Насосная станция с программно-аппаратным обеспечением для создания точных управляемых давлений Российский патент 2023 года по МПК F04D15/00 

Изобретение относится к принципам построения и режимам работы гидравлических станций, а также к созданию высокоточных управляемых давлений с нулевыми и около нулевыми расходами и может использоваться для определения механических свойств материалов, уплотнения/деформации материалов, калибровки датчиков, в испытательных стендах и т.д.

Опыт построения испытательных машин показал, что для их работы требуются насосные станции с высокой точностью воспроизведения давлений с практически нулевым расходом.

Типовые насосные станции постоянного давления построены по принципу перелива гидравлической жидкости через регулируемый клапан из напорной магистрали в сливную магистраль. Клапан при этом создаёт сопротивление сливу, тем самым регулирует давление в напорной магистрали. В таком режиме вся вырабатываемая насосом энергия затрачивается на нагрев и износ клапана и масла. Это приводит к их быстрой деградации, к потере точности и стабильности воспроизведения давлений. Такой метод работы описан в учебнике (см. "Учебный курс гидравлики" фирмы Mannesmann Rexroth RSU 00 301/5.80, 1980, стр. 186, рис. 4).

В решении описанной проблемы известен способ (патент RU 2743741 C1, F04B 49/06, F15B 19/00, 25.02.2021) снижения негативного влияния сливной магистрали, за счёт снижения расхода насоса, путём уменьшения частоты вращения мотора, до минимально возможных, при котором всё ещё обеспечивается точная работа клапана.

В другом известном способе (патент RU 92493 U1, F15B 1/02, 20.03.2010) стремились, так же снизить расход за счёт применения регулируемого насоса, а, чтобы нивелировать запаздывания системы регулирования к напорной магистрали подключили гидроаккумулятор, способствующий на короткое время обеспечить потребителей пиковым расходом.

Точное регулирование в обоих способах выполняется пропорциональным клапаном, который имеет ряд недостатков, такие как: ток намагничивания; гистерезис золотника; износ и осадка примесей гидравлической жидкости на поверхности регулирующего золотника; высокие требования к чистоте гидравлической жидкости; потокосцепления самоиндукции и тока; низкая полоса пропускания тока, что снижает точность регулирования ШИМ с большой скважностью; наличие начального давления для открытия клапана; участие в системе в качестве упругого элемента, что провоцирует осцилляцию, особенно при сторонних возмущениях и т.д.

В случае резкой внешней разгрузки регулятор расхода не успевает отреагировать на быстрое падение давления и направляет большой расход в рабочий орган, что может привести к опасной ситуации в зоне рабочего органа.

Большинство принятых мер, в упомянутых способах, направлены на борьбу с негативными проявлениями в сливной магистрали, в режиме поддержания давления. Меры заключаются в снижении расхода до минимально допустимого. Это снижает нагрев золотника, увеличивая его срок службы, а так же уменьшает отклик на перемещение золотника, что повышает точность. Снижаются энергетические потери.

Принятые решения усложняют насосную станцию, увеличивают её стоимость и снижают надёжность.

Дальнейшее снижение расхода через сливную магистраль ограничено минимальными рабочими расходами насоса и клапана. У насоса существуют нижний предел расхода, при котором он может обеспечивать номинальное давление, а у клапана существует минимальный расход необходимый для его открытия и работы в середине линейного участка передаточной характеристики. Продолжение снижения расхода через сливную магистраль по такой схеме больше не представляется возможным.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка насосной станции с высокой точностью воспроизведения давлений с практически нулевым расходом.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности воспроизведения давлений и надёжности, минимальное потребление энергии, уменьшение массы и габаритов.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что насосная станция с программно-аппаратным обеспечением для создания точных управляемых давлений, характеризующаяся тем, что содержит установленные в общем корпусе насос 3 с меньшим расходом и насос 6 с большим расходом, подключённые к электроприводному мотору 4, гидравлический распределитель 7, выполненный с возможностью попеременного подключения насосов: 3 меньшего расхода и 6 большего расхода к силовому органу 2, воздействующему на объект 1, установленный перед силовым органом 2 измеритель давления 5, сигнал от которого поступает в вычислительное устройство (ВУ) программно-аппаратного устройства, которое регулирует частоту работы электроприводного мотора 4, при этом насос 3 с меньшим расходом выполнен с возможностью работы при соблюдении трех условий, при которых его расход равен суммарным внутренним утечкам, электроприводной мотор выполнен с достаточной мощностью и плавностью изменения частоты привода мотора начиная с 0 Гц, а установившаяся температура не должна превышать предельно допустимое значение теплового режима работы насоса и гидравлической жидкости.

Кроме того, измеритель давления 5 выполнен в виде датчика давления.

Изобретение поясняется чертежом, где:

1-объект воздействия, 2- рабочий орган, 3 – насос, 4-привод, 5-измеритель давления, 6 – насос большого расхода, 7 – гидравлический распределитель.

Гидравлическая насосная станция содержит насосы 3 и 6 с различными расходами, подключённые к мотору 4, гидравлический распределитель 7, попеременно подключающий насосы с разными расходами к силовому органу 2, воздействующему на объект 1. Сигнал от измерителя давления 5 поступает в ВУ, которое регулирует частоту работы электроприводного мотора 4.

При этом организовывается специальный режим работы насоса 3. Специальный режим характерен работой насоса 3 с расходом, равным суммарным утечкам системы, достаточной мощностью и плавностью выбора частоты привода мотора начиная с 0 Гц, соблюдением теплового режима работы насоса и гидравлической жидкости. Давление устанавливается частотой привода мотора. В результате чего в схеме отсутствует сливная магистраль с регулятором, что снижается нагрев, потребление энергии и стоимость, увеличивается точность, надёжность и срок службы. Признаком работы насоса в насосной станции в специальном режиме является отсутствие в схеме насосной станции сливной магистрали с регулирующим клапаном.

Программно-аппаратное устройство организовывает работу насоса в специальном режиме, а также повышает точность установки давления, благодаря инерционности мотора, с помощью, скользящей средней в колебательном сигнале управления.

С применением дополнительного, электрически подключаемого насоса 6 большего расхода увеличивается диапазон расходов насосной станции. Для плавности расхода и давления в нагнетающей магистрали переключение сопровождается скачком изменения частоты привода мотора, с целью приведения расхода подключаемого насоса, к расходу отключаемого насоса.

Исполнение двух насосов в общем корпусе улучшает тепловые условия для работы насоса, работающего в специальном режиме. Один из насосов транспортирует гидравлическую жидкость через общий корпус, работающую как теплоноситель.

В нашем изобретении техническая проблема решается с помощью работы насоса 3 (см. чертеж) в специальном режиме - работа насоса с нулевым расходом на выходе (работа насоса на глухую стенку). Для возникновения специального режима в насосе, необходимо чтобы выполнялось три условия: его расход был равен внутренним утечкам (первое условие), так как внутренние утечки насоса очень малы, тогда расход насоса должен быть очень маленьким. Часть расхода при этом может уходить в напорную магистраль на утечки в других узлах и в рабочий орган. В таком режиме насос 3, при любом давлении, создаёт расход, равный суммарным внутренним утечкам насоса, это позволяет в гидравлической схеме насосной станции полностью отказаться от регулирующего клапана и магистрали слива.

Давление на выходе насоса устанавливается частотой электроприводного мотора 4 (см. чертеж). Чем выше частота, тем выше давление. Электроприводной мотор должен обладать достаточной мощностью и плавностью изменения частоты, для работы начиная с частоты 0 Гц (второе условие).

Для возникновения специального режима в насосе, необходимо чтобы его расход был равен внутренним утечкам, так как внутренние утечки насоса очень малы, то расход насоса должен быть очень маленьким. Часть расхода при этом может уходить в напорную магистраль.

С изменением расхода насоса меняется давление в системе, что ведёт как следствие к изменению величины суммарных гидравлических утечек. В результате гидродинамического равновесия между новым расходом насоса и новыми суммарными гидравлическими утечками системы устанавливается новое давление. С ростом утечек растёт температура в зоне утечек, со временем, после гидродинамического баланса, устанавливается тепловой баланс между зоной утечек и окружающей средой. Установившаяся температура, не должна превышать предельно допустимое значение условий работы узлов насоса и гидравлической жидкости (третье условие).

Выделяющаяся температура у насосов, с очень малым расходом, работающих с нулевым расходом на выходе не значительна и позволяет работать насосу во всём его диапазоне давлений длительное время. Не выполнение перечисленных трёх условий не позволит поддерживать постоянное давления и может привести к поломке насоса.

Насос в специальном режиме играет роль источника давления, при необходимости предоставляет системе небольшой расход, это позволяет полностью отказаться от сливной магистрали и регулировочного клапана.

Для более высоких расходов, например, для более быстрого движения рабочего органа, насосная станция оснащена подключаемым насосом большого расхода 6 (рис.1). При переключении сопровождается скачком изменения частоты электроприводного мотора, с целью приведения расхода подключённого насоса, к последнему расходу отключённого насоса.

Насосы могут быть объединены в один корпус для взаимного охлаждения. Один из насосов транспортирует гидравлическую жидкость через общий корпус, работающую как теплоноситель. Это положительно сказывается на третьем условии.

Для простоты схемы насосной станции может применяться реверсивный насос, который позволяет производить разгрузку напорной магистрали и обратный ход рабочего органа 2 (рис.1). Для работы с двух ходовым гидроцилиндром может применяться дополнительный гидравлический распределитель направляющий расход в выбранную полость.

Порядок работы.

При запуске и установке в рабочем диапазоне произвольной частоты электроприводного мотора 4, давление в системе начинает расти. На первом участке давление растёт относительно линейно, далее рост начинает замедляться с ускорением и давление выходит на некоторую постоянную величину. Вместе с ростом давления растут суммарные гидравлические потери, наступает момент, когда расход насоса становится равным суммарным гидравлическим потерям в системе и рост давления прекращается.

При продолжении удержания частоты электроприводного мотора 4 давление в системе начинает проявлять тенденцию к небольшому плавному снижению.

Для сохранения давления неизменным вычислительное устройство ВУ компенсирует снижение давления добавлением расхода, путём увеличения частоты электроприводного мотора 4.

Плавное снижение давления обусловлено ростом нагрева гидравлической жидкости в зонах утечки, что приводит к снижению в этих зонах вязкости и как следствие усилению утечки, при этом температура нагрева гидравлической жидкости не превышает максимально допустимую температуру условий эксплуатации гидравлической жидкости, насоса 3 и уплотнений. Кавитации в насосе не возникает. Это продолжается до тех, пока не установится тепловой баланса насоса с внешней средой.

Для перехода к следующей величине давления, ВУ рассчитывает и устанавливает новое значение частоты электроприводного мотора 4.

При приближении к заданной величине давления, для недопущения выбега, ВУ с упреждением выполняет уменьшение частоты мотора. Далее происходит процесс плавной доводки и поддержания нового заданного давления. Поддержание давления выполняется по алгоритму пропорционально-интегрально-дифференцирующего(ПИД) регулирования. Благодаря инерционности мотора точность (дискретность) установки частоты мотора повышается за счёт скользящей средней по переменному выходному сигналу ПИД регулятора.

В случае необходимости обеспечения режима линейного роста давления, ВУ ведёт постоянное увеличение частоты электроприводного мотора с учётом отклонения измеренной скорости роста давления относительно заданной.

Во всех случаях в качестве измерителя работает либо датчик давления 5, который измеряет давление в гидравлической системе, либо иные физически контролируемые параметры в рабочем органе 2 или объекте воздействия 1, например, сила, деформация, плотность и т. д.

Общие гидравлические потери могут вырасти нежелательно, например, применяя метрологический гидроцилиндр без уплотнений, или созданы намеренно, путём снижения вязкость применяемой гидравлической жидкости для повышения утечек, например, для возможности применения насоса с большим номинальным расходом.

Наше изобретение позволяет практически всегда сводить общие затраты энергии только на компенсацию суммарных гидравлических потерь. Это режим минимально возможных потреблений энергий.

В случае применения шестеренного насоса основные утечки до 80% происходят в шестернях. Зубья, вращающихся шестерен, создают периодические колебания давления в зоне утечек насоса, что нормализует монотонность процесса утечки, снижает влияние попадания инородных частиц.

Таким образом, заявленное изобретение:

- повышает точность воспроизведения давления, за счёт отсутствия гистерезиса, за счёт существования современных стабильных и точных векторных электроприводных моторов, а также за счёт управления с помощью средней скользящей в колебательном сигнале управления, что повышает дискретность выбора частоты мотора;

- снижает электропотребление до минимально возможного, за счёт отсутствия потер в сливной магистрали и отсутствия затрат на питание электрического регулирующего клапана;

- снижает себестоимость за счёт устранения сливной магистрали, регулирующего клапана, системы управления клапаном и фильтров тонкой очистки;

- повышает надёжность за счёт сокращения количества элементов в системе;

- повышает срок службы за счёт удаления из схемы регулирующего клапана с низким ресурсом;

- снижает габариты и вес, за счёт уменьшения количества элементов в схеме, а также за счёт уменьшения количества гидравлической жидкости в системе, благодаря существенному снижению её нагрева;

- значительное снижение шумов работы насосной станции;

- исключение опасных выбросов при разгерметизации или разрушения объекта воздействия.

Изобретение относится к принципам построения и режимам работы гидравлических станций, а также к созданию высокоточных управляемых давлений с нулевыми и около нулевыми расходами и может использоваться для определения механических свойств материалов, уплотнения/деформации материалов, калибровки датчиков, в испытательных стендах и т.д. Насосная станция с программно-аппаратным обеспечением для создания точных управляемых давлений, характеризующаяся тем, что содержит установленные в общем корпусе насос 3 с меньшим расходом и насос 6 с большим расходом, подключённые к электроприводному мотору 4, гидравлический распределитель 7, выполненный с возможностью попеременного подключения насосов: 3 меньшего расхода и 6 большего расхода, к силовому органу 2, воздействующему на объект 1, установленный перед силовым органом 2 измеритель давления 5, сигнал от которого поступает в вычислительное устройство программно-аппаратного устройства, которое регулирует частоту работы электроприводного мотора 4. Насос 3 с меньшим расходом выполнен с возможностью работы при соблюдении трех условий, при которых его расход равен суммарным внутренним утечкам, электроприводной мотор выполнен с достаточной мощностью и плавностью изменения частоты привода мотора начиная с 0 Гц, а установившаяся температура не должна превышать предельно допустимое значение теплового режима работы насоса и гидравлической жидкости. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности воспроизведения давлений и надёжности, минимальное потребление энергии, уменьшение массы и габаритов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Насосная станция с программно-аппаратным обеспечением для создания точных управляемых давлений, характеризующаяся тем, что содержит установленные в общем корпусе насос 3 с меньшим расходом и насос 6 с большим расходом, подключённые к электроприводному мотору 4, гидравлический распределитель 7, выполненный с возможностью попеременного подключения насосов: 3 меньшего расхода и 6 большего расхода, к силовому органу 2, воздействующему на объект 1, установленный перед силовым органом 2 измеритель давления 5, сигнал от которого поступает в вычислительное устройство (ВУ) программно-аппаратного устройства, которое регулирует частоту работы электроприводного мотора 4, при этом насос 3 с меньшим расходом выполнен с возможностью работы при соблюдении трех условий, при которых его расход равен суммарным внутренним утечкам, электроприводной мотор выполнен с достаточной мощностью и плавностью изменения частоты привода мотора начиная с 0 Гц, а установившаяся температура не должна превышать предельно допустимое значение теплового режима работы насоса и гидравлической жидкости.

2. Насосная станция по п.1, отличающаяся тем, что измеритель давления 5 выполнен в виде датчика давления.