Аналог
Existing Analog ЦБУГ
DCUHS 1. Происхождение конструкторской разработки Продукт постепенной модернизации гидрораспределителя в течение 60 лет содержит в себе следы предыдущих конструкторских решений. Современная разработка, нацеленная на получение конечных свойств устройства. 2. Логика управления Одновременное управление гидравлической логикой, электрическими клапанами и дополнительным устройством электронной оцифровки. Управление единое электронное цифровое 3. Количество и класс обработки деталей гидравлической логики управления.
Количество и класс обработки полостей их установки в корпусе.
(На примере четырехсекционного Danfoss PVG 32) Элементы гидравлической логики
Редукционный клапан для контура LS-управления: устройство из 4 деталей выполненных по 5-6 классу, шлифованных, термоупрочненных. Регламентированный упругий элемент (пружина).
- Полость редукционного клапана, выполненная в литом корпусе по классу 5-6.
- Компенсаторы давления - 8 стальных деталей выполненных по классу 5-6, шлифованных, термоупрочненных. Регламентированный упругий элемент (пружина).
- 4 полости компенсаторов давления, выполненных в литом корпусе по 5-6 классу.
- Логические клапана «ИЛИ» - 4 стальные детали выполненных по классу 7-8, шлифованные, термоупрочненные.
- 4 полости логических клапанов «ИЛИ» выполненные по классу 7-8.
- Клапан ограничивающий - LS давление. Устройство из 4 деталей выполненных по 5-6 классу, шлифованных, термоупрочненных. Регламентированный упругий элемент (пружина).
- Полость клапана ограничивающего - LS давление, выполненная в литом корпусе по классу 5-6.
18 деталей по 5-6 классу Элементы гидравлической логики управления отсутствуют. 4 .Корпус гидрораспределителя Литье
Высокоточное литье из специализированных чугунов.
Прецизионная металлообработка корпуса по классу 5-6. Литье - отсутствует
Высокоточное литье - отсутствует
Металлообработка деталей корпуса по классу 9-10 5. Ложе золотника и золотник Ложе золотников - прецизионные проточки, выполненные в литом корпусе по классу обработки 5-6.
Золотники изготовлены из специальных стальных сплавов, подобранных по коэффициенту температурного расширения к материалу корпуса. Ложе золотника и золотник - две детали, выполненные из одного материала. 6. Процентное соотношение прецизионных работ относительно общего объема металлообработки 70 15 7. Изменение свойств гидрорегулятора Возможна замена золотника с другой геометрией. Ложе золотника неизменно. Картриджная замена всего регуляторного узла.

Изобретение относится к области управления и программирования изменения/поддержания функциональных параметров гидросистемы, в том числе в автоматическом режиме, за счёт цифрового управления скоростью и направлением потока гидравлической жидкости с заданной точностью во всех контурах гидросистемы. Устройство цифровой гидравлической системы с прямым цифровым управлением содержит программно-аппаратный комплекс регуляторного типа для прямого управления и программирования изменения и поддержания функциональных параметров гидросистемы, в том числе в автоматическом режиме, за счёт цифрового управления скоростью и направлением потока гидравлической жидкости с заданной точностью во всех контурах гидросистемы, при этом цифровой блок управления гидросистемой (ПАК ЦБУГ) содержит взаимосвязанные гидравлические элементы: гидронасос, гидродвигатели, цифровой пропорциональный гидрораспределитель (ЦПГР), при этом ПАК ЦБУГ включает в себя: цифровой пропорциональный гидрораспределитель, состоящий из корпусной, гидравлической, электро-механической, коммутационной частей, программно-процессорный блок, включающий: процессорную часть, коммутационную часть, программное обеспечение управления гидросистемой, включающее интерфейс управления гидросистемой, блок цифровой коммутации (БЦК) для прямого цифрового подключения к ЦБУГ гидронасосов, блок цифровой обратной связи (БЦОС) на каждый канал гидравлической системы, выносной пульт управления, систему датчиков; при этом ЦПГР состоит из следующих функциональных взаимосвязанных частей: конструкционной и корпусной, гидравлической, электро-механической, программно-процессорной, коммуникационно-коммутационной. Технический результат - обеспечение высокой точности и быстроты управления, исключения из конструкции гидроблоков деталей гидравлического управления и компенсации, обеспечение существенного снижения объёма прецизионной металлообработки: с 70 до 15 процентов на единицу продукции, а также повышение общей надёжности системы управления за счёт её упрощения. 1 ил., 1 табл.

Устройство цифровой гидравлической системы с прямым цифровым управлением, содержащее программно-аппаратный комплекс регуляторного типа для прямого управления и программирования изменения и поддержания функциональных параметров гидросистемы, в том числе в автоматическом режиме, за счёт цифрового управления скоростью и направлением потока гидравлической жидкости с заданной точностью во всех контурах гидросистемы, при этом цифровой блок управления гидросистемой (ПАК ЦБУГ) содержит взаимосвязанные гидравлические элементы: гидронасос, гидродвигатели, цифровой пропорциональный гидрораспределитель (ЦПГР), при этом ПАК ЦБУГ включает в себя: цифровой пропорциональный гидрораспределитель, состоящий из корпусной, гидравлической, электро-механической, коммутационной частей, программно-процессорный блок, включающий: процессорную часть, коммутационную часть, программное обеспечение управления гидросистемой, включающее интерфейс управления гидросистемой, блок цифровой коммутации (БЦК) для прямого цифрового подключения к ЦБУГ гидронасосов, блок цифровой обратной связи (БЦОС) на каждый канал гидравлической системы, выносной пульт управления, систему датчиков; при этом ЦПГР состоит из следующих функциональных взаимосвязанных частей: конструкционной и корпусной, гидравлической, электро-механической, программно-процессорной, коммуникационно-коммутационной.