электрогидравлический привод

Формула изобретения

Электрогидравлический привод, содержащий источник питания постоянного давления, дифференциальный гидроцилиндр и электрогидравлический усилитель мощности, обмотка управления электромеханического преобразователя которого подключена к выходу электронного блока управления, один из входов которого соединен с выходом задатчика управляющего сигнала, отличающийся тем, что каждая из рабочих полостей дифференциального гидроцилиндра соединена с источником питания постоянного давления и сливом через индивидуальный электрогидравлический усилитель мощности, обмотки управления электромеханических преобразователей которых подключены к разным выходам электронного блока управления, причем отношение электрических сигналов на упомянутых выходах электронного блока управления равно отношению эффективных площадей поршня дифференциального гидроцилиндра со стороны его соответствующих рабочих полостей, возведенному в степень с показателем R, определяемым для обоих возможных направлений движения выходного звена гидроцилиндра из системы неравенств



где A_н.п и A_с.п эффективные площади поршня дифференциального гидроцилиндра соответственно со стороны его напорной и сливной полостей;

f_н.п и f_c.п коэффициенты пропорциональности переменных составляющих силы трения в подвижных парах гидроцилиндра значениям давления рабочей жидкости соответственно в напорной и сливной полостях гидроцилиндра;

постоянная составляющая силы трения в подвижных парах гидроцилиндра;

P_сл давление слива;

P_п давление рабочей жидкости, создаваемое источником питания постоянного давления;

R_поп.max максимальное возможное значение попутной нагрузки на выходном звене гидроцилиндра;

P_доп.min и P_доп.max соответственно минимальное и максимальное допустимые значения давления в рабочих полостях гидроцилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области объемного гидропривода, а именно к электрогидравлическим приводам с дроссельным управлением и дифференциальными гидроцилиндрами, и может быть использовано, например, в системах нагружения испытательных стендов и в системах управления самолетов, подъемно-транспортных и других машин.

Известен электрогидравлический привод, содержащий источник питания постоянного давления, дифференциальный гидроцилиндр и электрогидравлический усилитель мощности, обмотка управления электромеханического преобразователя которого подключена к выходу электронного блока управления, один из входов которого соединен с выходом задатчика управляющего сигнала (1). В данном электрогидравлическом приводе одна из рабочих полостей дифференциального гидроцилиндра соединена с источником питания постоянного давления и сливом через электрогидравлический усилитель мощности, а другая рабочая полость гидроцилиндра непосредственно соединена со сливом, вследствие чего на выходном звене гидроцилиндра возможно создание усилий только одного знака (направления), что ограничивает область применения известного привода и является его техническим недостатком.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является принятый в качестве прототипа электрогидравлический привод, содержащий источник питания постоянного давления, дифференциальный гидроцилиндр и электрогидравлический усилитель мощности, обмотка управления электромеханического преобразователя которого подключена к выходу электронного блока управления, один из входов которого соединен с выходом задатчика управляющего сигнала (2).

Если потери давления на рабочем окне выходного каскада электрогидравлического усилителя мощности, сообщающем со сливом рабочую полость гидроцилиндра, со стороны которой эффективная площадь поршня имеет меньшее значение, в силу соответствующей величины попутной (совпадающей по направлению со скоростью движения выходного звена гидроцилиндра) нагрузки близки к значению давления питания электрогидравлического привода, то в другой рабочей полости гидроцилиндра, которая при этом сообщается с выходом источника питания, и, таким образом, является напорной, давление снижается до упругости насыщенного пара рабочей жидкости и начинается кавитация, что отрицательно сказывается на характеристиках работы привода в целом, т.е. является его техническим недостатком.

Параметры гидропривода с дроссельным управлением выбирают, в первую очередь, исходя из условия обеспечения требуемого закона движения объекта управления, или, говоря другими словами, из условия совместимости диаграммы нагрузки, представляющей собой связь потребных усилия на выходном звене гидродвигателя и скорости его движения, и механической характеристики гидропривода, представляющей собой зависимость скорости движения выходного звена гидродвигателя, которую может обеспечить привод, от нагружения на этом звене. Суть указанного условия состоит в том, что диаграмма нагрузки всеми своими точками должна располагаться внутри области скоростей и усилий на выходном звене гидродвигателя, обеспечиваемых согласно механической характеристике гидропривода, то есть при любом допустимом значении нагрузки должна обеспечиваться скорость движения выходного звена гидродвигателя, не меньшая той, что требуется по диаграмме нагрузки.

Для исключения кавитационных явлений при работе с попутной нагрузкой на выходном звене рассматриваемого электрогидравлического привода с дроссельным управлением и дифференциальным гидроцилиндром приходится завышать давление питания привода по сравнению со значением, необходимым при прочих равных условиях из условия обеспечения требуемого закона движения объекта управления.

Завышение величины давления питания известного электрогидравлического привода приводит к повышенным потерям энергии при его эксплуатации, что также является его техническим недостатком.

Технической задачей данного изобретения является создание электрогидравлического привода с дроссельным управлением и дифференциальным гидроцилиндром, обладающего пониженными потерями энергии и повышенными динамической жесткостью и частотой собственных колебаний и исключающего кавитационные явления в полостях гидроцилиндра при нагружении выходного звена последнего попутным усилием.

Сущность изобретения заключается в том, что в электрогидравлическом приводе, содержащем источник питания постоянного давления, дифференциальный гидроцилиндр и электрогидравлический усилитель мощности, обмотка управления электромеханического преобразователя которого подключена к выходу электронного блока управления, один из входов которого соединен с выходом задатчика управляющего сигнала, каждая из рабочих полостей дифференциального гидроцилиндра соединена с источником питания и сливом через индивидуальный электрогидравлический усилитель мощности, обмотки управления электромеханических преобразователей которых подключены к разным выходам электронного блока управления, причем отношение электрических сигналов на упомянутых выходах электронного блока управления равно отношению эффективных площадей поршня дифференциального гидроцилиндра со стороны его соответствующих рабочих полостей, возведенному в степень с показателем R, определяемым для обоих возможных направлений движения выходного звена гидроцилиндра из системы неравенств:



где A_нп, A_сп эффективные площади поршня дифференциального гидроцилиндра соответственно со стороны его напорной и сливной полостей;

f_нп, f_сп коэффициенты пропорциональности переменных составляющих силы трения в подвижных парах гидроцилиндра значениям давления рабочей жидкости соответственно в напорной и сливной полостях гидроцилиндра;

постоянная составляющая силы трения в подвижных парах гидроцилиндра;

P_сл давление слива;

Р_п давление рабочей жидкости, создаваемое источником питания постоянного давления;

R_{поп max} максимально возможное значение попутной нагрузки на выходном звене гидроцилиндра;

P_{доп min}P_{доп max} соответственно минимальное и максимальное допустимые значения давления в рабочих полостях гидроцилиндра.

Соединение каждой из рабочих полостей дифференциального гидроцилиндра с источником питания постоянного давления и сливом через индивидуальный электрогидравлический усилитель мощности, обмотки управления электромеханических преобразователей которых подключены к разным выходам электронного блока управления, и обеспечение равенства отношения электрических сигналов на упомянутых выходах электронного блока управления отношению эффективных площадей поршня дифференциального гидроцилиндра со стороны его соответствующих рабочих полостей в степени с показателем R, определяемым из приведенной выше системы неравенств, обеспечивают при принятом значении давления питания электрогидравлического привода и прочих условиях: исключение в процессе работы привода уменьшения давления в рабочих полостях дифференциального гидроцилиндра ниже допустимой величины P_{доп min} и, соответственно, исключение кавитационных явлений в полостях гидроцилиндра, исключение увеличения давления в полостях гидроцилиндра сверх допустимой величины P_{доп max}, а также одновременное изменение в противофазе давления в обеих рабочих полостях гидроцилиндра во всем рабочем диапазоне изменения нагрузок на его выходном звене. В силу последнего обстоятельства (по сравнению со случаем, когда уменьшение давления в полостях гидроцилиндра ограничивается определенным уровнем посредством системы подпитки) предлагаемый электрогидравлический привод обладает повышенными значениями динамической жесткости и частоты собственных колебаний.

На чертеже изображена структурная схема электрогидравлического привода.

Электрогидравлический привод, включает в себя дифференциальный гидроцилиндр 1, каждая из рабочих полостей 2 и 3 которого через индивидуальный электрогидравлический усилитель мощности соединена с источником питания постоянного давления 4 и сливом, а именно: полость 2 через усилитель 5, а полость 3 через усилитель 6.

Электрогидравлические усилители мощности 5 и 6 выполнены идентичными и имеют конструкцию, обеспечивающую пропорциональность площади (в соответственно и проводимости) рабочих окон, открываемых дросселирующим золотником выходного каскада усиления, величине управляющего электрического сигнала на обмотке управления электромеханического преобразователя усилителя (на чертеже дросселирующие золотники и электромеханические преобразователи электрогидравлических усилителей мощности 5 и 6 не показаны). Это могут быть усилители мощности с подпружиненным относительно корпуса дросселирующим золотником или с неподпружиненным золотником и механической силовой, гидромеханической, либо электрической обратной отрицательной связью по положению золотника.

Обмотки управления электромеханических преобразователей электрогидравлических усилителей мощности 5 и 6 подключены к разным выходам электронного блока управления 7, причем отношение электрических сигналов на упомянутых выходах электронного блока управления 7 равно отношению эффективных площадей поршня дифференциального гидроусилителя 1 со стороны его соответствующих рабочих полостей, возведенному в степень с показателем R, определяемым из системы неравенств:

(1)

(2)

где A_нп, A_сп эффективные площади поршня дифференциального гидроцилиндра 1 соответственно со стороны его напорной и сливной полостей;

f_нп, f_сп коэффициенты пропорциональности переменных составляющих силы трения в подвижных парах гидроцилиндра 1 значениям давления рабочей жидкости соответственно в напорной и сливной полостях гидроцилиндра;

постоянная состоящая силы трения в подвижных парах гидроцилиндра 1;

P_сл давление слива;

P_п давление рабочей жидкости, создаваемое источником питания постоянного давления 4;

R_{поп max} максимально возможное значение попутной нагрузки на выходном звене гидроцилиндра 1 при рассматриваемом направлении движения выходного звена;

P_{доп min}, Р_{доп max} соответственно минимальное и максимальное допустимые значения давления в рабочих полостях гидроцилиндра 1.

Выходным звеном дифференциального гидроцилиндра 1 в зависимости от способа его установки может быть шток или корпус гидроцилиндра.

Один из выходов электронного блока управления 7 соединен с выходом задатчика 8 управляющего сигнала.

В зависимости от значения и области применения электрогидравлического привода другие входы электронного блока 7 могут быть соединены через устройства обратной связи с датчиками контролируемых параметров (на чертеже устройства обратной связи и датчики контролируемых параметров не показаны).

Электронный блок управления 7 предназначен для формирования (на основании поступающих на его входы сигналов от задатчика 8 и устройств обратной связи) усиленных электрических сигналов для управления электрогидравлическими усилителями мощности 5 и 6.

Электрогидравлический привод работает следующим образом.

При поступлении на соответствующий вход электронного блока 7 управляющего сигнала с выхода задатчика 8 на выходах блока 7, к которым подключены обмотки управления электромеханических преобразователей электрогидравлических усилителей мощности 5 и 6 (на чертеже электромеханические преобразователи не показаны), формируются усиленные электрические сигналы, которые отличаются в (А₂/А₃)^R раз, где А₂, А₃ эффективные площади поршня дифференциального гидроцилиндра 1 соответственно со стороны его рабочих полостей 2 и 3.

На нарушая общности рассуждений, для определенности положили, что в рассматриваемом случае рабочая полость 2 дифференциального гидроцилиндра 1 посредством усилителя 5 сообщается с источником питания постоянного давления 4, то есть является напорной, а полость 9 гидроцилиндра 1 посредством усилителя 6 сообщается со сливом, то есть является сливной. При этом A₂ A_нп, A₃ A_{сп u} и поршень гидроцилиндра 1 перемещается относительно его корпуса в сторону сливной полости.

Поскольку проводимости рабочих окон, открываемых дросселирующими золотниками выходных каскадов усиления усилителей 5 и 6 (на чертеже дросселирующие золотники не показаны), пропорциональны величинам управляющих электрических сигналов, поступающих на обмотки управления электромеханических преобразователей усилителей, то проводимость G_нп рабочего окна, через которое напорная полость гидроцилиндра 1 сообщается с источником питания 4, в (A_нп/A_сп)^R раз отличается от проводимости G_сп рабочего окна, через которое сливная полость гидроцилиндра 1 сообщается со сливом, то есть

G_нп (A_нп/A_сп)^RG_мп (3)

При квадратичном законе сопротивления, который в подавляющем большинстве случаев имеет место при течении жидкости через рабочее окно, открываемое дросселирующим золотником:





где Q_нп, P_нп соответственно расход рабочей жидкости и потери давления на рабочем окне с проводимостью G_нп;

Q_сп, P_сп соответственно расход рабочей жидкости и потери давления на рабочем окне с проводимостью G_сп.

При пренебрежении утечками и перетечками рабочей жидкостью, а также сжимаемостью рабочей жидкости и податливостью стенок каналов, в которых она заключена:

Q_сп=A_спQ_нп/A_нп (6)

При пренебрежении потерями давления на остальных участках привода по сравнению с потерями давления P_нп и P_сп на рабочих окнах, открываемых дросселирующими золотниками электрогидравлических усилителей мощности, текущие значения давления P_нп и Р_сп соответственно с напорной и сливной рабочих полостях гидроцилиндра 1 могут быть представлены следующим образом:

P_нп=P_п-P_нп (7)

P_сл=P_сл+P_сп (8)

Сила трения в подвижных парах гидроцилиндра может быть представлена в виде суммы составляющих: постоянной и переменной, равной

f_нпP_нп+f_спP_сп

(f_нп<A; f_сп<A)

Тогда уравнение сил, действующих на выходное звено гидроцилиндра 1, имеет вид:

(A_нп-f_нп)P_нп=(A_сп+f_сп)P_сп++R (9)

где R усилие на выходном звене гидроцилиндра.

На основании выражений (3)-(9) получаем соотношения:





Для того, чтобы при выбранном исходя из условия обеспечения требуемого закона движения объекта управления, значении P_п давления питания привода при работе последнего с попутной нагрузкой на выходном звене R_поп дифференциального гидроцилиндра давление в напорной полости гидроцилиндра не уменьшалось ниже величины P_{доп min}, а сливной полости гидроцилиндра не повышалась сверх величины P_{доп max}, согласно выражениям (10) и (11) должны выполняться неравенства:





Но поскольку неравенства (12) и (13) полностью совпадают с неравенствами (1) и (2), на основании которых для обоих возможных направлений движения выходного звена дифференциального гидроцилиндра 1 приводился выбор значения показателя степени R то для рассматриваемого электрогидравлического привода они заведомо выполняются.

Отметим, что для случая: =0, f_сп=f_нп=0, P_cл=P_{доп min}=0 P_дорmax=P_п и R_{поп max}=A_спP_п неравенства (1) и (2) имеют единственное решение: R 1.

В известных гидроприводах с дроссельным управлением проводимости рабочих окон, через которые жидкость движения от источника питания постоянного давления в напорную полость гидроцилиндра и из сливной полости гидроцилиндра на слив, практически равны, что соответствует значению R 0.

При известном значении показателя степени R неравенства (12) и (13) позволяют определить давление питания гидропривода P_*, необходимое для того, чтобы при работе привода с попутной нагрузкой на выходном звене дифференциального гидроцилиндра давление в напорной полости гидроцилиндра не уменьшалось ниже допустимой величины P_доп, а в сливной полости гидроцилиндра не повышалось сверх допустимой величины P_{доп max}.

Для случая: R 0, =0,, f_нп=f_сп=0, P_сл=P_{доп min} 0 P_{доп max}=P_* и R_поп= A_спP_п из условия выполнения сформулированных выше требований получаем, что давление питания гидропривода P_* должно быть не меньше большего из значений

(A_нп/A_сп)²P_п и [(A_нп/A_сп)³-A_нп/A_сп+1)^-1P_п

вычисленных для обоих возможных направлений движения выходного звена гидроцилиндра.

При отношении большей из эффективных площадей поршня дифференциального гидроцилиндра к меньшей, равном, например, 1,25, имеем P_* 1,5625 P_п, то есть в рассматриваемом случае при традиционном исполнении гидропривода величина его давления питания, необходимая из условия обеспечения бескавитационной работы привода, в 1,5625 раза превышает величину, необходимую исходя из условия обеспечения требуемого закона движения объекта управления.

Из описания работы заявляемого электрогидравлического привода видно, что реализация предложенного технического решения, характеризующегося вышеизложенными отличительными признаками, обеспечивает уменьшение потребной величины давления питания привода от значения, необходимого исходя из условия обеспечения бескавитационной работы привода, до значения, необходимого исходя из условия обеспечения требуемого закона движения объекта управления, т. е. реализация предложенного технического решения обеспечивает бескавитационную работу гидропривода с дроссельным управлением с дифференциальным гидроцилиндром и при пониженном значении давления питания привода. Указанное уменьшение величины давления питания электрогидравлического привода влечет за собой снижение потерь энергии в процессе его эксплуатации и, соответственно, повышение экономичности привода. Помимо этого, снижение потерь энергии способствует улучшению теплового режима работы привода.

Уменьшение величины давления питания гидропривода позволяет использовать в нем насос и проводящий двигатель с меньшими значениями установочной мощности, что ведет к снижению массы и габаритов привода.

При изменении условий эксплуатации предлагаемого электрогидравлического привода требуемое в новых условиях соотношение проводимостей рабочих окон, через которые жидкость поступает в напорную полость дифференциального гидроцилиндра 1 и вытесняется из его сливной полости, легко устанавливается путем регулирования отношения электpических сигналов на выходах электронного блока управления 7, к которым подключены обмотки управления электрогидравлических усилителей мощности 5 и 6.