Гидравлический усилитель мощности струйного типа

 

Усилитель предназначен для систем гидроавтоматики в качестве гидрораспределительного устройства. Усилитель содержит установленные в корпусе подвижный струйный элемент, плату, выполненную в виде двух частей с соосно расположенными приемными каналами, дополнительную сливную полость обратных потоков, сообщенную со сливной полостью корпуса каналами. Дополнительная сливная полость размещена в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями (соответственно) платы. Приемные каналы первой части платы выполнены цилиндрическими с постоянным сечением. Приемные каналы второй части платы имеют диффузорные выходные участки и в преимущественном варианте исполнения входные участки с постоянным сечением, в частности цилиндрические. В частном случае исполнения первая по ходу движения потока часть платы с двумя приемными каналами имеет торцевую поверхность со стороны дополнительной сливной полости, выполненную с профилированной выборкой по периферии в виде кольцевого уступа и углублением в центре. Технический результат - уменьшение сигнала управления, повышение коэффициента усиления мощности и выходной мощности усилителя. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в системах гидроавтоматики в качестве гидрораспределительного устройства.

Известен гидравлический усилитель мощности струйного типа, содержащий подвижный струйный элемент, на выходе которого имеется сопло, выполненное в виде конфузора с цилиндрическим выходным участком, и плату с двумя приемными каналами. См. Гамынин Н.С. Основы следящего гидравлического привода. - М:, Государственное научно-техническое издательство, 1962, с. 123 - 124, фиг. 5.2.

Недостатком конструкции усилителя мощности струйного типа является возникновение колебаний подвижного струйного элемента при некоторых сочетаниях конструктивных параметров усилителя и давления питания, приводящее к снижению динамических и энергетических характеристик усилителя и неустойчивым режимам работы усилителя и всей системы в целом.

Возникновение колебаний струйного элемента обусловлено, в частности, влиянием обратных потоков системы струйный элемент - плата на подвижный струйный элемент.

При нейтральном положении струйного элемента поток жидкости симметрично распределяется в приемные каналы платы. В некотором сечении приемных каналов, где струя сужается, кинетическая энергия потока достигает максимального значения. Из-за возникающего перепада давления между рабочими полостями гидравлического цилиндра, соединенными с приемными каналами, и полостью слива - в области течения струи возникают обратные потоки. Взаимодействие прямого и обратных потоков жидкости вызывает образование зон кавитации и вихреобразования. При нейтральном положении струйного элемента энергии вытекающих потоков равны. При смещении струйного элемента относительно нейтрали приемных каналов платы происходит перераспределение энергии в приемных каналах, приводящее к перемещению ведомого звена гидравлического цилиндра. В соответствии с этим перераспределением происходит изменение поля давлений в области течения обратных потоков и возникает перепад давлений на поверхности струйного элемента.

Таким образом, гидродинамические силы в паре струйный элемент - плата, создаваемые реакцией обратных струй, приводят к возникновению колебаний струйного элемента, что оказывает существенное влияние на снижение динамической устойчивости усилителя мощности струйного типа. При определенных условиях колебания струйного элемента переходят в автоколебания, что приводит к выходу всей системы из строя. Для управления перемещением колеблющегося струйного элемента относительно приемных каналов требуется увеличение момента на приводном двигателе и соответственно увеличение сигнала управления. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления мощности и снижению выходной мощности усилителя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является принятый в качестве прототипа гидравлический усилитель мощности струйного типа, содержащий смонтированные в корпусе подвижный струйный элемент, плату с двумя приемными каналами, имеющими диффузорные выходные участки, дополнительную сливную полость обратных потоков, сообщенную со сливной полостью корпуса. Подвижный струйный элемент выполнен в виде конфузора с цилиндрическим участком на выходе. Сливная полость обратных потоков расположена между подвижным струйным элементом и платой с приемными каналами. Диаметры входных отверстий платы больше диаметра выходного отверстия струйного элемента, при этом струйный элемент снабжен двумя отклоняющими пластинами, установленными с двух сторон под острым углом к его оси, рабочие кромки которых перпендикулярны плоскости перемещения струйного элемента и расположены друг от друга на расстоянии, не превышающем диаметра выходного отверстия струйного элемента. На плате установлены два отражателя, образующие трапециевидную щель, меньшее основание которой не превышает диаметра выходного отверстия струйного элемента и обращено к плате, на поверхности отражателей со стороны струйного элемента установлена жесткая диафрагма с прямоугольным отверстием, большая ось которого находится в направлении перемещения трубки, а сливная полость обратных потоков образована поверхностями платы, отражателей и диафрагмы. Плата состоит из двух частей, между которыми расположен плоский разделитель, в каждой из частей платы расположен соответствующий приемный канал, выполненный в виде сопряженных между собой и последовательно расположенных конфузорного, цилиндрического и диффузорного участков, а расстояние между точками пересечения осей приемных каналов и поверхностью платы меньше диаметра выходного отверстия струйного элемента. См. А. с. 1441085 СССР, МКИ4 F 15 B 3/00. Струйный гидроусилитель / Заявл. 24.12.86, опубл. 30.11.88.

Преимуществом известного усилителя мощности является его более высокая гидродинамическая устойчивость, обусловленная тем, что обратные потоки, образующиеся при взаимодействии управляющей струи с приемными каналами, частично отражаются поверхностью жесткой диафрагмы и перетекают из дополнительной сливной полости в сливную полость корпуса.

Уменьшение обратных потоков, воздействующих на подвижную струйную трубку, повышает динамическую устойчивость гидравлического усилителя и коэффициент усиления мощности.

Однако при увеличении давления питания увеличивается интенсивность течения обратных потоков в приемных каналах платы и при некоторых условиях обратные потоки устремляются из дополнительной сливной полости через отверстие в жесткой диафрагме и воздействуют непосредственно на подвижный струйный элемент, что увеличивает момент, создаваемый гидродинамическими силами на струйном элементе, и приводит к возникновению колебаний подвижного струйного элемента, а это снижает гидродинамическую устойчивость системы и уменьшает коэффициент усиления мощности.

При этом увеличение площади наружной поверхности подвижного струйного элемента (боковой поверхности и площади торца), на которую воздействуют вытекающие из приемных каналов обратные потоки жидкости, обусловленное наличием двух отклоняющих пластин на наружной поверхности струйного элемента, способствует существенному увеличению вибрации струйного элемента.

Вибрация, вызванная гидродинамическим воздействием обратных потоков на наружную поверхность подвижного струйного элемента при его смещении относительно нейтрали приемных каналов, приводит при определенных условиях к высокочастотным автоколебаниям струйного элемента и неустойчивым режимам работы системы в целом.

Недостатком известного гидравлического усилителя мощности является также то, что для попадания в приемные каналы платы управляющая струя жидкости должна преодолеть значительное расстояние, складывающееся из величины зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента и плоскостью диафрагмы с входным отверстием и промежутка дополнительной сливной полости обратных потоков. В процессе этого происходит рассеивание струи и увеличение потерь энергии струи, что в конечном итоге приводит к уменьшению максимальных энергетических характеристик усилителя (давления и расхода), снижению КПД и коэффициента усиления мощности. Кроме этого, возрастает влияние обратных потоков, которые в этой области не разделены, на управляющий (прямой) поток.

В то же время значительные гидравлические потери энергии наблюдаются на входе струи в конфузорные входные участки приемных каналов платы. Расширение каналов по ходу движения обратных потоков способствует уменьшению сопротивления движению обратных потоков, а это приводит, в свою очередь, к увеличению обратных потоков и уменьшению максимально допустимых давлений. В результате усугубляется отрицательное влияние обратных потоков на гидродинамическую устойчивость усилителя и его энергетические характеристики.

Увеличению обратных потоков способствует также отсутствие на плоской поверхности диафрагмы (образующей внутреннюю торцевую поверхность дополнительной сливной полости) направляющих для отвода обратных потоков из дополнительной сливной полости.

В конструкции усилителя не предусмотрено выбора оптимальной длины цилиндрического выходного участка подвижного струйного элемента, оптимальных размеров дополнительной сливной полости, в частности расстояния между диафрагмой и поверхностью платы, оптимальной величины зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента и платой, что исключает возможность оптимизации режимов работы усилителя и приводит к увеличению потерь энергии струи и уменьшению коэффициента усиления мощности.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание гидравлического усилителя мощности струйного типа, обеспечивающего повышение энергетических характеристик (давления, расхода, КПД, коэффициента усиления мощности) путем уменьшения потерь энергии управляющей струи жидкости и повышение гидродинамической устойчивости усилителя за счет уменьшения воздействия на подвижный струйный элемент обратных потоков, что приводит в итоге к уменьшению сигнала управления, повышению коэффициента усиления мощности и выходной мощности усилителя.

Технической задачей, решаемой изобретением, является также обеспечение оптимальных режимов работы усилителя путем оптимизации конструктивных параметров.

Для достижения поставленной задачи в известном гидравлическом усилителе мощности струйного типа, содержащем установленные в корпусе подвижный струйный элемент, плату с двумя приемными каналами, имеющими диффузорные выходные участки, дополнительную сливную полость обратных потоков, сообщенную со сливной полостью корпуса, согласно изобретению плата выполнена в виде двух частей с соосно расположенными приемными каналами, при этом дополнительная сливная полость размещена в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями платы, а приемные каналы первой части платы выполнены с постоянным сечением.

В частных случаях исполнения изобретение характеризуется следующими признаками.

Согласно изобретению приемные каналы второй части платы по ходу движения потока выполнены с постоянным сечением на входном участке.

Согласно изобретению первая по ходу движения потока часть платы с двумя приемными каналами имеет торцевую поверхность со стороны дополнительной сливной полости, выполненную с профилированной выборкой по периферии и углублением в центре.

Согласно изобретению профилированная выборка по периферии выполнена в виде кольцевого уступа.

Согласно изобретению профилированная выборка по периферии выполнена в виде кольцевого скоса.

Согласно изобретению подвижный струйный элемент имеет выходной участок с постоянным сечением, длина которого выбирается из соотношения: L₀ - длина выходного участка подвижного струйного элемента постоянного сечения, d₀ - диаметр выходного отверстия подвижного струйного элемента.

Согласно изобретению расстояние между первой и второй частями платы с приемными каналами выбирается в пределах: 0,4 ≅ Δ ≅ 10, при P ≥ 10 (2) 0,1 ≅ Δ ≅5, при P < 10, (3) где Δ - расстояние между первой и второй частями платы с приемными каналами в мм, P - давление питания в МПа на входе в подвижный струйный элемент.

Согласно изобретению величина зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента и платой выбирается из соотношения: 0,5 ≅ δ ≅ 5, при P > 10, Q > 5, (5) 0,3 ≅ δ ≅ 20, при P < 10, Q < 50, (6)
где δ - величина зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента и платой в мм,
P - давление питания в МПа на входе в подвижный струйный элемент,
Q - расход жидкости в л/мин.

Выполнение платы в виде двух частей с соосно расположенными приемными каналами позволяет разместить дополнительную сливную полость в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями платы, а это, в свою очередь, дает возможность сократить расстояние между выходным отверстием подвижного струйного элемента и поверхностью первой части платы по ходу движения потока до оптимальной величины, за счет чего уменьшается рассеивание управляющей струи на этом участке движения и снижаются энергетические потери. Вместе с тем в приемных каналах с постоянным сечением первой части платы происходит выравнивание скоростей распределившейся на две части струи по сечению, способствующее сохранению компактной дальнобойной струи и уменьшению тем самым потерь энергии. За счет уменьшения площади поперечного сечения струи на входном участке (по сравнению с прототипом) и повышения давления в каналах с постоянным сечением увеличивается сопротивление движению обратных потоков жидкости. Это приводит к уменьшению обратных потоков в этом направлении, снижению их гидродинамического воздействия на подвижный струйный элемент, уменьшению вибраций струйного элемента и достижению более высоких давлений в рабочих каналах. В то же время компактная дальнобойная струя, сформированная в каналах с постоянным сечением, преодолевает расстояние дополнительной сливной полости до приемных окон второй части платы с минимальными потерями энергии. При этом обеспечивается попадание струи в приемные каналы второй части платы.

Таким образом, за счет уменьшения потерь энергии управляющей струи жидкости в системе струйный элемент - плата обеспечивается повышение энергетических характеристик гидравлического усилителя мощности и одновременно достигается повышение гидродинамической устойчивости благодаря уменьшению воздействия обратных потоков на подвижный струйный элемент, что приводит к уменьшению сигнала управления, повышению коэффициента усиления мощности и выходной мощности усилителя.

Выполнение приемных каналов второй части платы по ходу движения потока с постоянным сечением на входном участке способствует сохранению энергии струи и сохраняет дальнобойную компактную струю, уменьшая тем самым дальнейшие потери в диффузорных участках, связанные с вихреобразованием.

Выполнение торцевой поверхности первой по ходу движения потока части платы со стороны дополнительной сливной полости с профилированной выборкой (в виде кольцевого уступа или скоса) по периферии и углублением в центре вызвано следующими причинами.

Выборка по периферии и углубление в центре торцевой поверхности направляют обратные потоки, вытекающие из приемных каналов второй части платы в сливную полость корпуса. Поэтому обратные потоки, вытекающие в дополнительную сливную полость, устремляются в основном не в приемные каналы первой части платы, а в зоны профилированной выборки и углубления в центре торцевой поверхности, форма которых способствует их уходу на слив. Все это приводит к уменьшению обратных потоков в зоне между платой и подвижным струйным элементом, а следовательно, к уменьшению вибрации струйного элемента и повышению его устойчивости.

Выбор оптимальной длины цилиндрического выходного участка подвижного струйного элемента из соотношения 1 обосновано следующим. Установлено, что при L₀/d₀ < 1 снижается дальнобойность струи, то есть не успевает сформироваться струя необходимой компактности, что ведет к объемным потерям ввиду размыва струи, при L₀/d₀ > 20 наблюдаются повышенные гидравлические потери энергии по длине.

Выбор оптимальных размеров дополнительной сливной полости, в частности расстояния между первой и второй частями платы с приемными каналами в пределах соотношений 2, 3, регламентируется тем, что слишком большое расстояние (за пределами соотношений 2, 3) приводит к чрезмерному расширению, размыву управляющей струи, уходу ее от приемных окон и дополнительным объемным потерям, слишком малое расстояние нецелесообразно, так как не оставляет пространства для отвода обратных потоков.

Выбор величины зазора между выходным отверстием подвижной струйной трубки и платой из соотношений 4, 5 обусловлен тем, что слишком большой зазор приводит к рассеиванию струи, слишком малый зазор - к большой неравномерности зазора при повороте трубки и к нелинейности характеристик. Кроме того, увеличивается воздействие обратных потоков на струйный элемент, что ведет к потере устойчивости струйного элемента.

Следует отметить также, что конструкция гидравлического усилителя исключает необходимость в наличии двух отклоняющих пластин на струйном элементе, выполняющих функцию сжатия струи и придания ей овальной формы. Это позволяет уменьшить площадь наружной поверхности подвижного струйного элемента, на которую оказывают гидродинамическое воздействие обратные потоки, за счет чего дополнительно повышается устойчивость струйного элемента.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема гидравлического усилителя мощности струйного типа.

Гидравлический усилитель мощности струйного типа содержит установленные в корпусе 1 подвижный струйный элемент 2, плату, выполненную в виде двух частей 3, 4 с соосно расположенными приемными каналами 5, 6, 7, 8, дополнительную сливную полость 9 обратных потоков, сообщенную со сливной полостью 10 корпуса 1 каналами 11, 12. Дополнительная сливная полость 9 размещена в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями 3, 4 (соответственно) платы. Приемные каналы 5, 6 первой части 3 платы выполнены с постоянным сечением - цилиндрическими. Приемные каналы 7, 8 второй части 4 платы имеют диффузорные выходные участки и в преимущественном варианте исполнения входные участки с постоянным сечением, в частности, цилиндрические.

В частном случае исполнения первая по ходу движения потока часть 3 платы с двумя приемными каналами 5, 6 имеет торцевую поверхность со стороны дополнительной сливной полости 9, выполненную с профилированной выборкой по периферии в виде кольцевого уступа 13 и углублением 14 в центре.

В другом частном случае исполнения профилированная выборка по периферии выполнена в виде кольцевого скоса (такое исполнение на чертеже не показано).

В преимущественном варианте исполнения подвижный струйный элемент 2 имеет цилиндрический выходной участок 15, длина которого выбирается из соотношения (1).

Следует отметить также, что выполнение струйного элемента 2 с удлиненным участком постоянного сечения позволяет уменьшить площадь наружной поверхности, на которую воздействуют вытекающие из приемных каналов обратные потоки жидкости, что также способствует уменьшению вибрации.

Кроме того, расстояние между первой и второй частями платы с приемными каналами выбирается в пределах соотношений 2, 3, а величина зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента 2 и платой выбирается из соотношений 4, 5.

Гидравлический усилитель мощности струйного типа работает следующим образом.

При подаче давления питания в подвижный струйный элемент 2 с цилиндрическим выходным участком 15, длина которого определена соотношением (1), энергия статического давления жидкости на входе преобразуется в кинетическую энергию высокоскоростной струи компактной формы на выходе. Часть статического давления жидкости тратится на преодоление сопротивления при течении внутри струйного элемента 2. Струйный элемент 2 совершает при этом возвратно-вращательное перемещение от приводного двигателя (на чертеже не показан) относительно плоскости первой части 3 платы с приемными каналами 5, 6, расположенными напротив выходного отверстия струйного элемента 2. Компактная дальнобойная струя на выходе из струйного элемента 2 попадает в зазор между упомянутым элементом 2 и плоскостью первой части 3 платы с приемными каналами 5, 6, оптимальная величина которого выбрана из расчета наименьшего рассеивания энергии струи и сохранения линейной зависимости входного расхода в функции относительного зазора. На поверхности первой части платы 3 струя разделяется на две части, величина которых зависит от величины смещения струйного элемента 2 относительно оси, и попадает в цилиндрические приемные каналы 5, 6, в каждом из которых происходит выравнивание скоростей распределившейся на две части струи по сечению и формируется компактная дальнобойная струя, что позволяет уменьшить потери энергии. Затем разделившиеся струи с минимальными потерями энергии преодолевают пространство дополнительной сливной полости 9 в промежутке между первой 3 по ходу движения потока и второй 4 частями платы и попадают в приемные каналы 7, 8 второй части 4 платы, цилиндрические входные участки которых способствует сохранению энергии струи, формируя дальнобойную компактную струю, и уменьшают тем самым дальнейшие потери в диффузорных участках, связанные с вихреобразованием. Перераспределение энергии в приемных каналах 5, 6 и соосных им каналах 7, 8 соответственно (в которых кинетическая энергия жидкости снова преобразуется в потенциальную) приводит к перемещению ведомого звена гидравлического цилиндра (на чертеже не показано), рабочие полости которого соединены с соответствующими им приемными каналами 7, 8 гидравлического усилителя мощности. При взаимодействии управляющей струи с приемными каналами 5, 6 и 7, 8 образуются обратные потоки. Уменьшению обратных потоков в направлении к струйному элементу 2 способствует увеличение сопротивления движению обратных потоков жидкости в цилиндрических каналах 5, 6 за счет образования в них компактной дальнобойной струи (уменьшения площади поперечного сечения струи). Обратные потоки, которые из каналов 7, 8 устремляются в дополнительную сливную полость 9, натекают на торцевую поверхность первой части 3 платы, форма которой способствует более равномерному распределению давления в этих зонах, равному примерно давлению слива. В результате обратные потоки устремляются преимущественно не в приемные каналы 5, 6 первой части 3 платы, а огибая кольцевой уступ 13 и углубление 14 в центре торцевой поверхности, по каналам 11, 12 - в сливную полость 10 корпуса 1. В результате обратные потоки в зоне между платой и подвижным струйным элементом 2 уменьшаются.

Таким образом, уменьшаются потери энергии управляющей струи жидкости в системе струйный элемент - плата, обеспечивается повышение энергетических характеристик гидравлического усилителя мощности и одновременно достигается повышение гидродинамической устойчивости усилителя благодаря уменьшению воздействия обратных потоков на подвижный струйный элемент, что приводит к уменьшению сигнала управления, повышению коэффициента усиления мощности и выходной мощности усилителя.

Формула изобретения

1. Гидравлический усилитель мощности струйного типа, содержащий установленные в корпусе подвижный струйный элемент, плату с двумя приемными каналами, имеющими диффузорные выходные участки, дополнительную сливную полость обратных потоков, сообщенную со сливной полостью корпуса, отличающийся тем, что плата выполнена в виде двух частей с соосно расположенными приемными каналами, при этом дополнительная сливная полость размещена в промежутке между первой по ходу движения потока и второй частями платы, а приемные каналы первой части платы выполнены с постоянным сечением.

2. Гидравлический усилитель по п.1, отличающийся тем, что приемные каналы второй части платы по ходу движения потока выполнены с постоянным сечением на входном участке.

3. Гидравлический усилитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что первая по ходу движения потока часть платы с двумя приемными каналами имеет торцевую поверхность со стороны дополнительной сливной полости, выполненную с профилированной выборкой по периферии и углублением в центре.

4. Гидравлический усилитель по п.3, отличающийся тем, что профилированная выборка по периферии выполнена в виде кольцевого уступа.

5. Гидравлический усилитель по п.3, отличающийся тем, что профилированная выборка по периферии выполнена в виде кольцевого скоса.

6. Гидравлический усилитель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что подвижный струйный элемент имеет выходной участок с постоянным сечением, длина которого выбирается из соотношения

где L_o - длина выходного участка подвижного струйного элемента постоянного сечения;
d_o - диаметр выходного отверстия подвижного струйного элемента.

7. Гидравлический усилитель по п.1 - 3, отличающийся тем, что расстояние между первой и второй частями платы с приемными каналами выбирается в пределах
0,4 ≅ Δ ≅ 10, при P ≥ 10;
0,1 ≅ Δ ≅ 5, при P < 10,
где Δ - расстояние между первой и второй частями платы с приемными каналами, мм;
P - давление питания на входе в подвижный струйный элемент, МПа.

8. Гидравлический усилитель по п.1 - 3, отличающийся тем, что величина зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента и платой выбирается из соотношения
0,5 ≅ δ ≥ 5, при P > 10, Q > 5;
0,3 ≅ δ ≅ 20, при P < 10, Q < 50,
где δ - величина зазора между выходным отверстием подвижного струйного элемента и платой, мм;
P - давление питания на входе в подвижный струйный элемент, МПа;
Q - расход жидкости, л/мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1