4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ

Гидравлические усилители служат для усиления сигналов по мощности в гидравлических и электрогидравлических системах автоматического регулирования.

Все гидравлические усилители можно разделить на два класса: дроссельные и струйные.

Рис. V.10. Дроссельные усилители: а — с золотником; б — с соплом-эаслонкой; в — характеристика усилителя типа сопло-заслонка

Дроссельные усилители. Усилители этого класса обладают большой выходной мощностью и высоким быстродействием. В системах автоматического регулирования применяют дроссельные усилители одностороннего и двустороннего действия; последние, как правило, характеризуются более высоким быстродействием. Для повышения выходной мощности применяют двухкаскадное включение дроссельных усилителей.

Рассмотрим две схемы дроссельных усилителей (рис. V.10, а, б), где на выходе давления рабочей жидкости изменяются в зависимости от перемещения у дросселя 1 (рис. V.10, а) или заслонки 2 (рис. V.10, б). Расход рабочей жидкости через дроссель или сопло, дросселируемое управляемой заслонкой 2, определяется зависимостью

где коэффициент расхода жидкости; проходное сечение дросселя или сопла; — ускорение свободного падения; у — плотность жидкости; — давление в полости между дросселями; — давление за дросселем или соплом.

Расход рабочей жидкости через входное сечение трубопровода определяется по формуле

где — давление жидкости на входе в трубопровод; — коэффициент расхода.

В установившемся состоянии При этом условии из уравнений (VI.42), (VI.43) (при истечении рабочей жидкости в атмосферу) можно определить

Будем считать, что

тогда из уравнений (V.44) и (V.45) найдем

Таким образом, получим зависимость

или

На рис. V.10, в построена зависимость (V.48) при двух значениях

Рис. V.11 Дроссельный усилитель с переменным сечением:

а - схема дросселя; б - конструкция конического сопла

Рассмотрим схему гидравлического двухкаскадного усилителя типа сопло-заслонка, схема которого изображена на рис. V-11.

Усилитель состоит из двух дросселей: дросселя 1 с постоянным гидравлическим сопротивлением и дросселя 2 с переменным гидравлическим сопротивлением, изменяющимся при смещении заслонки 3 относительно сопла дросселя 2.

Рабочая жидкость под постоянным давлением подается насосом в усилитель через дроссель 1 и дроссель 2 на слив. В зависимости от положения заслонки 3 между дросселями устанавливается давление которое распространяется под поршень 6 сервомотора. Поршень будет перемещаться до тех пор, пока не установится равновесие между силой упругости пружины 5, расположенной в цилиндре 4 сервомотора, и силой давления рабочей среды на поршень. Здесь имеет место аналогия с проточным золотником. Сохраняя принятые выше обозначения, можно вывести следующую формулу для давления под поршнем:

где — отношение площадей проходных сечений у переменного и постоянного дросселей.

Таким образом, давление под поршнем в пределах зоны регулирования изменяется от до Нижний предел давления определяют по формуле

где — сила упругости пружины при верхнем положении поршня, т. е. — сила давления рабочей жидкости на поршень.

Из условия неразрывности струи рабочей жидкости, если пренебречь массой поршня, найдем, что

На рис. V.11, б показано коническое сопло, которое при увеличении зазора между соплом и заслонкой от 0 до 0,2 мм уменьшает избыточное давление перед дросселем от до нуля.

Теоретическую максимальную выходную мощность дроссельного усилителя легко можно определить при условии

где ушах — тангенциальная составляющая скорости перемещения поршня; — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент усиления по мощности дроссельного усилителя достигает величины порядка .

Конструктивное выполнение дроссельных усилителей весьма разнообразное. Дроссели могут иметь форму задвижек или заслонок (поступательных, поворотных), сопл с заслонками, дроссельных игл и др., а также могут иметь два каскада усиления.

Одна из схем двухкаскадного дроссельного усилителя типа сопло — заслонка показана на рис. V.12.

Рис. V.12. Схема гидравлического двухкаскадного усилителя типа сопло-заслонка; 1 — сопло первого каскада усиления; 2 — заслонка первого каскада усиления; 3 — снльфон; 4 — сопло второго каскада; 5 — заслонка второго каскада

Рис. V.13. Цилиндрический золотник: а — схема золотника; б — характеристика золотника

Существуют дроссельные гидравлические усилители с золотниковыми устройствами. Схема подобного рода гидравлического усилителя показана на рис. V.13, а. Характеристика изменения массового расхода жидкости в зависимости от осевого расстояния между рабочими кромками плунжера и золотника показана на рис. V.13, б. Вследствие сложности учета реальных физических процессов, происходящих в жидкости при ее протекании через узкие окна золотника, при расчетах пользуются упрощенными аналитическими выражениями, коэффициенты которых выбирают по экспериментальным данным. На основе этих усилителей создают гидравлические серводвигатели (см. гл. VII).

Струйные гидравлические усилители. Основным элементом гидравлического усилителя данного типа (рис. V.14, а) является струйная трубка, состоящая из поворотной трубки 3, приемника 4 с двумя соплами, элемента 2, на который воздействует чувствительный элемент. Струйные трубки обычно снабжаются противовесом 1, который предназначен для компенсации влияния массы трубки на ее отклонение под действием чувствительного элемента. Масло под давлением поступает в трубку 3 через маслопровод 5.

Сопло струйной трубки может быть выполнено либо по эскизу 1, либо по эскизу II, приведенным на рис. V. 14, б.

В первом случае кромки каналов приемного сопла сходятся вместе; во втором случае расстояние между этими кромками составляет величину, равную размеру с струйной трубки.

Для сопла, выполненного по эскизу 1, по мере смещения струйной трубки влево давление в правом канале сопла будет падать, а в левом возрастать.

При смене направления смещения изменение давления в каналах приемного сопла будет происходить в обратном порядке. Для сопла, выполненного по эскизу II, при отклонении влево струйной трубки давление в левом канале возрастает с увеличением отклонения,

Рис. V.14. Струйная трубка с приемным соплом: а — общий вид струйной трубки; б - схемы приемных сопл

Рис. V.15. Схема корректорного устройства струйной трубки

а в правом канале остается постоянным и равным давлению в камере струйной трубки. При отклонении вправо роли каналов меняются. В большинстве случаев предпочитают выполнять переменное сопло по эскизу, так как эта схема не имеет зоны нечувствительности. Изготовление приемного сопла по II схеме значительно сложнее.

Рабочей жидкостью обычно служит чистое масло, подаваемое насосом под давлением Па. Расход масла через струйную трубку при ее нормальных размерах составляет Максимальное отклонение конца струйной трубки обычно составляет 1—2 мм.

На струйную трубку действуют усилия от чувствительного элемента и от противодействующей пружины. Для изменения соотношения между этими усилиями, т. е. для обеспечения возможности настройки, в ряде случаев усилия на трубку подают не непосредственно, а через так называемое корректорное устройство. Последнее схематично показано на рис. . Как видно из рисунка, корректорное устройство состоит из промежуточных подвесок 2 и 7, вращающихся около опор 3 и 6, и корректорных роликов 1 и 8, положение которых по длине трубки может быть в некоторых пределах изменено за счет смещения опор Усилия и от чувствительного элемента и пружины, приложенные к подвескам 2 и 7, образуют усилия которые непосредственно передаются трубке.

Точный теоретический расчет струйных трубок сложен. Для упрощения расчета сделаем следующие допущения:

1) расход рабочей жидкости через струйную трубку имеет постоянное значение, не зависящее от положения трубки;

2) расход распределяется между правым и левым каналами сопла без потерь, т. е.

где — количество жидкости, попадающее в правый и левый каналы соответственно;

3) весь скоростной напор жидкости в канале сопла превращается в давление без потерь;

4) толщиной стенок трубки можно пренебречь;

5) количество жидкости, попадающее из трубки в каждый из каналов, определяется по закону пропорциональности:

где — отклонение конца трубки от среднего положения, причем — размер выходного отверстия трубки в плоскости отклонения.

В формуле (V.53) знак плюс соответствует отклонению в одну сторону, а знак минус в другую.

Обозначим отношение причем тогда

Пусть входное сечение сопла будет Рассмотрим отклонение струйной трубки. Входная скорость рабочей жидкости в одном канале

в другом канале

Считая, что скоростной напор струи полностью превращается в давление, найдем, согласно известному в гидравлике уравнению Бернулли, что давление в первом канале

тогда во втором канале

где — давление в камере струйной трубки; — плотность рабочей жидкости.

Разность давлений в каналах сопла

Наибольшая разность получается при т. е.

Таким образом, в идеальных условиях разность давлений в каналах сопла линейно зависит от смещения струйной трубки. В реальных условиях эта зависимость точно не соблюдается. На рис. V.16 приведена кривая зависимости от относительного смещения для некоторого типа струйной трубки, а на рис. V.17 — кривая отношения разности расходов в каналах сопла к общему расходу жидкости через трубку в зависимости от линейного смещения струйной трубки. Наибольшая разность давлений в реальных условиях на 8—15% меньше теоретических значений вследствие потерь давления.

Рис. V.16. Зависимость разности давлений в каналах приемного сопла от относительного смещения струйной трубки

Рис. V.17. Зависимость разности расходов жидкости в каналах сопла от линейного смещения струйной трубки

Рис. V.18. Схема двухкаскадного гидравлического усилителя с отслеживающим золотником

Теоретическая максимальная выходная мощность струйных усилителей определяется выражением

С помощью струйных трубок можно получить коэффициент усиления в гидравлических усилителях по мощности до 103. В гидравлических устройствах управления применяют и двухкаскадные струйные усилители с отслеживающим золотником. Схема такого усилителя изображена на рис. V. 18. Из рисунка видно, что усилитель состоит из двух устройств — струйной трубки 2 и отсечного золотника 4. Сигнал от чувствительного элемента через рычаг 1 действует на струйную трубку 2, приемное сопло 3 которой выполнено в форме вспомогательного поршня. При отклонении струйной трубки происходит также сдвиг поршня 3 и связанного с ним золотника 4.

Двухкаскадные усилители мощности со струйными трубками имеют коэффициент усиления по мощности до 104.