Устройство блока цифровой коммутации (БЦК) 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 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) 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.

Программно-аппаратный комплекс «Цифровой Блок Управления Гидросистемой» (ПАК ЦБУГ) включает в себя:

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:

датчики анализаторы расхода в гидравлических контурах исполнительных гидродвигателей в составе БЦОС (поз. 6, фиг. 1);

датчик рабочего давления гидросистемы на выходе БЦК (поз. 7, фиг. 2, 3).

2. ППБ - программно-процессорный блок включает:

процессорную часть,

коммутационную часть,

программное обеспечение управления гидросистемой, включающее интерфейс управления гидросистемой;

блок цифровой коммутации (БЦК) для прямого цифрового подключения к ЦБУГ гидронасосов различной конструкции и производительности разных производителей, с датчиком рабочего давления гидросистемы на выходе БЦК (поз. 7, фиг. 2, 3).;

блок цифровой обратной связи (БЦОС) на каждый канал гидравлической системы, с датчиками анализаторами расхода в гидравлических контурах исполнительных гидродвигателей (поз. 6, фиг. 1) (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.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков известного уровня техники. Технический результат заключается в реализации назначения, а также в обеспечении высокой точности и быстроты управления, а также повышение общей надежности системы управления за счет ее упрощения. Данный результат достигается, за счет исключения из всех составляющих гидросистемы, традиционного сопутствующего гидравлического управления и гидрокомпенсации, параллельных основному управляющему сигналу. Управление осуществляется напрямую электронным цифровым способом с помощью БЦК.

Используемая аббревиатура:

ПАК ЦБУГ - Программно-аппаратный комплекс «Цифровой Блок Управления Гидросистемой»

ЦПГР - Цифровой пропорциональный гидрораспределитель

ППБ - Программно-процессорный блок

БЦК - Блок Цифровой Коммутации

БЦОС - Блок цифровой обратной связи

ВПУ - Выносной пульт управления

Заявленное устройство Блока Цифровой Коммутации (БЦК) - внешнее устройство, входящее в состав Цифрового Блока Управления Гидросистемой (ЦБУГ). Назначением БЦК является сопряжение гидронасосов разных типов с ЦБУГ.

Варианты размещения БЦК в составе гидросистемы:

устанавливаемый непосредственно на гидронасос;

присоединяемый к корпусу рабочих секций гидрораспределителя в составе ЦБУГ;

монтируемый произвольно на корпусе/элементах конструкции гидрофицированного комплекса.

Функция БЦК - управляющее воздействие на изменение производительности регулируемого гидронасос или разгрузку нерегулируемого гидронасоса: комплекс датчиков-анализаторов расхода размещенных в составе БЦОС (поз. 6, фиг. 1) и датчик рабочего давления на выходе БЦК (поз. 7, фиг. 2, 3), формируют сигнал пропорциональный потребной производительности гидронасоса и в режиме непрерывной обратной связи взаимодействует с ЦБУГ, который через БЦК создает непосредственное управляющее воздействие на насос.

Типы БЦК:

- для управления регулируемыми насосами рабочим объемом до 109 куб см;

- для управления регулируемыми насосами рабочим объемом свыше 109 куб см;

- для автоматической разгрузки нерегулируемых насосов рабочим объемом до 109 куб см;

- для автоматической разгрузки нерегулируемых насосов рабочим объемом свыше 109 куб см.

Гидронасосы, пригодные для сопряжения с ЦБУГ без конструктивных изменений и/или специальных промежуточных устройств:

Регулируемые гидронасосы:

- с регулятором постоянного давления;

- с позитивным пропорциональным гидравлическим управлением;

- с регулятором постоянного перепада давления - с LS- управлением;

- с внешним пилотом.

Нерегулируемые гидронасосы рабочим объемом до 160 куб см.

Работу Блока Цифровой Коммутации (БЦК) и его конструктивные составляющие удобно проиллюстрировать на примере трехканального ПАК ЦБУГ для гидрофикации коммунальной уборочной машины.

Функцией БЦК является управляющее воздействие на изменение производительности регулируемого гидронасоса или разгрузку нерегулируемого гидронасоса: комплекс датчиков-анализаторов расхода размещенных в составе БЦОС (поз. 6, фиг. 1) и датчик рабочего давления на выходе БЦК (поз. 7, фиг. 2, 3), формируют сигнал, пропорциональный потребной производительности гидронасоса, и в режиме непрерывной обратной связи взаимодействует с цифровым пропорциональным гидрораспределителем (ЦПГР), который через БЦК создает непосредственное управляющее воздействие на насос.

Приведенное ниже описание демонстрирует средства достижения заявленного технического результата:

Технологическая платформа «Цифровая гидравлика» позволяет применять различные типы компоновки ЦПГР.

На представленных фигурах отражены:

Фиг. 1 Схема расположения элементов БЦК.

Фиг. 2 Принципиальная гидравлическая схема с БЦК разгрузки нерегулируемого гидронасоса.

Фиг. 3 Принципиальная гидравлическая схема с БЦК, управляющим нерегулируемым гидронасосом.

В описываемом случае ЦПГР (поз. 1, фиг. 1) представлен в моноблочном исполнении и выполнен в едином корпусе с БЦК (поз. 2, фиг. 1). 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.

И ЦПГР, и БЦК имеют в своем составе СБОРНЫЕ БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ С ПОЛЫМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ЗОЛОТНИКОМ (поз. 3, фиг. 1) в качестве распределяющего устройства.

БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ в обоих случаях - это унифицированные картриджные конструкции, управляемые цифровым сигналом через электро-механический привод регуляторов (поз. 4, фиг. 1). В конструкции электро-механического привода регулятора отсутствует аналоговая часть, а значит регулирование не производится с помощью изменения уровня напряжения или силы тока.

БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ управляются напрямую цифровым сигналом на основании математического расчета, выполненного программно-процессорным блоком (ППБ) (поз. 5, фиг. 1) в соответствии с данными цифровых датчиков: датчиков-анализаторов расхода размещенных в составе БЦОС (поз. 6, фиг. 1) и датчика рабочего давления на выходе БЦК (поз. 7, фиг. 2, 3).

БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ ЦПГР управляют гидравлическими потоками, направляемыми к исполнительным гидродвигателям различных конструкций в соответствии с вычисленной ППБ потребностью исполнительных гидродвигателей в расходе и давлении.

БЛОК-РЕГУЛЯТОР БЦК автоматически управляет работой гидронасосов различных конструкций, в данном случае - разгрузкой нерегулируемого гидронасоса постоянной производительности. В соответствии с рассчитанной ППБ (поз. 5, фиг. 1) потребностью исполнительных гидродвигателей в расходе и давлении, БЛОК-РЕГУЛЯТОР БЦК (поз. 3, фиг. 1) отсекает часть потока Р2 на максимальном давлении гидросистемы или, если для выполнения задачи потребности в максимальном давлении нет, отсекает часть потока Р2, снижая рабочее давление гидросистемы. Гидравлическая схема подключения БЦК при работе с нерегулируемым насосом, отражена на Фиг. 2. В случае применения регулируемого гидронасоса с переменной производительностью картридж БЛОК-РЕГУЛЯТОРА (поз. 3, фиг. 1) заменяется на другой - управляющий регулируемым насосом. Гидравлическая схема подключения БЦК при работе с регулируемым насосом, отражена на Фиг. 3.

Прямое цифровое управление БЛОКАМИ-РЕГУЛЯТОРАМИ ЦПГР позволяет исключить из конструкции ЦПГР аналоговую электрическую часть и элементы гидравлического управления и гидрокомпенсации.

ППБ через БЛОКИ-РЕГУЛЯТОРЫ ЦПГР и БЦК осуществляет прямое цифровое управление исполнительными гидродвигателями, автоматическую разгрузку нерегулируемых насосов и управление производительностью регулируемых насосов.

Заявленный функционал и технические возможности БЦК в составе ПАК ЦБУГ были подтверждены лабораторными испытаниями в составе гидросистемы стенда-имитатора с насосами разных конструкций:

регулируемый аксиально-поршневой гидронасос 313.4.55.390.5. производства ПАО «Пневмостроймашина» (РФ, г. Екатеринбург),

нерегулируемый аксиально-поршневой гидронасос HDS-64 O.M.F.B. S.p.A. Hydraulic Components (Италия),

и в рамках натурных заводских испытаний 20.12.2021 года на серийной гидрофицированной коммунальной машине производства АО «ТоМеЗ» (РФ, Ленинградская область, 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 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. Логика управления Одновременное управление гидравлической логикой, электрическими клапанами и дополнительным устройством электронной оцифровки. Управление единое электронное цифровое 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. 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 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. Процентное соотношение прецизионных работ относительно общего объема металлообработки 70 15 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 счет цифрового управления скоростью и направлением потока гидравлической жидкости с заданной точностью во всех контурах гидросистемы. Устройство блока цифровой коммутации (БЦК), оказывающее управляющее воздействие на изменение производительности регулируемого гидронасоса или разгрузку нерегулируемого гидронасоса, включает: сборные блоки-регуляторы с полым прямоугольным золотником, управляемые цифровым сигналом через электро-механический привод регуляторов, при этом блоки-регуляторы управляются напрямую цифровым сигналом на основании математического расчета, выполненного программно-процессорным блоком (ППБ) в соответствии с данными цифровых датчиков в составе программно-аппаратного комплекса; цифровой блок управления гидросистемой, при этом блок-регулятор БЦК автоматически управляет работой гидронасосов в соответствии с рассчитанной 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. Технический результат - обеспечение высокой точности и быстроты управления, а также повышение общей надежности системы управления за счет ее упрощения. 3 ил., 1 табл.

Устройство блока цифровой коммутации (БЦК), оказывающее управляющее воздействие на изменение производительности регулируемого гидронасоса или разгрузку нерегулируемого гидронасоса, включающее: сборные блоки-регуляторы с полым прямоугольным золотником, управляемые цифровым сигналом через электро-механический привод регуляторов, при этом блоки-регуляторы управляются напрямую цифровым сигналом на основании математического расчета, выполненного программно-процессорным блоком (ППБ) в соответствии с данными цифровых датчиков в составе программно-аппаратного комплекса цифрового блока управления гидросистемой, при этом блок-регулятор БЦК автоматически управляет работой гидронасосов в соответствии с рассчитанной 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.