книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода
..pdfЭлектрогидравлический усилитель мощности является основным прибором электрогидравлических следящих приводов (ЭГСП) [2, 9], определяющим характеристики этих систем. ЭГУ применяется в различных отраслях техники: авиации, ракетно-космической технике, автомобиле- и тракторостроении, станкостроении, электроэнергетике. ЭГУ – наукоемкий аппарат, представляющий собой сочетание высокоточной гидромеханики, электротехники и электроники. В мировой технике практическое применение получили три типа ЭГУ: сопло-заслонка, со струйной трубкой и с цилиндрическим золотником. Находят применение также ЭГУ с плоским золотником на упругом подвесе.
ЭГУ управляется современной электроникой, позволяющей повысить надежность работы, улучшить статические и динамические характеристики и снизить стоимость изготовления. В зависимости от структуры управления ЭГУ выполняются без обратной связи или с гидравлической, механической, электрической, а также с комбинированной обратной связью по положению, по нагрузке или по скорости.
Электрогидравлический усилитель мощности представляет собой устройство, которое формирует поток рабочей жидкости к исполнительному органу с расходом, прямо пропорциональным сигналу управления, при условии, что давление питания и нагрузка на исполнительном органе постоянны.
Требуемый расход и максимальное давление определяют количество каскадов усиления и преобразования входного сигнала, которое обычно составляет 1…3.
Наиболее простую конструкцию имеют однокаскадные ЭГУ, состоящие из электромеханического преобразователя, дросселирующего гидрораспределителя золотникового типа и электрической обратной связи по положению золотника (рис. 73).
Электромеханический преобразователь построен с использованием линейного двигателя постоянного тока. Для создания магнитного поля в нем применяется постоянный магнит или линейный электромагнит, к которому подводится постоянный ток напряжением 24 В.
171
Рис. 73. Конструктивная схема, внешний вид и условное обозначение однокаскадного линейного ЭГУ (Yuken)
Катушка с сигналом управления напряжением от 0 до ±10 В работает в зазоре, не соприкасаясь с магнитом и его корпусом. Конструктивными средствами исключено попадание рабочей жидкости во внутреннюю полость ЭМП. Для повышения усилия на якоре применяются постоянные магниты с использованием современных материалов, например, из железа и редкоземельных металлов (неодим, бор).
Линейный двигатель постоянного тока обеспечивает высокие динамические характеристики однокаскадного ЭГУ, а также точное положение золотника даже в случае управления большими расходами рабочей жидкости.
Высокоскоростной датчик положения устанавливается соосно с золотником, но с противоположной стороны от линейного двигате-
172
ля во избежание воздействия мощного постоянного магнитного поля со стороны последнего и для исключения дополнительного трения.
Высокая линейность и скорость, малый гистерезис, быстрота отклика на входной сигнал (12...20 мс), надежность и возможность работы с загрязненными рабочими жидкостями достигаются наличием замкнутой системы управления, содержащей мощный и компактный линейный двигатель постоянного тока.
ЭГУ комплектуется электроникой, изготовленной в виде отдельных внешних блоков или интегрированной в конструкцию аппарата. Он может содержать световой индикатор, позволяющий оперативно контролировать соответствие положение золотника величине управляющего сигнала.
Малорасходный однокаскадный ЭГУ с линейным электродвигателем выполняется и как управляющий клапан первого каскада для
высокорасходных (до 1,67 10−3 м3/c) золотниковых гидроусилителей
второго каскада.
Двухкаскадный электрогидравлический усилитель соплозаслонка без обратной связи по положению золотника представлен на рис. 74. Он включает в себя расположенный на корпусе электромеханический преобразователь, основными элементами которого являются якорь 5, обмотки управления 6 и постоянные магниты. Якорь закреплен на тонкостенной трубке 8, разделяющей электромагнитную и гидравлическую части ЭГУ. Трубка 8 одновременно является упругим элементом, возвращающим якорь в нейтральное положение после снятия управляющего электрического сигнала.
В корпус помещен дросселирующий гидрораспределитель со- пло-заслонка первого каскада гидравлического усиления. Заслонка 7
сдвумя соплами 4 и 9, а также с постоянными дросселями 3 и 10 составляет основную часть каскада управления. Она размещена на якоре 5, проходящем через упругую трубку 8 и жестко соединенном
сней. Заслонка и сопла образуют два переменных гидравлических дросселя. Проводимость каждого из дросселей определяется зазором между заслонкой и торцом сопла. ДГР сопло-заслонка выполнен по мостовой схеме (см. рис. 52).
173
а |
б |
Рис. 74. Электрогидравлический усилитель сопло-заслонка с центрирующими пружинами: 1 – золотник; 2 – фильтр; 3, 10 – постоянный дроссель; 4, 9 – сопло; 5 – якорь; 6 – обмотки управления; 7 – заслонка; 8 – упругая трубка
Второй каскад гидравлического усиления построен на базе золотникового дросселирующего распределителя, расположенного в том же корпусе. Золотник 1, поджатый с двух торцов пружинами, включен в диагональ гидравлического мостика в качестве нагрузки.
Отсутствие тока в обмотках управления 6, а также центрирующее действие двух витых пружин и упругой трубки 8, обеспечивают нейтральное положение якоря-заслонки относительно сопел 4, 9 и золотника 1 относительно центральной проточки в корпусе (см.
рис. 74, а).
При подаче тока в обмотки управления 6 (см. рис. 74, б) возникший магнитный поток взаимодействует с магнитным потоком, создаваемым постоянными магнитами, что приводит к угловому перемещению якоря 5 и жестко связанной с ним заслонки 7. Заслонка 7 смещается из нейтрального положения относительно сопел 4 и 9. Происходит разбалансировка гидравлического мостика, в диагоналях которого появляются расходы управления. Жидкость, проходя из диагонали питания P −T через постоянные и переменные дроссели,
174
создает определенный перепад давления в диагонали нагрузки между торцовыми камерами золотника. Возникающая разность сил давления приводит к преодолению усилия со стороны центрирующих пружин, перемещению золотника 1 и появлению в исполнительных гидролиниях A и B выходного сигнала, пропорционального току управления.
Достоинствами ЭГУ сопло-заслонка с центрирующими пружинами являются простота конструкции, компоновки и технологии изготовления, а также возможность применения маломощного быстродействующего электромеханического преобразователя. К существенным недостаткам относятся низкие показатели по термостабильности и виброустойчивости, повышенные силы трения золотника и малое значение КПД.
Исключить указанные недостатки можно в конструкции электрогидравлического усилителя сопло-заслонка с механической позиционной обратной связью золотника второго каскада усиления на заслонку (рис. 75).
При подаче тока в обмотки управления электромеханического преобразователя возникает момент сил, действующий на якорь, что приводит к изгибу тонкостенной трубки. Заслонка, жестко связанная с трубкой, отклоняется от нейтрали, приближаясь к одному
иотдаляясь от другого сопла, что вызывает перепад давлений на торцах золотника и его движение. При перемещении золотника игольчатая пружина обратной связи, имеющая опору в виде шарика в проточке золотника, деформируется. Так как трубка связана с золотником посредством пружины обратной связи, возникающий момент силы воздействует на трубку, вызывая смещение заслонки в направлении, противоположном тому, которое обусловило движение золотника.
При этом обратная связь создает момент, приложенный к якорю совместно с моментом от воздействия струи жидкости на заслонку,
иобратный моменту от магнитного поля электромагнита, действующему на якорь.
175
Рис. 75. Электрогидравлический усилитель сопло-заслонка с механической позиционной обратной связью: 1 – якорь-за- слонка; 2 – механическая обратная связь; 3 – золотник
Заслонка будет двигаться в обратном направлении, пока не достигнет нейтрального положения. Перемещение золотника прямо пропорционально току, подаваемому в обмотки управления. При изменении тока золотник вновь придет в движение, будет перемещаться до тех пор, пока моменты, действующие на якорь, не уравновесятся. Переместившись, золотник обеспечит расход рабочей жидкости в одну из полостей гидродвигателя. При этом рабочая жидкость из другой полости вытесняется через каналы ЭГУ в бак.
Электрогидравлический усилитель сопло-заслонка с механической позиционной обратной связью имеет улучшенные динамические свойства. Он имеет устойчивую к внешним воздействиям конструкцию, простую и надежную механическую обратную связь. В конструкции отсутствуют центрирующие пружины золотника, который перемещается только под действием сил давления в диагонали гидравлического мостика. Аппарат обладает высоким быстродействием, термостабильностью характеристик и виброустойчивостью.
176
Электромеханический преобразователь в большинстве конструкций изолируется от рабочей жидкости и от воздействия внешних магнитных полей. Обмотки ЭМП защищены специальной полимерной пленкой.
Гидравлические элементы каскада управления защищены от загрязнений встроенным фильтром.
3.3. Реле давления
Реле давления, реле перепада и разности давления предназначены для выполнения функций контроля и управления жидких и газообразных сред, а также для подачи сигнала, свидетельствующего о достижении нужного уровня или перепада давления. При повышении или понижении давления в гидросистеме относительно заданного значения происходит замыкание или размыкание электрических цепей, например посредством встроенного в реле микровыключателя, а также другими способами.
Эти устройства широко используются в различных производственных и технологических процессах машиностроительной, металлургической, химической и нефтехимической, медицинской промышленности. Одной из сфер частого применения реле давления являются системы блокировки насосов и компрессоров в составе гидро- и пневмоприводов.
Реле давления по способу преобразования входного сигнала имеют гидроэлектрическое, электронное или электромеханическое исполнение.
В реле давления гидроэлектрического типа применяется чувствительный элемент плунжерного (поршневого) или золотникового типа. Реле состоит из плунжера 1, корпуса 8, пружины 7, элементов настройки 5, микровыключателя 2, подпятника 3, шестигранника 6 и резьбового стопора 4 (рис. 76).
Рабочая жидкость под давлением p подводится к торцовой по-
верхности плунжера 1, опирающегося другим торцом в подпятник 3. При изменении давления до значения, определяемого настройкой пружины 7, плунжер воздействует через подпятник 3 на микровы-
177
ключатель 2, который размыкает или замыкает электрические контакты. Шестигранник 6 используется для настройки давления срабатывания и фиксируется стопором 4.
Рис. 76. Реле давления плунжерного типа
Для работы в среде специальных жидкостей и газов применяются реле давления гидромеханического типа с трубкой Бурдона. При изменении давления, как и в механических манометрах, трубка Бурдона деформируется и приводит в движение рычаг, который воздействует на микровыключатель.
Реле давления гидромеханического типа имеют зону нечувствительности, зависящую от давления. Уменьшить зону нечувствительности в конструкциях плунжерного или золотникового типа можно снижением сил трения в уплотнении подвижного элемента.
Электронные и электромеханические реле давления являются альтернативой гидромеханическим реле и контактным манометрам. Они имеют следующие преимущества: более высокую точность и износоустойчивость, высокую стабильность во времени, простоту в эксплуатации и большое число циклов срабатывания.
Электронные и электромеханические реле давления выполняются с регулируемым гистерезисом или дифференциалом. Некоторые
178
приборы оснащаются дисплеем, который позволяет добиться максимального удобства в использовании реле. Взрывозащищенные реле давления рассчитаны на работу в агрессивных средах, обладают особо высокими прочностными и качественными характеристиками.
Материалы, контактирующие с измеряемой средой, изготавливаются из нержавеющей стали, титановых сплавов или керамики, уплотнительные элементы – из фторкаучуков или бутадиен-нитриль- ных каучуков. Данные материалы выбраны с учетом требований универсального применения устройства и совместимы с большинством применяемых в гидроприводах рабочих сред.
Находят применение программируемые электронные реле давления, имеющие одну или две точки переключения, а также возможность настройки уровней переключения давления при помощи адаптера и программного обеспечения или программатора.
Компактные, высокоточные и надежные электронные реле давления предназначены для общепромышленных измерений, контроля перепада давления в фильтрах, теплообменных аппаратах, давления в гидромашинах и источниках гидравлической энергии, а также в гидрофицированных системах, где необходимо автоматизировать процесс, зависящий от давления.
3.4. Датчики давления
Измерение давления необходимо практически в любой области науки и техники как при изучении происходящих в природе физических процессов, так и для нормального функционирования технических устройств и технологических процессов, созданных человеком.
Датчики служат для линейного преобразования давления в стандартный электрический сигнал напряжением 0...10 В или током
4...20 мА.
Датчики давления – устройства, физические параметры которых изменяются в зависимости от давления. В датчиках давление преобразуется в электрический, пневматический, цифровой или другой сигнал. Различают датчики избыточного, вакуумметрического, абсо-
179
лютного и дифференциального давления. Датчики могут изготавливаться во взрывозащищенном исполнении и комплектоваться разделительными мембранами и элементами охлаждения.
Приборы с дистанционной передачей показаний – приборы,
вкоторых используются изменения электрических свойств вещества (электрического сопротивления проводников, электрической емкости, возникновение электрических зарядов на поверхности кристаллических минералов) под действием измеряемого давления. К таким приборам относятся манганиновые манометры сопротивления, пьезоэлектрические манометры с применением кристаллов кварца, турмалина или сегнетовой соли, емкостные манометры, ионизационные манометры.
Вбольшинстве приборов измеряемое давление преобразуется
вдеформацию упругих элементов, поэтому они называются деформационными.
Деформационные приборы широко применяют для измерения давления благодаря простоте устройства, удобству и безопасности
вработе. Все деформационные приборы имеют в схеме какой-либо упругий элемент, который деформируется под действием измеряемого давления: трубчатую пружину, мембрану или сильфон.
Для измерения давления агрессивных сред применяют датчики, снабженные защитной мембраной, изготовленной, как и в дифференциальных манометрах, из коррозионно-стойкого материала. Измеряемое давление передается к измерительной мембране через силиконовое масло, которым заполнена внутренняя полость датчика.
Промышленные тензорезисторные преобразователи предназначены для преобразования давления, вакуума и разности давлений в пропорциональное значение выходного сигнала – постоянного тока.
Передача сигнала, получаемого от чувствительного элемента первичного преобразователя к вторичным автоматическим приборам, осуществляется либо механически в показывающих приборах, либо с помощью преобразователей дифференциально-трансформаторных, ферродинамических, с магнитной или силовой компенсацией и тензопреобразователей.
180