8. УНИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ

Электрогидравлический привод является одним из наиболее эффективных технических средств автоматизации. Он незаменим там, где требуется широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости с большими ускорениями, высокая чувствительность, быстродействие, большая выходная мощность, способность воспринимать значительные динамические нагрузки. Расширение областей применения электрогидравлических приводов, в особенности для систем автоматического регулирования и управления, приводит к увеличению номенклатуры как самих приводов, так и их элементов. Это нежелательно для серийного производства. Одним из способов уменьшения номенклатуры элементов является их унификация (например, создание унифицированных электрогидравлических усилителей). Разработка и создание ряда таких усилителей включает в себя выбор схемы, определение числа типоразмеров, выбор конструктивных параметров каждого типоразмера и достижение при этом высоких динамических показателей.

Среди современных электрогидравлических усилителей двухкаскадный усилитель с соплом — заслонкой и золотником (рис. VIII. 38) получил широкое распространение благодаря высокой чувствительности, быстродействию, сравнительной простоте конструкции, значительному ресурсу работы в широком диапазоне давлений и температур. В силу этого данный тип усилителя был положен в основу разработки унифицированных электрогидравлических усилителей.

Первый гидравлический каскад усиления (рис. VIII. 38) представляет собой гидравлический мост, включающий постоянные 6 и переменные дроссели. Переменные дроссели образованы соплами

2 и заслонкой 3. Второй гидравлический каскад усиления выполнен в виде золотникового усилителя, плунжер 4 которого расположен в гильзе и находится под воздействием пружин 5, помещенных в междроссельные камеры А и Б. При смещении заслонки 3 с

нейтрального положения нарушается баланс гидравлического моста, изменяются давления рабочей жидкости в камерах А и Б и под действием неуравновешенных сил давлений рабочей жидкости на торцы плунжера 4 последний начинает перемещаться, открывая окна в гильзе. Рабочая жидкость проходит через открывшееся окно к гидравлическому двигателю и приводит его в движение. В различных по назначению приводах на выходе электрогидравлических усилителей необходимо иметь максимальные расходы рабочей жидкости, лежащие в широком диапазоне, например от 2 до при рабочих давлениях от 60 до 280 кг/см2. Очевидно, обеспечить необходимые мощности приводов в таком широком диапазоне расходов и давлений при помощи только одного типоразмера электрогидравлического усилителя не представляется возможным. Поэтому первый типоразмер электрогидравлических усилителей предназначался для получения небольших эксплуатационных расходов. В этом случае размеры усилителя определяются в основном не гидравлическими параметрами, а технологическими возможностями. Так, например, для расходов порядка при давлении достаточно иметь диаметр плунжера золотника 2 мм, но при таком диаметре плунжер золотника становится нежестким и при изготовлении гильзы весьма сложно получить требуемую геометрию. Кроме того, для осуществления гидравлических соединений между элементами гидравлического усилителя необходим определенный геометрический объем. Поэтому в основу первого типоразмера гидравлических усилителей были положены технологические возможности. После определения габаритных размеров первого типоразмера, исходя из анализа существующих технологических возможностей, был произведен повторный гидравлический расчет и получены результаты, показывающие, что при принятых габаритных размерах можно получить эксплуатационный расход до

Рис. VIII.38. Принципиальная схема электрогидравлического усилителя с соплом — заслонкой и золотником: 1 — электрический преобразующий элемент; 2 — сопло; 3 — заслонка; 4 — плунжер золотника; 5 — синхронизирующие пружины; 6 — дроссель; А, Б — междроссельные камеры

Для определения габаритных размеров следующего типоразмера оказалось целесообразным ввести коэффициент увеличения, показывающий отношение габаритных размеров второго типоразмера электрогидравлических усилителей к первому. Если принять этот коэффициент равным 1,5, то второй типоразмер электрогидравлических усилителей позволяет получить максимальный эксплуатационный расход

Таким образом, для достижения наиболее распространенных максимальных расходов необходимы лишь два типоразмера электрогидравлических усилителей: первый типоразмер на поддиапазон расходов до и второй типоразмер на поддиапазон расходов до

Устойчивость унифицированного электрогидравлического усилителя. Унифицированные электрогидравлические усилители могут быть применены в различных по назначению системах регулирования и управления. Для одних систем требуются быстродействующие усилители, для других такое требование может и не предъявляться. Поэтому в качестве одного из условий разработки унифицированных электрогидравлических усилителей было принято требование о получении максимального быстродействия. В связи с этим выбор конструктивных параметров унифицированных быстродействующих электрогидравлических усилителей состоял в определении диаметра сопла, зазора между соплом и заслонкой, проводимости дросселей и утечек рабочей жидкости, обеспечивающих заданное быстродействие, и в сохранении полученного быстродействия при изменении выходной мощности усилителя.

Известно, что одним из важнейших параметров, определяющих быстродействие электрогидравлического усилителя и конструктивные параметры его элементов при различных выходных мощностях, являются утечки рабочей жидкости через сопла. Утечки, связанные с получением желаемой постоянной времени усилителя [2]

можно определить по уравнению

где — желаемая постоянная времени электрогидравлического усилителя;

— суммарная жесткость синхронизирующих пружин и осевой гидродинамической силы;

— коэффициент вязкого трения плунжера о гильзу;

— коэффициенты обобщенной статической характеристики первого каскада усиления;

— площадь торца плунжера золотника;

— утечки через сопла;

— начальный зазор между соплом и заслонкой; — расстояние от оси поворота заслонки до оси сопел.

Для получения высокого быстродействия с целью более широкого применения унифицированных электрогидравлических усилителей, постоянная времени должна быть минимальной, но обеспечивающей с достаточным запасом устойчивость работы электрогидравлического усилителя. Из рассмотрения уравнений, описывающих

электрогидравлический усилитель как линейный элемент [1], при пренебрежении сжимаемостью рабочей жидкости, осевой гидродинамической силой, массой и скоростным трением плунжера золотника, можно получить передаточную функцию усилителя

где — постоянные величины, зависящие от конструктивных параметров электрогидравлического усилителя и коэффициентов его обобщенной характеристики.

При этом условие устойчивости, выраженное через параметры конструкции, может быть записано в виде

где — коэффициенты обобщенной характеристики электрического преобразующего элемента; с — жесткость синхронизирующих пружин;

— момент инерции подвижных частей преобразующего элемента;

— коэффициент вязкого трения заслонки;

— площадь отверстия сопла.

Рис. VIII.39. Переходный процесс в унифицированном электрогидравлическом усилителе при скачкообразном изменении входного сигнала

Исследование созданных унифицированных электрогидравлических усилителей показывает, что неравенство (VIII. 181) всегда выполняется, т. е. устойчивость реальных электрогидравлических усилителей, рассматриваемая в пределах линейной теории, не вызывает сомнений. Проведенное моделирование унифицированных электрогидравлических усилителей на аналоговых вычислительных машинах показывает, что в диапазоне частот до 25 Гц электрогидравлические усилители можно рассматривать с достаточной степенью точности, приемлемой для инженерной оценки быстродействия усилителя, как апериодические звенья. Действительные переходные процессы унифицированных электрогидравлических усилителей при ступенчатом изменении входной координаты носят немонотонный апериодический характер. Вид такого переходного процесса для одного из исследованных усилителей представлен на рис. VIII. 39. Апериодический характер переходного процесса обусловливается гидравлическими каскадами усиления, высокочастотные колебания переходного процесса обусловлены колебательным

процессом в электромагнитном управляющем элементе. Встречающаяся в практике неустойчивость работы связана с несовершенством изготовления отдельных элементов, вызывающим неустойчивость первого каскада и колебательность на выходе.

Утечки рабочей жидкости через сопла и проводимость дросселей. Учитывая вывод об устойчивости реального электрогидравлического усилителя, необходимую величину утечек через сопла гидравлического усилителя определяют как среднюю величину, обеспечивающую заданное и технически реализуемое в системах управления быстродействие и являющуюся допустимой по энергетическим возможностям источника питания. В уравнении (VIII. 179), определяющем для каждого типоразмера, неизвестным является величина зазора 60 между соплом и заслонкой, т. е. параметр, определяющий динамику гидравлического усилителя и утечку. Заданную постоянную времени гидравлического усилителя можно получить при малой утечке уменьшением зазора между соплом и заслонкой, но уменьшение зазора ниже допустимого может привести к засорению зазора и выходу из строя гидравлического усилителя. Поэтому при выборе величины зазора учитывается реальная чистота жидкости, обеспечиваемая распространенными способами фильтрации, т. е.

где — наибольший размер частиц, пропускаемых фильтром, установленным перед соплом;

— коэффициент запаса фильтрации.

Подставляя выражение (VIII. 183) в уравнение (VIII. 179), определим наименьшую величину утечек для каждого типоразмера гидравлического усилителя.

Так как каждый типоразмер унифицированных электрогидравлических усилителей характеризуется не только диапазоном расхода рабочей жидкости на выходе, но и высоким быстродействием при различных выходных мощностях, то после определения параметров, обеспечивающих заданное быстродействие гидравлического усилителя для конкретной выходной мощности, возникает задача сохранить полученное быстродействие при работе гидравлического усилителя на различных входных давлениях и при различных эксплуатационных расходах. При таких расходах и постоянном давлении рабочей жидкости это можно осуществить изменением только ширины дросселирующей площади проходного сечения золотникового усилителя, оставив максимальный ход его плунжера и все его остальные конструктивные параметры неизменными. Несколько сложнее сохранить высокое быстродействие гидравлических усилителей при работе на различных входных давлениях. Анализ динамики унифицированных электрогидравлических усилителей с использованием моделирования показал, что высокое быстродействие гидравлических усилителей при различных входных давлениях рабочей жидкости можно сохранить изменением проводимости дросселей гидравлических

усилителей. Основой для выбора проводимости дросселей является условие сохранения заданных значений коэффициентов переходе от одного рабочего давления к другому. С целью унификации весь диапазон применяемых давлений разбит на четыре участка: . В связи с этим каждый типоразмер унифицированных гидравлических усилителей имеет четыре пары постоянных дросселей для фиксированных значений давлений.

Конструкция и характеристики унифицированного электрогидравлического усилителя. Для простоты применения, ремонта, настройки, замены элементов, достижения большого ресурса работы в различных условиях эксплуатации, также возможности работы в диапазоне температур до 150— 200° С особое внимание было уделено конструкции унифицированных электрогидравлических усилителей. Электрогидравлический усилитель выполнен конструктивно в виде единого блока, показанного на рис. VIII. 40. В рабочей жидкости часто присутствуют магнитные частицы, которые в процессе длительной эксплуатации могут попасть в рабочие и паразитные зазоры электромагнитного преобразующего элемента. Для широкого применения унифицированных электрогидравлических усилителей в разнообразных системах регулирования и управления и их длительной надежной работы в усилителях использован электромагнитный преобразующий элемент так называемого «сухого» типа, т. е. не подверженный воздействию рабочей жидкости. По этой же причине внешние уплотнения 3 выполнены двойными (рис. VIII. 41).

Рис. VIII.40. Внешний вид унифицированного электрогидравлического усилителя первого типоразмера

На рис. VIII. 42 изображен электромагнитный преобразующий элемент. Преобразующий элемент состоит из корпуса в котором установлены сопла 2 и трубчатая пружина узла подвижной системы

4. К корпусу болтами И крепится пакет, состоящий из полюсных наконечников 6 и четырех постоянных магнитов. Между полюсными наконечниками располагаются катушки 3. Узел подвижной системы (рис. VIII. 43, а) состоит из якоря 1, заслонки 2 и трубчатой пружины 3.

Магнитные потоки, создаваемые четырьмя постоянными магнитами, проходят по полюсным пластинам, полюсным наконечникам

(кликните для просмотра скана)

и якорю. При равенстве сил, действующих на якорь, последний находится в равновесном нейтральном положении, а изгибающий момент трубчатой пружины равен нулю. При подаче в катушки входного сигнала той или иной полярности управляющий магнитный поток нарушает равенство сил, приложенных к каждому концу якоря со стороны верхнего и нижнего зазоров. Неуравновешенные силы, действующие на левый и правый концы якоря, направлены противоположно и подвижная система за счет изгиба трубчатой пружины от пары сил, приложенных к концам якоря, начинает поворачиваться. Новое равновесное положение определяется равенством моментов пары электромагнитных сил и противодействующей упругой, силы трубчатой пружины. При этом поворачивается и жестко связанная с якорем заслонка, прикрывая одно и открывая другое сопло.

В процессе эксплуатации многократные изменения температур в широком диапазоне, действие сливного давления на торцы сопел могут вызвать нежелательные перемещения сопел относительно корпуса электромагнитного преобразующего элемента, приводящие к изменению настройки усилителя, дрейфу нуля и изменению коэффициентов усиления. Для ликвидации этого явления сопла фиксируются относительно корпуса пружинными гайками.

Изменение коэффициентов усиления и дрейф нуля при изменении температуры рабочей жидкости могут быть вызваны также изменением вязкости рабочей жидкости. Действительно, потери давления в рабочем канале сопла пропорциональны вязкости рабочей жидкости. Чем больше потери давления в сопле, тем больше влияние этих потерь на настройку гидравлического моста усилителя. С целью стабилизации параметров настройки в унифицированном электрогидравлическом усилителе сопла выполнены с малой длиной рабочего канала.

Как отмечалось выше, начальный зазор 60 между соплом и заслонкой оказывает влияние на постоянную времени электрогидравлического усилителя. Кроме того, величина зазора должна быть равна Чтобы обеспечить минимально возможный зазор установлен фильтр, пропускающий частицы наименьшего размера. Для этого в ветвях гидравлического моста установлены дополнительные фильтры 2 (см. рис. VIII.41). Питание гидравлического моста осуществляется через так называемый самоочищающийся фильтр, который установлен так, что поток рабочей жидкости проходит через фильтр в радиальном направлении, а поток жидкости к золотнику 8 — в осевом направлении, смывая с фильтра загрязняющие частицы. Сами фильтры «щелевого типа» (рис. VI 11.43, б) состоят из пакета цилиндров с отверстиями. Отверстия в соседних цилиндрах смещены друг относительно друга. Частицы примесей отфильтровываются в зазоре между цилиндрами.

Для уменьшения дрейфа нуля, улучшения симметричности статической скоростной характеристики необходимо иметь равенство

расходов в ветвях гидравлического моста. Без регулировки расходов осуществить это весьма затруднительно. Для облегчения условий изменения расходов рабочей жидкости постоянные дроссели являются регулируемыми. Регулируемые дроссели (рис. VIII. 43,в) выполнены в виде плунжеров с буртами 2, разделенными проточками. Каждый бурт имеет дросселирующее окно 3 прямоугольного сечения, смещенное по отношению к окну соседнего бурта. Вращением винта 4 для настройки гидравлического моста можно изменить количество буртов, введенных в поток рабочей жидкости, и тем самым — сопротивление дросселя.

Конструкция унифицированного электрогидравлического усилителя позволяет быстро и удобно снимать и монтировать его элементы, в частности, в связи с необходимостью замены дросселей при переходе от одного рабочего давления к другому. Для достижения этой цели все элементы, включая и золотник, доведены до готовых узлов.

Чувствительность электрогидравлического усилителя в значительной степени зависит от величины сил трения на плунжере золотника. С целью исключения перекоса и защемления плунжера синхронизирующие пружины 7 (рис. VIII.41) установлены на центрирующих упорах 6.

Конструкционные материалы и выбранные уплотнения обеспечивают работоспособность унифицированного электрогидравлического усилителя на всех распространенных в гидравлических системах жидкостях в интервале температур от —60 до Малые габариты (рис. VI 11.44) и удобный монтаж способствуют широкому применению унифицированных усилителей. Все конструктивные элементы в процессе применения унифицированных электрогидравлических усилителей прошли большую отработку и имеют повышенную надежность.

Вид расходной и нагрузочной характеристик этих усилителей показан на рис. VIII.45. Расходная характеристика описывается уравнением

где — эксплуатационный расход;

— коэффициент расхода золотникового усилителя;

— коэффициент усиления по давлению первого каскада усиления;

— управляющий сигнал;

— площадь торцов плунжера золотникового усилителя; с — суммарная жесткость синхронизирующих пружин;

— постоянное давление питания рабочей жидкостью;

— сливное давление рабочей жидкости;

— перепад давлений рабочей жидкости в гидравлическом двигателе, обусловленный внешней нагрузкой.

(кликните для просмотра скана)

Нелинейность расходной характеристики определяется как отношение максимального отклонения реальной расходной характеристики от ее линейной формы к максимальному расходу:

и не превышает 10%. Нагрузочная характеристика, т. е. зависимость эксплуатационного расхода от величины внешней нагрузки, для унифицированных электрогидравлических усилителей имеет вид квадратичной зависимости.

В табл. VIII. 2 приведены основные технические характеристики унифицированных электрогидравлических усилителей. Для различных по назначению систем регулирования и управления существуют два унифицированных электрогидравлических усилителя, имеющих эксплуатационные расходы от 2 до при давлении рабочей жидкости и способных работать при давлениях рабочей жидкости 60; 90; 150; 210 и 280 кг/см2.

Таблица VIII.2 (см. скан) Технические характеристики электрогидравлических усилителей

Расчет, испытания и применение усилителей показали, что метод, положенный в основу создания ряда унифицированных электрогидравлических усилителей, обеспечивает хорошие статические характеристики и достаточно высокое быстродействие усилителей. Внедрение унификации дает значительный экономический эффект при конструировании гидравлических приводов, сокращает номенклатуру деталей в серийном производстве, уменьшает объем технологической документации и оснастки, повышает надежность агрегатов.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)