ГЛАВА X. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С ОБЪЕМНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Гидравлические исполнительные устройства с объемным управлением состоят из насоса и гидродвигателя, один из которых или оба являются регулируемыми, т. е. обеспечивающими изменение объема жидкости, проходящей через машину за один оборот ее ротора. Такие исполнительные устройства или приводы называются системами гидромашинного регулирования.

Устройства с объемным управлением чаще всего используются с регулируемым насосом (регулятором мощности) и нерегулируемым гидродвигателем. При этом обеспечивается линейная зависимость угловой скорости выходного вала (или момента на валу) от управляющего сигнала, если приводной двигатель обладает необходимой мощностью. При увеличении компонент вектора входа следует учитывать влияние ограничителя момента — предохранительных клапанов.

Управление системами гидромашинного регулирования осуществляется устройствами, постоянные времени которых часто оказываются доминирующими в синтезируемой системе регулирования. Поэтому точный анализ динамических свойств системы требует оценки взаимовлияния гидравлического исполнительного устройства с объемным управлением, приводного двигателя устройства управления.

При работе на малых сигналах управления, соответствующих нижнему пределу диапазона регулирования, существенное влияние на динамику привода оказывают такие нелинейности, как контактное давление, падающая характеристика сухого трения, влияние системы компенсации утечек и нестационарности процессов деформации жидкости, дискретность подачи в гидромашинах и т. п. Динамические характеристики и в этом случае перестают быть линейными, причем расчет влияния подобного рода нелинейностей находится в настоящее время в процессе своего становления.

Гидравлические исполнительные устройства (приводы и сервомеханизмы) с дроссельным управлением широко используются в силовых системах автоматического управления малой и средней мощности. Они обладают значительным быстродействием, малой относительной массой на единицу выходной мощности, небольшими размерами высокой надежностью.

Гидравлический привод с дроссельным управлением состоит из устройства питания (насоса постоянного давления или постоянного расхода), распределителя мощности (обычно используется золотник или распределитель типа сопло-заслонка) и нерегулируемого исполнительного двигателя. В последнее время большое распространение получили насосы, подача которых регулируется по давлению. Это позволяет уменьшить потери жидкости и в значительной степени стабилизировать ее температуру, а следовательно, стабилизировать статические и динамические характеристики привода.

1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С ОБЪЕМНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Гидравлическое исполнительное устройство с объемным (или гидромашинным) управлением (рис. Х.1, а) состоит из реверсивного насоса 2 переменной производительности, гидромотора 4 постоянной производительности и соединительных магистралей 3 и 5 между насосом и гидромотором. Вместо гидромотора могут также применяться силовые или моментные гидроцилиндры.

В устройствах с большим диапазоном изменения момента, например в морских лебедках, а также в мобильных машинах, характеризующихся ограниченной мощностью приводного двигателя У, используется гидромотор переменной производительности (рис. Х.1, б).

В совмещенных системах управления, а также в двухканальных, иногда называемых нониусными, используются две гидромашины переменной производительности (рис. Х.1, в), раздельно управляемые и обслуживающие один гидравлический исполнительный двигатель (гидравлический дифференциал). Возможно также использование двух исполнительных устройств, соединенных через механический дифференциальный редуктор с объектом управления [I]. В таких системах первый канал управления отрабатывает с определенной ошибкой сигнал управления, а второй — предназначен для обеспечения высокой точности слежения [2], [3], [17].

Гидравлическая схема устройства с объемным управлением, кроме насоса 2 и гидромотора 6 с маховиком 7, включает ряд вспомогательных элементов. Для компенсации неизбежных утечек и деформации жидкости применяется вспомогательный насос постоянной производительности 9 (рис. Х.2), поддерживающий постоянное давление подпитки за счет непрерывного сброса избытка подачи через клапан 8 в сборный бак 10. Этот насос обычно монтируется в корпус основного регулируемого насоса, он приводится от того же приводного двигателя 1 и благодаря обратным клапанам 3 ограничивает падение давления в приемной магистрали основного насоса до значения Предохранительные клапаны 4 ограничивают давление, а следовательно, момент гидромотора.

Изменение производительности насоса осуществляется поворотом рычага 12. При повышении давления в любой из магистралей рабочая жидкость, проходя через обратные клапаны 5, перемещает поршни в гидроцилиндрах 11, сжимая пружины, ограничивает перемещение

управляющего рычага 12, регулирующего производительность насоса (например, поворотом люльки в аксиально-поршневом насосе). Это устройство называется ограничителем мощности.

Для установки насоса на нулевую производительность при запуске гидромотора используют нуль-установитель в виде подпружиненных гидроцилиндров 13. При выключении исполнительного устройства из-за падения давления подпитки пружины нуль-установителя устанавливают рычаг 12 в положение, соответствующее нулевой производительности. Гидроцилиндры ограничителя мощности 11 и нуль-установителя 13 могут быть выполнены в виде общего узла, размещенного по одну сторону от управляющего рычага 12.

Рис. Х.1. Принципиальные схемы гидравлических исполнительных механизмов с объемным регулированием: а — с регулируемым насосом; б — с регулируемым гидромотором; в — с двумя регулируемыми гидромашинами

Рис. Х.2. Гидравлическая схема устройства с объемным регулированием скорости

Управление производительностью насоса чаще всего осуществляется механизмом с дроссельным управлением [4], [5], постоянная времени которого может оказаться по величине больше постоянной времени гидромашинного исполнительного устройства рассматриваемого типа главным образом из-за того, что такой механизм управления имеет невысокое значение давления питания (обычно не выше

Конструктивная схема отечественных гидравлических исполнительных устройств с реверсивным насосом переменной производительности показана на рис. Х.З. Управление производительностью таких насосов осуществляется при помощи автоматических электрогидравлических механизмов управления, работающих по дроссельному принципу, их расчет подробно рассмотрен в работе [5]. Кроме того, предусмотрено переключение на ручное управление при помощи специального валика.

Работа гидромотора 12 обеспечивается насосом 1 переменной производительности через магистрали 17 и 18. Давление подпитки создается вспомогательным насосом 11 постоянной производительности. Этот насос, присоединенный к валу основного насоса, кроме компенсации утечек в насосе У, исполнительном гидродвигателе и магистралях, питает основные элементы гидромашинного устройства. Компенсация утечек происходит благодаря присоединению линии нагнетания

вспомогательного насоса через фильтр 14 и обратные клапаны 6 к той магистрали исполнительного устройства, в которой давление наименьшее, и поддерживает его на уровне Избыток расхода вспомогательного насоса непрерывно сбрасывается через переливной клапан 16. На случай засорения фильтра предусмотрен предохранительный клапан 15, который открывается при повышении давления до

Предохранительные клапаны главных магистралей (ограничители момента) в гидроприводах № 5—50 выполняют в корпусе гидромотора. При включении ручного управления кран 9 запирается, отключая механизм управления.

Рис. Х.3. Конструктивная схема исполнительных механизмов с объемным управлением и насосами переменной производительности ИД № 5—50

При открытом кране 9 управление осуществляется золотником 4, к которому поступает рабочая жидкость от вспомогательного насоса 11 через клапанную коробку, перемещающая поршни силовых цилиндров 3, которые поворачивают люльку 2 и 10 с блоком цилиндров основного насоса, меняя тем самым производительность. При аварии, например при останове приводного двигателя, а также при падении давления в системе подпитки, клапан 5 перебрасывает золотник 8 в крайнее правое положение и силовые цилиндры 13 под действием пружин 7 ставят люльку в нейтральное положение, разгружая приводной двигатель. На рис. рабочие магистрали и магистрали механизмов управления заштрихованы по-разному (первые — точками, вторые — штрихами).

Кинематическая схема насоса ПД (№ 0,5-2,5) показана на рис. Х.4. Приводной вал 11 основного аксиально-поршневого насоса через поршневую группу вращает блок цилиндров 20. Вспомогательный насос 6 приводится двумя цилиндрическими шестернями 5 и 13. Шестерня 5 одновременно приводит через конический редуктор (конические

шестерни 4 и 3) эксцентрик 1, создающий между золотником 8 и втулкой 9 осциллирующее движение с регулируемой амплитудой за счет изменения эксцентриситета эксцентрика 1. Валик вибратора на конце снабжен шейкой с резьбой, ось которой эксцентрична оси валика. На шейку валика навернута гайка 2, несущая эксцентрик в виде цилиндрического пальца. Ось этого пальца, в свою очередь, эксцентрична относительно оси гайки, причем величины обоих эксцентриситетов одинаковы. Поэтому при повороте гайки относительно эксцентрика вибратора их эксцентрисистеты алгебраически складываются, изменяясь в сумме от нуля до максимального значения.

Рис. Х.4. Кинематическая схема насосов ПД

Это позволяет изменять амплитуду осциллирующего движения, передаваемого через рычаг 7 на втулку 9 золотника гидроусилителя с постоянной частотой. Такое движение уменьшает силы трения на золотнике гидравлического механизма управления, повышая тем самым точность его работы.

Управление люлькой 19 основного насоса с целью изменения его производительности осуществляется поворотом рычага 12, связанного с рычагом 14, который с помощью тяги 10 перемещает золотник гидроусилителя. Рычаг 14, соединенный одним концом через тягу 10 с золотником гидроусилителя, другим через тягу 15 с люлькой насоса, образует вместе с рычагом валика управления 12 механический рычажный дифференциал. Поэтому перемещение золотника гидроусилителя всегда будет равно алгебраической сумме перемещений (углов поворота) валика управления и люльки, а так как расстояние точки крепления тяги 15 на люльке от ее оси поворота равно расстоянию между осями крепления на рычаге 14 тяг 10 и 15 и при среднем положении рычага 14 ось валика управления совпадает с осью крепления тяги 10 на рычаге 14, то угол поворота люльки (при неподвижном золотнике) точно соответствует углу поворота валика управления 12,

Таким образом, при повороте валика управления перемещается золотник гидроусилителя, открывая доступ рабочей жидкости в соответствующий гидроцилиндр. Люлька, поворачиваясь, через рычажный дифференциал перемещает золотник к нулевому положению до тех пор, пока угол поворота люльки не будет равен углу поворота валика управления. Этот процесс слежения люльки за валиком управления благодаря малой постоянной времени гидроусилителя происходит непрерывно с очень малой ошибкой, расчет которой приведен в работе [5].

При ручном управлении отклонение люльки осуществляется при помощи силового вала 16 через шестерню 17 и зубчатый сектор 18. Передаточное отношение зубчатой передачи (при повороте управляющего валика на 120° люлька поворачивается на 30°).

Гидроусилитель управляет силовыми цилиндрами 23, укрепленными на неподвижном стальном корпусе 22. Поршни цилиндров через шарнирно-закрепленные штоки 21 соединяются с люлькой 19 основного насоса. Уплотнение в местах стыка корпуса с литыми крышками обеспечивают с помощью колец из маслостойкой резины, а места выхода силового вала, вала ручного управления и валика дистанционного управления уплотняют манжетами.