5. СХЕМЫ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ДВУХКАСКАДНЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Для увеличения мощности потока рабочей жидкости на выходе гидравлических усилителей приходится подключать их к источникам питания с высоким давлением и большим расходом жидкости. Однако размеры проходных сечений в гидравлических усилителях (окон в гильзе золотника, выходных отверстий сопел или струйных трубок) обычно невелики и рассчитаны на ограниченный расход. Увеличение расхода рабочей жидкости, поступающей от источника питания, вызывает увеличение размеров проходных сечений с целью избежать возникновения кавитации. Это приводит к увеличению общих размеров однокаскадных гидравлических усилителей. Кроме того, с ростом давлений и расходов рабочей жидкости, а также габаритов усилителей, увеличиваются мощности, затрачиваемые на управление гидравлическими усилителями, вследствие увеличения усилий, необходимых для перестановки подвижных элементов. Эти усилия обусловлены значительными силами трения, осевыми гидродинамическими и боковыми неуравновешенными силами, а также облитерационными и другими силами. В результате резко снижается чувствительность гидравлических усилителей к управляющему сигналу, а следовательно, и чувствительность гидроприводов в системе управления в целом.

Для получения большой мощности на выходе гидравлических усилителей при сохранении одновременно их высокой чувствительности применяют гидравлические усилители с несколькими ступенями (каскадами) усиления, чаще всего с двумя каскадами усиления. Принцип работы таких гидравлических усилителей заключается в том, что усилитель первого каскада с ограниченным расходом и малым давлением питания рабочей жидкости приводит в действие усилитель второго каскада с большим расходом и высоким давлением питания рабочей жидкости.

Каскады усиления двухкаскадных гидравлических усилителей могут представлять собой как конструктивно однородные (например, двойной зодотник), так и конструктивно разнородные усилители (например, сопло — заслонка и золотник). В большинстве систем автоматического регулирования вторые каскады усиления двухкаскадных гидравлических усилителей выполняются в виде золотников, в то время как первые каскады усиления выполняются различными.

В зависимости от расположения дросселей в первом каскаде усиления двухкаскадные гидравлические усилители, наиболее распространенные в гидравлических приводах для систем управления, можно разделить на две группы: с последовательным включением дросселей, с параллельным включением дросселей.

Рис. VIII.21. Схема двухкаскадного гидравлического усилителя с иглой и золотником

На рис. VIII.21 изображена принципиальная схема двухкаскадного гидравлического усилителя, называемого усилителем с иглой и золотником и имеющего в первом каскаде усиления два последовательно расположенных дросселя [2].

Первый каскад усиления имеет дроссель 1 с постоянным проходным сечением, междроссельную камеру А и иглу 2, которая совместно с отверстием в торце плунжера 3 представляет дроссель с переменным проходным сечением — перемещение иглы). Внутренний канал в плунжере сообщается с камерой Б. Второй каскад усиления — золотник, состоящий из плунжера 3 и гильзы 4.

Первый каскад усиления питается от источника с небольшим постоянным давлением и ограниченным расходом рабочей жидкости. Рабочая жидкость проходит через дроссель 1, камеру А, проходное сечение между иглой 2 и кромкой отверстия в плунжере 3 и далее по внутреннему каналу в плунжере золотника попадает в камеру Б, а затем на слив. Источник питания первого

каскада усиления соединен также с камерой В. Игла имеет диаметр порядка 3 мм. Конец иглы может иметь различную форму. Иногда иглу выполняют в виде полого цилиндра, на боковой поверхности которого фрезеруются окна. При малом давлении питания первого каскада усилие и мощность, необходимые для перемещения иглы, незначительны.

Второй золотниковый каскад усиления имеет плунжер большого диаметра и питается от источника с повышенным постоянным давлением и значительным расходом рабочей жидкости. Поэтому мощность потока рабочей жидкости на выходе второго каскада усиления имеет большую величину.

В нейтральном положении гидравлического усилителя буртики плунжера 3 перекрывают окна в гильзе 4 и гидравлический двигатель не движется. При этом плунжер находится в равновесии и, если пренебречь силами трения, можно записать

где — давления рабочей жидкости в момент равновесия соответственно в камерах А и Б усилителя;

— давление рабочей жидкости в полости В усилителя, всегда равное давлению цитания первого каскада;

— площади торцов плунжера золотника соответственно в камерах А, Б и В.

Давление рабочей жидкости в камере Б равно давлению жидкости на линии слива. Давление можно считать постоянным и близким к нулю. Так как площадь больше площадей то равновесие плунжера возможно лишь при давлении в междроссельной камере, меньшем давления питания . В этом случае между иглой и отверстием в торце плунжера должен существовать некоторый начальный зазор, через проходное сечение которого пойдет поток рабочей жидкости на линию слива.

При перемещении иглы управляющим элементом изменяется площадь проходного сечения между иглой и кромкой отверстия в плунжере и, как следствие, сопротивление истечению жидкости в данном сечении. Это приводит к изменению расхода через проходное сечение и давления рабочей жидкости в камере А. Допустим, что игла сместилась немного влево от своего нейтрального положения, При этом давление в междроссельной камере А начинает падать из-за увеличения расхода рабочей жидкости из камеры . Изменение давления вызывает появление неуравновешенного усилия

перемещающего плунжер также влево. При этом силы трения не учитывают. Перемещение плунжера, если пренебречь еще и осевой гидродинамической силой, происходит до тех пор, пока он, набегая на иглу, не переместится на ту же величину х, что и игла. В

этот момент положение иглы отношению к отверстию в торце плунжера будет идентично исходному положению, давление в камере А увеличится и равновесие восстановится. Перемещаясь, плунжер золотника открывает окна в гильзе и в гидравлическом двигателе возникает перепад давлений, приводящий его в движение. Аналогичная картина имеет место и при смещении иглы направо. И в этом случае плунжер золотника под действием неуравновешенного усилия, как говорят, отслеживает перемещение иглы.

Золотник, обладающий свойством отслеживать перемещение какого-либо элемента, часто называют следящим золотником. С позиций теории автоматического регулирования слежение золотника, например, за перемещением иглы в рассмотренном двухкаскадном гидравлическом усилителе, обусловлено наличием в нем внутренней неявной отрицательной обратной связи между вторым и первым каскадами усиления (рис. VII 1.22).

Рис. VIII.22. Схема обратной связи в двухкаскадном гидравлическом усилителе с иглой и золотником: IГУ — первый гидравлический каскад усиления; IIГУ — второй гидравлический каскад усиления; ОС — внутренняя отрицательная обратная связь

Коэффициент усиления такой обратной связи при принятых выше допущениях равен единице. Действительная точность слежения зависит от характера и величины сил трения между плунжером золотника и его гильзой, а также от величины осевой гидродинамической силы, которая была опущена в неравенстве (VIII.40).

Существование в гидравлических усилителях внутренних отрицательных обратных связей между каскадами усиления является дополнительным признаком классификации многокаскадных, в частности двухкаскадных, гидравлических усилителей. По этому признаку многокаскадные гидроусилители могут быть разделены на следящие и неследящие.

Преимуществом усилителя с иглой и золотником является минимальная затрата мощности на управление первым каскадом усиления при сохранении одновременно высокой чувствительности. При этом выходная мощность усилителя может достигать значительной величины.

Коэффициент усиления по мощности многокаскадных гидравлических усилителей представляет собой произведение коэффициентов усиления по мощности отдельных каскадов. Так, для рассмотренного двухкаскадного гидравлического усилителя

где коэффициенты усиления по мощности соответственно первого и второго каскадов усиления.

При этом

где — расход, определяющий скорость перемещения плунжера золотника без учета утечек рабочей жидкости через него;

у — координата плунжера золотника;

— давления на выходе второго каскада усиления (или давления в полостях гидравлического двигателя, подключенного к усилителю, если пренебречь потерями энергии потока в соединительных трубопроводах);

— рабочая площадь поршня гидравлического двигателя;

— координата поршня гидравлического двигателя.

Рис. VIII.23. Схема двухкаскадного гидравлического усилителя со втулкой и золотником

Коэффициент усиления по мощности в двухкаскадных гидравлических усилителях может достигать нескольких тысяч (например, в двухкаскадном усилителе с иглой и золотником он имеет порядок 12—20 тыс.).

В двухкаскадных гидравлических усилителях первый каскад усиления может быть выполнен также в виде дросселя 1 с постоянным проходным сечением (рис. VIII.23), междроссельной камеры А и втулки 2, дросселирующей поток рабочей жидкости в окнах О аналогично игле, а второй каскад оставлен неизменным в виде золотникового усилителя [4].

Цилиндрическая втулка 2 надета на верхний хвостовик плунжера 3 золотника и перемещается вдоль оси усилителя управляющим элементом. При движении втулки ее нижний край открывает или закрывает окна О, имеющиеся в верхнем хвостовике плунжера, изменяя их проходные сечения. Втулка 2 вместе с окнами О представляет собой дроссель с переменным проходным сечением.

Питание первого каскада усиления производится через дроссель 1 от источника с небольшим постоянным давлением и небольшим расходом рабочей жидкости. Внутричплунжера золотника имеется канал, по которому рабочая жидкость, пройдя дроссель 1 и камеру поступает к окнам О и далее на слив. Нижний хвостовик плунжера золотника имеет буртик 5 с различными площадями

своих торцов. На площадь действует давление рабочей жидкости, имеющееся в камере А, а на площадь постоянное давление равное давлению питания первого каскада.

Второй золотниковый каскад усиления подключен к источнику питания с высоким давлением рабочей жидкости и большим расходом.

В нейтральном положении гидравлического усилителя плунжер 3 своими буртиками закрывает окна в гильзе 4 золотника и рабочая жидкость в полости гидравлического двигателя не поступает. В этом положении втулка 2 перекрывает окна О примерно наполовину и через образовавшееся начальное проходное сечение идет поток рабочей жидкости от источника питания первого каскада усиления на линию слива. Плунжер в этот момент находится в равновесии под действием приложенных к нему сил. Допустим, что в рабочем состоянии ось плунжера вертикальна, т. е., учитывая силу веса плунжера, уравнение его равновесия можно записать в виде

где — давление рабочей жидкости в камере А в момент равновесия;

— вес плунжера.

При этом силой трения пренебрегаем. Так как площадь больше площади то во все моменты равновесия давление должно быть меньше давления Выполнение этого условия возможно только при существовании потока рабочей жидкости через дроссель 1, камеру А, внутренний канал в плунжере 3 и окна О на слив.

Перемещение х втулки управляющим элементом изменяет площадь проходного сечения окон О, что приводит к изменению давления в камере Л. Допустим, что втулка опустилась на какую-то величину по отношению к своему начальному положению, соответствующему нейтральному положению плунжера. В результате этого проходное сечение окон О уменьшилось, сопротивление истечению возросло, расход рабочей жидкости через окна уменьшился и давление в камере А увеличилось. Равновесие плунжера нарушилось, и он под действием усилия

начал опускаться, открывая окна в гильзё. Рабочая жидкость, питающая второй каскад усиления, при этом поступает к гидравлическому двигателю, и он приходит в движение. В результате опускания плунжера площадь проходного сечения окон О вновь увеличивается до тех пор, пока не наступит равновесие плунжера, описываемое равенством (VIII.44). Новое состояние равновесия, если пренебречь осевой гидродинамической силой и силами трения, возможно лишь в том случае, когда перемещение плунжера равно перемещению втулки, т. е. плунжер отслеживает движение втулки.

На перемещение втулки затрачивается небольшая мощность. Выходная же мощность усилителя в виде мощности потока рабочей жидкости на выходе второго каскада усиления может быть значительной.

Большое влияние на работу рассмотренного двухкаскадного гидравлического усилителя оказывают силы трения между втулкой и плунжером золотника, снижающие чувствительность первого каскада усиления. Для уменьшения этих сил плунжер приводится во вращательное движение (рис. VIII.23). Это одновременно позволяет уменьшить и силы трения между плунжером и гильзой, что, в свою очередь, повышает чувствительность второго каскада усиления.

Рис. VIII.24. Схема модификации двухкаскадного гидравлического усилителя со втулкой и золотником

Иногда сила давления рабочей жидкости, действующая на плунжер 3 снизу (в камере Б), заменяется усилием пружины. Принципиальная схема модифицированного двухкаскадного гидравлического усилителя изображена на рис. VII 1.24. В этой схеме только на один торец с площадью буртика 5 действует давление рабочей жидкости, имеющееся в камере А.

Снизу на буртик 5 опирается пружина 6. Условие начального равновесия плунжера, соответствующее нейтральному положению гидравлического усилителя этой схемы, имеет вид

где — усилие пружины в момент начального равновесия.

Условие (VIII.46) выполняется только в начальном положении равновесия. Каждое новое состояние равновесия, возникающее при смещении плунжера золотника относительно нейтрального положения, отличается от начального и описывается равенством

где — давление рабочей жидкости в камере А в момент нового равновесия;

— усилие пружины в момент нового равновесия;

где с — жесткость пружины 6 (рис. VIII.24);

у — перемещение плунжера 3, отсчитываемое от его нейтрального положения.

В рассматриваемом гидравлическом усилителе плунжер золотника не отслеживает полностью перемещение х втулки, так как усилие пружины зависит от хода плунжера. Давление в камере А,

уравновешивающее это усилие, должно быть различным в каждом новом равновесном положении плунжера. Последнее возможно лишь при существовании некоторого рассогласования между перемещениями втулки и плунжера золотника.

Принципиальная схема двухкаскадного гидравлического усилителя, имеющего в первом каскаде усилитель со струйной трубкой, а во втором каскаде усилитель с золотником, изображена на рис. VIII.25. Струйная трубка 1 управляет перемещением плунжера 3 золотника, изменяющего подачу рабочей жидкости в гидравлический двигатель.

Рис. VIII.25. Схема двухкаскадного гидравлического усилителя со струйной трубкой и золотником

Рис. VIII1.26. Схема двухкаскадного гидравлического усилителя с соплами — заслонкой и золотником совместно с гидравлическим двигателем

С этой целью в гильзе 4 золотника выполнено дополнительное окно О, в пределах которого может свободно перемещаться конический насадок струйной трубки, а в плунжере золотника сделаны внутренние каналы, связывающие полости с приемными соплами 2, расположенными в теле левого крайнего буртика плунжера. Отклонение струйной трубки от нейтрального положения, например направо вызывает повышение давления рабочей жидкости в правом приемном сопле и полости А и понижение давления в левом приемном сопле и полости Б. Разность сил давлений рабочей жидкости на торцы плунжера в полостях А и Б заставляет его перемещаться также направо. Плунжер перемещается до тех пор, пока перемычка между входными окнами приемных сопел вновь не окажется на оси выходного отверстия струйной трубки и давления в полостях А и Б не сравняются. Таким образом характерной чертой этого усилителя является опять-таки слежение плунжера за перемещением конца струйной трубки (ее конического насадка). При этом, если осевая гидродинамическая сила и силы

трения плунжера о гильзу не учитываются, то плунжер золотника перемещается на ту же величину, что и конец струйной трубки. В реальных условиях работы точность слежения плунжера золотника за струйной трубкой составляет мм.

На перемещение струйной трубки затрачивается небольшая мощность, развиваемая управляющим элементом. Мощность потока рабочей жидкости, подаваемой в полости А или Б, оказывается несколько большей, чем мощность управляющего элемента, но вполне достаточной для перемещения плунжера с определенной скоростью. Она представляет собой выходную мощность первого гидравлического каскада усиления и определяется по формуле

где — перепад давлений рабочей жидкости в полостях А и Б;

— расход рабочей жидкости, поступающей в полость А, без учета утечек через зазоры между плунжером и гильзой:

где — площадь плунжера золотника;

у — скорость перемещения плунжера золотника.

Выходная мощность второго каскада усиления имеет большую величину и равна

где — перепад давлений на выходе усилителя с золотником, — расход рабочей жидкости, поступающей к гидравлическому двигателю.

Двухкаскадные гидравлические усилители, применяющиеся в гидравлических приводах для систем автоматического регулирования, могут иметь первый каскад усиления, выполненный по дифференциальной (мостовой) схеме, в которой, дроссели включены параллельно. Рассмотрим один из таких гидравлических усилителей.

Широкое распространение получил двухкаскадный гидравлический усилитель, принципиальная схема которого совместно с гидравлическим двигателем показана на рис. VIII.26. Первый каскад усиления содержит два сопла 2 и 3 с заслонкой 5 и два дросселя 1 и 4 с постоянными проходными сечениями, включенные в дифференциальную схему. Заслонка 5 поворачивается на угол управляющим элементом. Первый каскад усиления питается рабочей жидкостью с небольшими давлением и расходом.

Второй каскад усиления выполнен в виде усилителя с золотником, плунжер 6 которого расположен в гильзе 10 и находится под воздействием пружин 7 и 9, помещенных в междроссельные камеры А и Б справа и слева от плунжера. Междроссельные камеры А к Б являются частями внутренней полости гильзы 10. Второй каскад усиления питается рабочей жидкостью под большим давлением и способен пропустить большой расход.

При нейтральном положении гидравлического усилителя заслонка 5 расположена вертикально зазоры между ней и торцами сопел одинаковы, а давления в междроссельных камерах равны друг другу. В этот момент плунжер 6 золотника под действием равных начальных усилйй пружин 7 и 9 также находится на нейтрали, перекрывая своими буртиками окна в гильзе 10.

Поворот заслонки 5 на некоторый угол влечет за собой изменение давлений рабочей жидкости в камерах А и Б. В одной камере давление увеличивается, а в другой уменьшается. Под действием неуравновешенных сил давления рабочей жидкости на торцы плунжера 6 в камерах А и Б плунжер начинает перемещаться, открывая окна в гильзе 10. В этот момент рабочая жидкость от источника питания второго каскада устремляется к гидравлическому двигателю 8 и он приходит в движение. Перемещение плунжера 6 прекращается тогда, когда силы давления рабочей жидкости на его торцы уравновесятся усилием пружин 7 и 9. Выравнивание давлений в междроссельных камерах А и Б при установке заслонки 5 в нейтральное положение возвращает плунжер 6 также в нейтральное положение и доступ рабочей жидкости к гидравлическому двигателю прекращается.

Мощность, затрачиваемая на управление первым каскадом усилителя очень мала, а имеющаяся на выходе второго каскада усиления значительна. Одновременно с этим данный двухкаскадный гидравлический усилитель обладает высокой чувствительностью к входному управляющему сигналу.

Рассмотренный двухкаскадный гидравлический усилитель не является следящим. В нем осуществляется лишь перемещение плунжера золотника пропорционально входной координате гидроусилителя, т. е. углу поворота заслонки. Внутренней отрицательной обратной связи гидравлический усилитель не имеет.

Общим недостатком всех рассмотренных выше двухкаскадных гидравлических усилителей является холостой перепуск рабочей жидкости (утечки ее) в первых каскадах усиления. Эти утечки накладывают ограничения на энергетические возможности гидравлических источников питания, имеющихся в системах управления. Однако подобный холостой перепуск, аналогичный перепуску рабочей жидкости в гидравлическом усилителе с золотником, имеющим отрицательное перекрытие, является одной из причин высокой чувствительности. В ряде случаев холостой перепуск рабочей жидкости путем соответствующего расчета гидравлического усилителя возможно уменьшить до минимума, определяемого техническими требованиями, предъявляемыми к гидравлическому усилителю. Кроме того, на работу некоторых из рассмотренных двухкаскадных гидравлических усилителей оказывает влияние изменение вязкости рабочей жидкости от температуры. Уменьшение этого влияния может быть достигнуто путем стабилизации температуры рабочей жидкости на некотором собственном значении или на наибольшем значении внешней температуры. Гидравлические усилители с включением

дросселей по дифференциальной (мостовой) схеме менее подвержены влиянию изменения вязкости рабочей жидкости вследствие колебаний ее температуры.

Применение двухкаскадных гидравлических усилителей позволяет повысить в системах управления выходную мощность гидравлических приводов, сохраняя при этом их высокую чувствительность и хорошие динамические качества.