ГЛАВА VIII. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Гидравлические усилители занимают особое место среди усилителей систем автоматического управления. Объясняется это тем, что в качестве энергоносителя (рабочего тела) в этих усилителях используется не электрический ток, а жидкость, находящаяся под высоким давлением. Эта особенность усилителей определяет их область применения, преимущества и недостатки, статические и динамические свойства, большой коэффициент усиления по мощности и др.

Тот факт, что в этом классе усилителей могут развиваться на рабочих органах удельные усилия, по крайней мере, на порядок больше, чем например, в электромашинных, обусловливает их большую энергоемкость, а вместе с тем и малую металлоемкость. В качестве сравнения можно указать, что металлоемкость электромашинных усилителей, например, серии ЭМУ составляет на выходной мощности. Металлоемкость же гидравлических усилителей в не является пределом.

Большая энергоемкость гидравлических усилителей обусловливает их малые габариты, высокое быстродействие, а следовательно, и широкую полосу пропускания частот.

Следствием всех этих преимуществ является их область применения. Гидравлические усилители широко используются там, где нужно быстро, точно и надежно управлять различного рода процессами при малых габаритных размерах управляющих устройств. Естественно, что в первую очередь такого рода усилители используются в авиационной и ракетной технике. В то же время гидравлические усилители широко используются при автоматизации производственных процессов и в других отраслях народного хозяйства.

Недостатком гидравлических усилителей является необходимость использования специализированных источников питания (гидравлических насосов).

Основные технические характеристики однокаскадных и двухкаскадных гидравлических усилителей приведены в табл. VIII. 1.

Таблица VIII.1 (см. скан) Основные технические характеристики гидравлических усилителей

1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Гидравлические усилители предназначены для усиления мощности сигналов, подаваемых на их вход, и преобразования этой мощности в мощность потока рабочей жидкости. Усиление мощности осуществляется за счет использования энергии внешних источников питания (насосы, аккумуляторы).

Сочетание гидравлических усилителей с гидравлическими двигателями позволяет осуществить управление двигателями, т. е. изменение по величине и по направлению их линейной или угловой скорости перемещения, а следовательно, и выходной мощности. В этом случае гидравлические усилители применяются преимущественно в системах, имеющих насосы с постоянной производительностью, и включаются между насосом и гидравлическим двигателем. Под воздействием внешних входных сигналов небольшой мощности гидравлические усилители изменяют мощность потока рабочей жидкости, поступающего с выхода усилителя к гидравлическому двигателю, от нуля до некоторой максимальной величины. Мощность потока жидкости на выходе гидравлического усилителя обычно пропорциональна мощности сигнала, поданного на его вход.

Таким образом, гидравлические усилители являются усилителями мощности, в которых на входе затрачивается небольшая мощность на управление, а на выходе имеется во много раз большая мощность потока рабочей жидкости.

Во всех гидравлических усилителях изменение мощности потока рабочей жидкости на выходе усилителя достигается путем дросселирования, т. е. мятия потока. В процессе дросселирования происходит изменение сопротивления истечению потока, сопровождающееся изменением скоростей частиц движущейся жидкости по величине и направлению и потерей энергии в месте деформации потока. Эти потери аналогичны потерям энергии потока жидкости в местных сопротивлениях. При дросселировании изменяются расход и давление рабочей жидкости на выходе гидравлического усилителя. Приведенное пояснение позволяет провести некоторую аналогию между гидравлическим усилителем и обычной электронной лампой, в которой поток электронов как бы дросселируется путем изменения потенциала сетки.

Совокупность гидравлических усилителя и двигателя составляет гидравлическую систему усилитель — двигатель, которая, в свою очередь, вместе с источником питания и вспомогательной аппаратурой образует гидравлический привод с дроссельным управлением.

В настоящее время существует большое число схемных и конструктивных разновидностей гидравлических усилителей. Однако все они представляют собой дроссельные гидравлические усилители, которые могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

1. Число ступеней (каскадов) усиления. При этом различают однокаскадные и многокаскадные гидравлические усилители. Из последних наиболее часто применяются двухкаскадные гидравлические усилители.

2. Число дросселей. Дроссели представляют собой различные конструктивные устройства, осуществляющие дросселирование потока рабочей жидкости. В связи с этим различают гидравлические усилители с двумя дросселями, четырьмя дросселями и многодроссельные.

3. Тип дросселя. Различают гидравлические усилители, имеющие дроссели с постоянной площадью проходного сечения (с постоянным проходным сечением) или с переменной площадью проходного сечения (с переменным проходным сечением).

4. Расположение дросселей в схеме. В схемах гидравлических усилителей дроссели могут быть расположены последовательно и параллельно. Последовательное расположение дросселей образует гидравлическую цепочку, а параллельное — гидравлический мостик (дифференциальную схему).

5. Конструкция дросселя. В соответствии с этим признаком различают три главных класса гидравлических усилителей: с золотником, с соплом — заслонкой и со струйной трубкой.

Кроме основных классификационных признаков, в каждой группе гидравлических усилителей имеются свои дополнительные признаки, позволяющие подразделить усилители на более мелкие подгруппы. Так, например, известны гидравлические золотниковые усилители с положительным, нулевым или отрицательным перекрытием, гидравлические усилители со струйной трубкой затопленной или незатопленной, двухкаскадные гидравлические усилители с отслеживающим управляющим элементом или без него и т. д.

В системах автоматического регулирования и управления все типы гидравлических усилителей получали широкое распространение.

В большинстве случаев их использование обеспечивает однонаправленное прохождение сигнала от маломощных электронных, транзисторных или магнитных усилителей к выходным исполнительным устройствам большой мощности. Детектирующие свойства усилйтелей определяются нагрузкой, которая зависит от усилий, действующих на золотник (в том числе от гидродинамических сил потока жидкости, протекающей через его рабочие окна), оказываемой золотником на электромеханический преобразователь, управляющий его работой. В зависимости от метода управления выходным элементом гидравлические усилители могут быть классифицированы на три группы — без обратной связи, с обратной связью и с замкнуто-разомкнутым управлением.

Усилители без обратной связи и с обратной связью, осуществляемой по положению золотника гидравлических исполнительных устройств, простыв конструктивном отношении, надежны в эксплуатации. Однако эти усилители не изменяют основных статических и динамических характеристик исполнительных устройств, они являются лишь усилителями мощности сигнала ошибки. Иное значение в силовых системах управления имеют гидравлические усилители с обратной связью по нагрузке и по скорости исполнительных двигателей. Такие усилители, помимо их основной функции, существенно улучшают статические и динамические характеристики исполнительного механизма, повышают его к. п. д. При создании этого типа усилителей снижаются требования к точности и качеству изготовления золотниковых пар. Аналогичные преимущества имеют усилители с замкнуто-разомкнутым управлением.

Гидравлические усилители по сравнению с другими усилителями мощности, например электромашинными, имеют лучшие динамические качества, просты и компактны, удобны при преобразовании энергии потока жидкости в механическую энергию, сочетают большую выходную мощность с малыми габаритами и весом. Так, например, известны гидроусилители весом 300-400 г, управляющие потоком жидкости мощностью 10—15 кВт.

В качестве управляющих элементов используются переменные дроссели — золотниковые пары с начальным осевым зазором, сопла с заслонками, в некоторых усилителях струйные трубки. Постоянные дроссели необходимы для создания перепада давления при

изменении расхода рабочей жидкости, протекающей через дроссель переменного сечения. В качестве последних наиболее часто используются пакеты дросселирующих шайб, а иногда втулки.

В зависимости от числа переменных дросселей, используемых в усилителях, последние подразделяются на однощелевые, двухщелевые и четырехщелевые. Число переменных дросселей определяет их чувствительность и динамические качества. С увеличением числа переменных дросселей чувствительность усилителей повышается, улучшаются также динамические свойства. Однако большое число управляющих дросселей усложняет конструкцию и понижает надежность.

Применяемые в технике автоматического регулирования гидравлические усилители подразделяются на дроссельные и струйные усилители. Из существующих конструкций дроссельных гидравлических усилителей наиболее распространенными являются усилители золотникового типа и усилители типа сопло — заслонка. Гидравлические усилители игольчатого, клапанного и других типов применяются реже.