насосный гидропривод с объемным регулированием скорости

Формула изобретения

Насосный гидропривод с объемным регулированием скорости, содержащий расположенные в общем корпусе и связанные между собой гидролиниями блок аксиально-плунжерных насосов высокого и низкого давления, с клапанно-щелевым распределением, гидробак закрытого типа, отличающийся тем, что гидробак содержит компенсирующее устройство с сильфоном и толкателем, снабженным камерой управления, двухполостной гидродвигатель, электрогидравлический усилитель типа "сопло-заслонка", содержащий электромеханический преобразователь, постоянные дроссели, сопла и золотниковый гидрораспределитель, снабженный камерами управления, плунжеры обоих насосов размещены так, что они взаимодействуют с общими для них наклонной шайбой и опорным диском, а их подплунжерные полости сообщены через клапанные коробки посредством радиальных отверстий с отдельными для каждого из насосов проточками, выполненными на наружной поверхности блока насосов и разобщенными между собой уплотнениями, при этом напорная гидролиния насоса высокого давления через постоянные дроссели соединена с камерой управления устройства обратной связи по внешней нагрузке, выполненного в виде дифференциального полого подпружиненного цилиндра, снабженного рабочими окнами и размещенного вместе со своей камерой управления в гидролинии всасывания насоса высокого давления внутри блока насосов, на наружной поверхности которого, вокруг зоны наибольшего тепловыделения, выполнена круговая проточка, сообщающаяся с одной стороны с окнами всасывания, выполненными на плунжерах насоса низкого давления, а с другой стороны - с гидробаком, в котором сильфон установлен внутри него так, что его наружная поверхность контактирует с рабочей жидкостью, а внутренняя поверхность - с атмосферой, а толкатель расположен с возможностью контакта с дном сильфона подвижно в приливе, выполненном в крышке гидробака и размещенном внутри сильфона, при этом золотник гидрораспределителя выполнен девятилинейным, с четырьмя проточками и пятью буртами, а напорная гидролиния насоса высокого давления подведена к его левому среднему и правому среднему буртам, напорная гидролиния насоса низкого давления подведена через постоянные дроссели к его камерам управления, соплами и камере управления толкателем, полости гидродвигателя подведены соответственно к его левой средней и правой средней проточкам, гидролиния всасывания насоса высокого давления - к левому крайнему и правому крайнему буртам, а гидробак подведен к среднему бурту, левой крайней и правой крайней проточкам.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к насосным гидроприводам с объемным регулированием скорости, нашедшим применение в области гидроавтоматики в качестве исполнительных механизмов в системах управления.

Известны комбинированные насосы, содержащие в общем корпусе приводной вал, с расположенными на нем двумя наклонными шайбами, и взаимодействующие с каждой из них группы оппозитно расположенных плунжеров, одна из которых связана с напорной гидролинией насоса высокого давления, а другая с напорной гидролинией насоса низкого давления, при этом полости всасывания каждой группы плунжеров разобщены с помощью уплотнения, установленного на приводном валу (см. авторское свидетельство СССР N 1212115, кл. 4 F 04 B 1/26, 04.06.84).

Недостатками известных насосов являются:

- во-первых, значительная потеря приводной мощности, благодаря повышенному количеству движущихся в рабочей жидкости элементов конструкции, особенно в условиях высоких (от 18000 об/мин и выше) оборотов приводного вала и низких (до минус 60^oC) температур окружающей среды и рабочей жидкости,

- во-вторых, не обеспечен оптимальный температурный режим работы насоса высокого давления из-за отсутствия протока рабочей жидкости из охлажденного гидробака вокруг зоны наибольшего тепловыделения, необходимость в котором особенно испытывают плунжерные пары насоса при длительной непрерывной работе на режимах нагрузок, близких к тормозным в условиях повышенной температуры окружающей среды и повышенной скорости вращения приводного вала,

- в-третьих, из-за наличия удвоенного количества основных деталей конструкции насос имеет повышенные трудоемкость, габариты и массу,

- в четвертых, невысокая надежность из-за установленного на вращающемся валу уплотнения, разделяющего полости всасывания насосов, выход из строя которого приводит к потере управления подачей насоса высокого явления, что, в свою очередь, приводит к перегрузке приводного устройства и к отказу гидропривода в целом.

Известны гидроприводы с объемным регулированием скорости, содержащие основной насос регулируемой производительности с механизмом управления наклоном люльки, вспомогательный насос низкого давления, исполнительный гидродвигатель, гидробак с вытеснительной системой (см. книгу под ред. В.А. Лещенко и др. "Гидравлический следящий привод", М., Машиностроение, 1966 г., стр. 513-516, рис. 7.15-7.17). Данное решение берется за прототип.

Широко известны достоинства гидроприводов объемного регулирования скорости, основными из которых являются высокий КПД, большой ресурс, меньший нагрев рабочей жидкости по сравнению с гидроприводами дроссельного регулирования.

Однако они обладают целым рядом существенных недостатков:

- повышенные сложность, себестоимость, габариты и масса, невысокая надежность работы, связанная с необходимостью использования механизма управления наклоном шайбы основного насоса, раздельным исполнением основного и вспомогательного насосов, необходимостью установки дополнительно обратных клапанов для обеспечения работоспособности блока фильтров при смене направления потока рабочей жидкости в напорной и всасывающей гидролиниях основного насоса;

- высокий КПД имеет место лишь при выходных мощностях более 5 кВт из-за значительных потерь мощности в механизме управления наклоном шайбы;

- сравнительно невысокое быстродействие из-за большого числа последовательно работающих передаточных звеньев и больших величин их перемещения, более высокого числа каскадов усиления в механизме управления наклоном шайбы;

- невысокие динамические характеристики при работе на малых сигналах управления вследствие повышенного "мертвого" хода наклонной шайбы при переходе через среднее положение;

- отсутствие механизма обратной связи по внешней нагрузке, из-за трудности ее реализации, необходимость которого, например, в гидроприводах летательных аппаратов широко известна,

- невысокая надежность работы, связанная с тем, что практически отсутствует обмен рабочей жидкости, находящейся в полостях гидродвигателя, с гидробаком, приводящий к перенасыщению рабочей жидкости, поступающей на вход насоса, продуктами износа деталей гидродвигателя;

- практически не обеспечена возможность работы основного и вспомогательного насосов, при повышенных (от 18000 об/мин и выше) оборотах приводного вала и пониженной (до минус 60^oC) температуры окружающий среды, из-за повышенной чувствительности всех обратимых насосов к кавитации, связанной с недозаполнением рабочих камер насосов;

- невысокая стабильность скоростных и нагрузочных характеристик при значительных колебаниях оборотов приводного вала, связанных, например, с колебанием напряжения питания приводного электродвигателя,

- невысокая стабильность скоростных и нагрузочных характеристик в условиях значительного изменения температуры окружающей среды и рабочей жидкости, связанная с изменением вязкости и, как следствие, со значительным изменением величины непроизводительных утечек и объемных потерь в насосах,

- невысокая надежность пуска, особенно в условиях пониженной температуры окружающей среды и рабочей жидкости, связанная с повышенными массой вращающихся частей и вязкостью рабочей жидкости и повышенным трением уплотнительных колец, расположенных на дифференциальном поршне компенсирующего устройства, приводящим к его "зависанию", тем самым к пониженному давлению на входе насосов;

- невысокая степень герметичности в условиях длительного (до 20 лет) срока хранения при воздействии переменных температур окружающей среды, когда дифференциальный поршень компенсирующего устройства, отслеживая суточные и сезонные колебания температуры в течение срока хранения, непрерывно перемещаясь, приводит к значительному износу уплотнительных колец, и, как следствие, к потере герметичности, загрязнению рабочей жидкости, засорению фильтров, дросселей, сопел, прихватыванию золотниковых пар и др.;

- тяжелый температурный режим работы основного насоса, связанный с необеспечением эвакуации тепла из зоны наибольшего тепловыделения,

- повышенный уровень шума при работе, особенно на высоких числах оборотов приводного вала, свойственный всем обратимым насосам;

- повышенная пульсация давления в напорной гидролинии основного насоса, особенно при работе гидропривода на "ползучих" скоростях, вследствие повышенного трения в механизме управления наклоном шайбы и невысокой его собственной частоты;

- сравнительно невысокая гидравлическая жесткость гидропривода, особенно при "нулевом" сигнале управления, которая всегда имеет повышенное значение в гидроприводах с золотниковым гидрораспределителем.

Задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, снижение себестоимости, габаритов, массы и энергопотребления, повышение надежности, быстродействия, улучшение динамических характеристик, повышение стабильности скоростных и нагрузочных характеристик в широком диапазоне воздействия температуры окружающей среды при значительных изменениях оборотов приводного вала и длительных сроках хранения.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом гидроприводе, содержащем расположенные в общем корпусе и связанные между собой гидролиниями двухполостной гидродвигатель, электрогидроусилитель типа "сопло-заслонка", состоящий из электромеханического преобразователя, постоянных дросселей, сопел и золотникового гидрораспределителя, снабженного камерами управления, блок аксиально-плунжерных насосов высокого и низкого давления с клапанно-щелевым распределением, гидробак закрытого типа, снабженный компенсирующим устройством, содержащим сильфон и управляемый давлением подачи насоса низкого давления толкатель, при этом плунжеры обоих насосов размещены так, что они взаимодействуют с общими для них наклонной шайбой и опорным диском, а их подплунжерные полости сообщены через клапанные коробки, посредством радиальных отверстий, с отдельными для каждого из насосов, проточками, выполненными на наружной поверхности блока насосов и разобщенными между собой уплотнением, а напорная гидролиния насоса высокого давления, через постоянный дроссель, соединена с камерой управления устройства обратной связи по внешней нагрузке, выполненного в виде дифференциального, полого и подпружиненного цилиндра, снабженного рабочими окнами и размещенного вместе с камерой управления в гидролинии всасывания насоса высокого давления внутри блока насосов, на наружной поверхности которого, вокруг зоны наибольшего тепловыделения, выполнена проточка, связанная с одной стороны с окнами всасывания, выполненными на плунжерах насоса низкого давления, а с другой стороны с гидробаком, в котором сильфон установлен внутри него так, что его наружная поверхность контактирует с рабочей жидкостью, а внутренняя поверхность с атмосферой, при этом толкатель расположен, с возможностью контакта с дном сильфона, подвижно в приливе, выполненном в крышке гидробака и установленном внутри сильфона, а золотник гидрораспределителя выполнен девятилинейным, с четырьмя проточками и пятью буртами, при этом напорная гидролиния насоса высокого давления подведена к его левому среднему и правому среднему буртам, напорная гидролиния насоса низкого давления подведена, через постоянные дроссели, к камерам управления, соплам и камере управления толкателем, полости гидродвигателя подведены соответственно к левой средней и правой средней проточкам, гидролиния всасывания насоса высокого давления к левому крайнему и правому крайнему буртам, а гидробак подведен к среднему бурту, левой крайней и правой крайней проточкам.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где представлена его общая схема.

Насосный гидропривод с объемным регулированием скорости содержит исполнительный гидродвигатель 1, расположенные в общем блоке 2 и взаимодействующие с общими наклонной шайбой 3 и опорным диском 4, насос высокого давления 5 и насос низкого давления 6, устройство обратной связи, выполненное в виде цилиндра 7, подпружиненного пружиной 8, управляемого с помощью камеры 9, соединенной с напорной гидролинией насоса высокого давления через постоянный дроссель 10, и расположенного в гидролинии всасывания 11 насоса высокого давления, внутри блока 2, на наружной поверхности которого выполнены проточка 12, сообщающая подплунжерную полость 13 насоса высокого давления 5 через клапанную коробку 14 посредством отверстий 15 со своей напорной гидролинией 16, и проточка 17, сообщающая подплунжерную полость 18 насоса низкого давления 6 через клапанную коробку 19, посредством отверстий 20, со своей напорной гидролинией 21, а также круговая проточка 22, сообщающая окна всасывания 23 насоса низкого давления 6 с гидробаком 24, в котором установлено компенсирующее устройство, содержащее сильфон 25 и толкатель 26, размещенный в приливе, выполненном в крышке 27 гидробака 24. Электрогидроусилитель содержит преобразователь 28, постоянные дроссели 29, сопла 30 и золотниковый гидрораспределитель 31, управляемый с помощью подторцевых камер 32, при этом напорная гидролиния 16 насоса высокого давления 5 подведена к его левому среднему и правому среднему буртам, напорная гидролиния 21 насоса низкого давления 6 подведена, через дроссели 29, к камерам управления 32, соплам 30 и камере управления 33 толкателем 26, полости гидродвигателя 1 подведены соответственно к левой средней и правой средней проточкам, гидролиния всасывания 11 насоса высокого давления 5 подведена к левому крайнему и правому крайнему буртам, а гидробак 24 подведен к среднему бурту, левой крайней и правой крайней проточкам. Для заправки гидропривода служит заправочный штуцер 34, для предохранения от перегрузок гидросистемы высокого давления служит предохранительный клапан 35, а гидросистемы низкого давления, клапан 36, для разобщения напорных гидролиний насосов низкого и высокого давлений служит уплотнение 37.

При хранении, отслеживания изменение объема рабочей жидкости в гидробаке 24 при колебании температуры окружающий среды, сильфон 25 практически сохраняет атмосферное давление в гидробаке, обеспечивая благоприятные условия заполнения подплунжерных полостей насосов при пуске, и, одновременно, сохраняя отсутствие перепада давления между гидробаком и окружающей средой, обеспечивает повышенную герметичность при хранении в течение всего срока эксплуатации, при этом, в связи с отсутствием рабочего давления в камере управления 33, сильфон не вступает в силовой контакт с толкателем 26, который, следовательно, остается за время хранения неподвижным и не подвергает износу свои уплотнительные кольца.

При пуске приводного вала, под воздействием вращающейся наклонной шайбы 3 и опорного диска 4, плунжеры обоих насосов совершают возвратно-поступательное перемещение, при этом, до подачи сигнала управления, золотник гидрораспределителя 31 находится в среднем положении, перекрывая гидролинию всасывания 11 насоса высокого давления, обеспечивая тем самым его работу в режиме нулевой подачи без противодавления, что создает благоприятные условия пуска, а толкатель 26, под воздействием давления, возникающего в напорной гидролинии 21 насоса низкого давления, смещается до соприкосновения с дном сильфона 25 и обеспечивает повышенное давление в гидробаке 24, что, в свою очередь, создает благоприятные условия для последующей работы насоса высокого давления.

Команда, поступающая в преобразователь 28, преобразуется посредством сопел 30 и дросселей 29, в перемещение золотника гидрораспределителя 31, обеспечивая соединение гидробака 24 с гидролинией всасывания 11 насоса высокого давления, соединение одной из полостей гидродвигателя 1 с его напорной гидролинией 16, а другой полости с гидробаком 24, при этом всасываемый из гидробака 24 поток рабочей жидкости насосом низкого давления 6 поступает в круговую канавку 22, расположенную на наружной поверхности блока 2, вокруг зоны наибольшего тепловыделения, и обеспечивает эвакуацию тепла из этой зоны, создавая тем самым благоприятный температурный режим работы насосу высокого давления 5.

В зависимости от величины и знака управляющего сигнала меняется величина и направление открытия окна в гидрораспределителе на всасывании насоса высокого давления, меняется величина скорости, а следовательно, направление и величина скорости перемещения выходного звена гидродвигателя.

С целью автоматического ограничения скорости перемещения выходного звена гидродвигателя независимо от величины управляющего сигнала, при нагрузках на выходном звене, близких к тормозным, цилиндр 7, подпружиненный пружиной 8, под воздействием давления, возникающего в напорной гидролинии 16 насоса высокого давления, перемещается в сторону закрытия своих рабочих окон, переводя насос на режим, близкий к нулевой подаче, обеспечивая тем самым в гидроприводе обратную связь по внешней нагрузке.

Следует отметить, что, меняя величину соотношения перекрытий в золотнике гидрораспределителя между всасывающей и напорной гидролиниями, можно менять величину подпитки в напорной гидролинии насоса высокого давления практически от нулевой до максимальной, что позволяет обеспечить требуемый уровень жесткости характеристик гидропривода и уменьшить его зону нечувствительности, при этом, независимо от величины управляющего сигнала, перепад давления на рабочих кромках золотника практически всегда постоянный и не превышает величину давления в гидробаке, т.е. 3-3,5 кгс/см², а следовательно, потери приводной мощности на всех режимах работы гидропривода ничтожно малы.

Очевидно, что величина подачи насоса высокого явления, а следовательно, и скорость перемещения выходного звена гидродвигателя в предлагаемом гидроприводе будет зависеть только от расхода рабочей жидкости через всасывающие окна гидрораспределителя и не будет реагировать на изменения числа оборотов приводного вала, если этот расход не превышает величину возможной геометрической подачи насоса при минимальном значении заданного диапазона оборотов приводного вала. Выполнение этого условия позволяет обеспечить высокую стабильность скоростных и нагрузочных характеристик гидропривода во всем заданном диапазоне оборотов приводного вала.

С ростом температуры рабочей жидкости в гидробаке, вследствие расширения ее объема, происходит деформация сильфона и, благодаря его упругим свойствам, увеличение давления на кромке окна всасывания в гидрораспределителе, обеспечивающее увеличение подачи насоса высокого давления. Одновременно, с ростом температуры рабочей жидкости, увеличиваются объемные потери в насосе, возрастают утечки. Подбором величины жесткости сильфона, тем самым влияя на величину давления в гидробаке, обеспечивается компенсация объемных потерь в насосе, утечек в других элементах гидропривода, тем самым повышается стабильность его скоростных и нагрузочных характеристик в широком диапазоне изменения температур окружающей среды.

Следует, кроме того, подчеркнуть, что присущие приводам объемного регулирования положительные свойства, такие как реверс потока рабочей жидкости, изменение скорости выходного звена путем изменения рабочего объема камер насоса, отсутствие давления в напорной гидролинии при отсутствии нагрузки на выходном звене, в предлагаемом гидроприводе полностью реализованы, что позволяет в несколько раз увеличить его ресурс по сравнению с гидроприводами дроссельного и объемно-дроссельного регулирования, а замена механизма регулирования подачи в насосе позволяет в предлагаемом гидроприводе, кроме того, снизить себестоимость, габариты, массу и энергопотребление, повысить надежность и быстродействие, улучшить динамические характеристики, повысить надежность хранения и пуска, повысить стабильность скоростных и нагрузочных характеристик в широком диапазоне изменения оборотов приводного вала и температуры окружающей среды.

Исследовательские работы, проведенные с гидроприводами, выполненными в соответствии с предлагаемой схемой и эксплуатируемыми на оборотах приводного вала от 18000 об/мин и выше и рабочих давлениях от 280 агс/см² и выше, полностью подтвердили названные преимущества, что позволяет широко использовать их в любой отрасли машиностроения, связанной с гидроавтоматикой.