Электрогидравлический следящий привод

Привод предназначен для систем управления автономного электрогидравлического исполнительного механизма. Привод содержит размещенные в корпусе электродвигатель и соединенные гидролиниями регулируемый аксиально-плунжерный насос с валом и поворотной двуплечей люлькой, подпружиненной с одного конца на угол максимальной производительности и взаимодействующей вторым концом с плунжером-регулятором, компенсационно-поддавливающее устройство с полостью-баком и камерой управления, гидродвигатель, клапан подпитки, ограничитель мощности, редукционный клапан, двухкаскадный электрогидравлический усилитель с регулируемым дросселем "сопло-заслонка" в первом каскаде и подпружиненным золотником второго каскада, соединенным с полостями гидродвигателя, при этом золотник электрогидравлического усилителя соединен с плунжером-регулятором через двухбуртовый двусторонне подпружиненный золотник, выполненный трехлинейным, подторцевые камеры которого соединены с соплами первого каскада и подторцевыми камерами золотника второго каскада, управляющие гидролинии которого, соединенные с полостями гидродвигателя, подведены также на бурты двухбуртового золотника, межбуртовая полость которого соединена с первой подторцевой полостью плунжера-регулятора, соединенного второй полостью с нагнетающей гидролинией насоса и поджатого одним из буртов, образованным проточкой, выполненной посередине плунжера-регулятора, к охватывающему его вильчатому второму концу люльки насоса, при этом в насосе плунжерные башмаки подпружинены со стороны ротора к люльке через бурт вала, выполненный посередине между его опорами, и сепаратор, установленный на сферический торец этого бурта, обращенный к люльке. Технический результат - повышение надежности. 2 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к машиностроительной гидроавтоматике и может быть использовано, например, в системах управления транспортных средств, дорожно-строительной технике, в авиа- и ракетостроении, судостроении и т.д. в качестве автономного электрогидравлического исполнительного механизма.

Известен электрогидравлический следящий привод по патенту РФ №2052673, кл. F 15 B 9/00, 1982, содержащий размещенные в корпусе электродвигатель 1, регулируемый аксиально-плунжерный насос 2 с качающейся поворотной люлькой 9 с опорным шарикоподшипником внутри, шарнирно связанной с регулятором 10 в виде односторонне подпружиненного поршня, соединенного с нагнетающей гидролинией и с предохранительным клапаном 7. В приводе также имеется поршневой гидрокомпенсатор 6, штоковая полость которого соединена через редукционный клапан 3 с нагнетающей гидролинией, а подпоршневая - с гидролинией слива. Исполнительный механизм привода в виде гидроцилиндра 5 с потенциометром обратной связи 19 соединен гидролиниями с золотниковым двухкаскадным электрогидравлическим преобразователем-распределителем, при этом ход управляющей втулки 16 равен ходу распределительного золотника 4. Втулка 16 шарнирно соединена с якорем 15 электромеханического преобразователя 14. Золотник 4 соединен с нагнетающей гидролинией, гидролинией всасывания насоса 2, управляющей полостью регулятора 10 и с редукционным клапаном 3. Из-за большого количества подведенных гидролиний золотник 4 имеет на отсечных кромках среднего бурта по четыре щели, образованные рабочими окнами в распределительной втулке 17.

Наличие в приводе сложной кинематики регулятора 10 поворота люльки 9, образованного дифференциальным поршнем, управляемым золотником 4 и двухступенчатым предохранительным клапаном 7, сужает полосу пропускаемых приводом частот управляющих сигналов, приводит к завышенному энергопотреблению на холостом и тормозном режимах, повышенному теплонагреву.

Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения по технической сущности и числу совпадающих признаков является электрогидравлический следящий привод по патенту РФ №2218486, кл. F 15 B 9/00, 2002, содержащий размещенные в корпусе электродвигатель 1, насос 2 регулируемой производительности с поворотной люлькой 3, шарнирно соединенной с пружиной 5 с одной стороны и с плунжером 6 регулятора производительности насоса с другой стороны, в котором посередине выполнен осевой продольный прямоугольный паз, а также компенсационно-поддавливающее устройство 16, редукционный клапан 23, золотник 39 ограничителя мощности с дросселем 40, клапан подпитки 36, гидродвигатель 18, ограничитель скорости 43 во всасывающем канале 21 насоса, двухкаскадный гидроусилитель в виде дифференциального трехбуртового полого следящего золотника 35 с электроуправляемой втулкой 33. Золотник 35 установлен в распределительной втулке, снабженной перегородкой на наружной поверхности, центральные окна которой разделены через одно этой перегородкой, образующей с корпусом две полости, одна из которых соединена с гидролинией нагнетания, а другая - с полостью управления плунжера 6 регулятора производительности насоса. Гидростатические башмаки качающего узла насоса 2 прижаты к рабочей поверхности поворотной люльки пружиной, установленной на валу насоса, опертой с одной стороны на ротор насоса, а с другой - на сепаратор, соединенный с валом через кардан, передающий на сепаратор и гидростатические башмаки вращающий момент. Плунжеры качающего узла насоса 2 соединены с гидростатическими башмаками через толкатели со сферическими шарнирами на концах.

Недостатки известных электрогидравлических следящих приводов заключаются в следующем:

- для управления гидроусилителем необходимо мощное электромеханическое устройство, так как конструкция золотника с внутренней полостью и четырьмя щелями по среднему бурту обусловливает увеличение его диаметра, а размещение на золотнике управляющей втулки уравнивает ее ход с ходом золотника. Завышенный диаметр золотника и установленной на нем управляющей втулки при одинаковой величине их хода приводят к повышению мощности управляющего электромеханического устройства, снижению быстродействия гидроусилителя, сужению полосы пропускаемых частот, увеличению массы и габаритов, а также к необходимости повышения мощности электросигналов управления приводом. Люфт в соединении управляющей втулки с поводком электромеханического устройства снижает чувствительность и ухудшает динамику привода. Снижает работоспособность, быстродействие и динамичность привода также размещение электромеханического устройства в полости привода, заполненной гидрожидкостью,

- завышенные габаритные размеры регулируемого аксиально-плунжерного насоса из-за необходимости размещения на валу кардана, соединяющего вал с сепаратором,

- наличие в люльке насоса сепаратора с размещенным в нем карданом, передающим вращающий момент на сепаратор и установленные в нем башмаки с толкателями, приводит к повышению суммарной инерционной массы люльки и массы насоса в целом,

- шарнирное соединение люльки насоса с цилиндрическим плунжером 6 регулятора производительности через осевой продольный прямоугольный паз, выполненный посередине плунжера, в котором размещен один конец управляющего люлькой рычага, не обеспечивает полной шарнирной развязки последнего, так как ограничивает свободу вращения плунжера 6 относительно корпуса, приводит к необходимости расширения зазоров в соединении рычага с пазом плунжера, увеличения диаметра средней шейки и плунжера в целом. Отсутствие полной шарнирной развязки в соединении плунжера с рычагом не дает возможности выполнить минимальные зазоры (например, 0,003...0,005 мм) в соединении плунжера с гильзой, уменьшить утечки рабочей жидкости через зазоры, что особенно целесообразно для гидроприводов, работающих с повышенным самонагревом. Кроме этого, выполнение прямоугольного паза с высокой точностью и малой шероховатостью внутренних поверхностей в плунжере из твердого материала, необходимого для обеспечения стабильности зазоров, представляет значительную технологическую сложность и удорожает стоимость обработки детали в целом,

- наличие длинной последовательной цепочки элементов управления люлькой насоса, включающей золотники гидроусилителя 35, ограничителя мощности 39, регулятор с плунжером 6 снижает быстродействие и сужает полосу пропускаемых приводом частот.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно уменьшение массы и габаритов насоса и привода в целом, снижение затрат мощности на управление электрогидравлическим следящим приводом, повышение чувствительности, быстродействия, расширение полосы пропускаемых частот путем снижения инерционности звеньев-регуляторов, снижение непроизводительных энергозатрат, повышение технологичности кинематики соединения регулятора и люльки насоса и связанной с этим экономической эффективности.

Для достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи в предлагаемом электрогидравлическом следящем приводе, содержащем размещенные в корпусе электродвигатель и соединенные гидролиниями регулируемый аксиально-плунжерный насос с валом и поворотной двуплечей люлькой, подпружиненной с одного конца на угол максимальной производительности и взаимодействующей вторым концом с плунжером-регулятором, компенсационно-поддавливающее устройство с полостью-баком и камерой управления, гидродвигатель, клапан подпитки, ограничитель мощности, редукционный клапан, двухкаскадный электрогидравлический усилитель с регулируемым дросселем "сопло-заслонка" в первом каскаде и подпружиненным золотником второго каскада, соединенным с полостями гидродвигателя, а также с плунжером-регулятором через двухбуртовый двусторонне подпружиненный золотник, выполненный трехлинейным, подторцевые камеры которого соединены с соплами первого каскада и подторцевыми камерами золотника второго каскада, управляющие гидролинии которого, соединенные с рабочими полостями гидродвигателя, подведены также на бурты двухбуртового золотника, межбуртовая полость которого соединена с первой подторцевой полостью плунжера-регулятора, соединенного второй полостью с нагнетающей гидролинией насоса и поджатого одним из буртов, образованным проточкой, выполненной посередине плунжера-регулятора, к охватывающему его вильчатому второму концу люльки насоса, при этом в насосе плунжерные башмаки подпружинены со стороны ротора к люльке через бурт вала, выполненный посередине между его опорами, и сепаратор, установленный на сферический торец этого бурта, обращенный к люльке.

При поиске и анализе патентных материалов и технической литературы не обнаружено технических решений, признаки которых были бы сходны с признаками, отличающими предложенное устройство от прототипа. Таким образом, данное решение соответствует критерию "новизна". Поскольку предложенное устройство выполнено из известных составных частей, оно соответствует условию "промышленная применимость". А так как в результате неочевидным образом реализуется поставленная задача, то заявленное устройство соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 показана принципиальная схема электрогидравлического следящего привода (привода);

- на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1.

Привод содержит размещенные в корпусе электродвигатель 1, вал которого соединен с валом 2, установленным на опорах (подшипниках) 3, аксиально-плунжерного насоса с ротором 4, плунжерами 5 с гидростатическими башмаками 6 и двуплечей поворотной люлькой 7. Люлька с одного конца пружиной 8 установлена на угол максимальной производительности насоса (до упора 9), второй конец 10 люльки, имеющий вильчатую форму, охватывает проточку 11 (фиг.2) посередине плунжера-регулятора 12, взаимодействуя с буртом 13. Пружиной 14, опертой одной стороной в ротор 4, а другой стороной в бурт 15 вала 2, башмаки 6 прижаты к люльке 7 при помощи сепаратора 16, установленного на сферический торец 17 бурта 15, обращенный к люльке 7. Бурт 15 выполнен между опорами 3 вала 2 и соединен при помощи шлиц с ротором 4 насоса. Подторцевые полости плунжера-регулятора 12, соединенные вторая с нагнетающей гидролинией 18 насоса, а первая гидролинией 19 - с двухбуртовым золотником 20, выполненным трехлинейным, имеющим межбуртовую полость 21, бурты 22 и 23, подторцевые пружинные камеры 24 и 25. Золотник 20 соединен гидролиниями 26 и 27, подведенными на его бурты 23 и 22, с полостями гидродвигателя 28 и с управляющими гидролиниями 29 и 30 золотника 31 двухкаскадного электрогидравлического усилителя, содержащего в первом каскаде регулируемый дроссель "сопло-заслонка" 32, постоянные дроссели 33 и 34 и синхронизирующие пружины в подторцевых камерах золотника 31. Подторцевые камеры 24 и 25 золотника 20 соединены с "соплом-заслонкой" 32 и подторцевыми камерами золотника 31. Нагнетающая гидролиния 18 насоса соединена со средним буртом золотника 31 и через редукционный клапан 35 с камерой управления 36 гидрокомпенсатора 37 и дросселями 33 и 34 электрогидравлического усилителя. Гидролиния всасывания 38 насоса соединена с полостью-баком 39 гидрокомпенсатора 37 через клапан подпитки 40 и с золотником 31 через ограничитель мощности 41, у которого камера управления 42 соединена с гидролинией 18.

Привод работает следующим образом.

При подаче напряжения на клеммы электродвигателя 1 начинает раскручиваться вал 2 и соединенный с ним при помощи шлиц на бурте 15 ротор 4 насоса, люлька 7 которого установлена пружиной 8 на угол максимальной производительности. Плунжеры 5, гидростатические башмаки 6 которых прижаты к рабочей поверхности люльки 7 пружиной 14 при помощи сепаратора 16, установленного на сферический торец 17 бурта 15 вала 2, совершают возвратно-поступательное движение на максимальный рабочий ход. Заполнение гидрожидкостью подплунжерных камер насоса при этом происходит по гидролинии 38 из полости-бака 39 гидрокомпенсатора 37 через клапан подпитки 40. Из насоса гидрожидкость под давлением по гидролинии 18 подается через фильтр ко второй подторцевой полости плунжера-регулятора 12, редукционному клапану 35 и далее к дросселям 33 и 34 и к "соплу-заслонке" 32 двухкаскадного электрогидравлического усилителя. По мере роста частоты вращения вала 2 растет производительность насоса и давление в нагнетающей гидролинии 18, устанавливается редуцированное давление, например, 30 кгс/см² на выходе редукционного клапана 35 и в соединенной с ним камере управления 36 гидрокомпенсатора 37, обеспечивая повышение давления в полости-баке 39, гидролинии всасывания 38 и за счет этого повышение эффективности работы насоса. При этом изменение объема жидкости в приводе, связанное с его работой, например, от нагрева, компенсируется изменением объема полости-бака 39 гидрокомпенсатора 37 за счет выдвижения (втягивания) его поршня.

При нулевом сигнале управления в двухкаскадном электрогидравлическом усилителе обеспечивается баланс расходов гидрожидкости через дроссели 33, 34 и "сопло-заслонку" 32, а также баланс давлений в подторцевых камерах золотника 31 и соединенных с ним подторцевых камерах 24 и 25 золотника 20. Золотники 31 и 20 устанавливаются в среднее положение, перекрывая своими буртами гидролинии 18, 26, 27 и сохраняя за счет равенства давлений в полостях гидродвигателя 28 неподвижное состояние его выходного звена. При продолжающемся росте давления в нагнетающей гидролинии 18, соединенной с второй подторцевой полостью плунжера-регулятора 12, образующийся при этом перепад давлений перемещает этот плунжер-регулятор в направлении первой подторцевой полости, вытесняя из нее жидкость по гидролинии 19 через перекрытия щелей золотников 20 и 31 в гидролинию всасывания 38. Бурт 13 плунжера-регулятора 12, воздействуя на второй конец 10 люльки 7, размещенный в проточке 11 посередине плунжера-регулятора 12, поворачивает люльку 7 в направлении от упора 9, преодолевая усилие пружины 8 на первый конец люльки 7. Связанные с люлькой через башмаки 6 и сепаратор 16, установленный на сферический торец 17 бурта 15 вала 2, плунжеры в насосе совершают уменьшенный рабочий ход. Прекращается рост производительности насоса и повышение давления нагнетания в гидролинии 18 с выходом следящего привода на холостой режим работы, то есть режим работы при отсутствии сигналов управления в электрогидравлическом усилителе и нагрузки на выходном звене гидродвигателя 28.

В этом положении привод находится в состоянии готовности к отработке сигналов управления, поступающих из внешнего (на чертеже не показан) электронного блока управления. Скорость выхода на холостой режим или время "готовности" привода зависят, в частности, от инерционности вала 2, ротора 4 и других вращающихся частей насоса, инерционности поворотной люльки и находящихся в ней элементов связи с качающими плунжерами 5 насоса, а также от легкости перемещения (трения) плунжера-регулятора 12 и т.д. Уменьшение времени "готовности" до 1 секунды или даже десятых долей секунды для современных быстродействующих следящих приводов представляет актуальную задачу, решаемую в предложенном устройстве за счет снижения инерционности упомянутых выше подвижных частей насоса, уменьшения посадочного зазора плунжера-регулятора 12, при обеспечении полной шарнирной развязки в соединении плунжера-регулятора с люлькой 7 и повышении гидравлической жесткости его подторцевых полостей. Потребляемая следящим приводом мощность от источника питания электродвигателя 1 (на чертеже не показан) определяется в основном расходом жидкости через дроссели 33, 34 и "сопло-заслонку" 32 и перепадом давления между гидролиниями 18 и 38 в зависимости от настройки редукционного клапана 35.

При поступлении из электронного блока управления приводом сигналов управления в двухкаскадный электрогидравлический усилитель из-за смещения заслонки нарушается баланс расходов через дроссели 33, 34 и сопла в элементе "сопло-заслонка" 32, а также давлений в подторцевых камерах золотников 31 и 20. Происходит перемещение этих золотников в направлении, зависящем от полярности сигналов управления, на величину хода, пропорциональную величине сигналов. Перепады давлений уравновешиваются усилиями пружин в подторцевых камерах золотников 31, 20 и перемещение золотников прекращается, при этом кромки буртов золотников открывают пропорциональные ходу золотников щели. Обеспечивается соединение нагнетающей гидролинии 18 с одной из управляющих гидролиний 29 (или 30) и с полостью гидродвигателя 28. При этом противоположная полость гидродвигателя 28 соединяется с гидролинией всасывания 38. Обеспечивается перемещение выходного звена гидродвигателя 28 со скоростью, пропорциональной расходу протекающей через его полости гидрожидкости. Одновременно управляющая гидролиния 29 (или 30) соединяется с межбуртовой полостью 21 золотника 20 и по гидролинии 19 с первой подторцевой полостью плунжера-регулятора 12, в которую начинает поступать гидрожидкость под давлением из нагнетающей гидролинии 18. Перепад давлений в подторцевых полостях плунжера-регулятора 12 уменьшается и под действием пружины 8 люлька 7 насоса поворачивается в направлении упора 9, обеспечивая увеличение производительности насоса в соответствии с необходимым расходом жидкости через полости гидродвигателя 28.

Поворот люльки 7 насоса прекращается при достижении баланса моментов от усилия пружины 8 и усилия на плунжере-регуляторе 12 от перепада давлений между его под торцевыми полостями или между гидролиниями 18 и 19, который пропорционален ходу золотников 31 и 20, то есть сигналу управления, а также величине перепада давления между полостями гидродвигателя 28, то есть и нагрузке на его выходном звене.

Перемещение выходного звена гидродвигателя 28 преобразуется связанным с ним кинематически электрическим датчиком обратной связи (на чертеже не показан) в пропорциональный сигнал обратной связи, поступающий в электронный блок управления приводом. После перемещения выходного звена гидродвигателя 28 на заданный ход в результате обработки сигналов в электронном блоке управления приводом сигнал управления двухкаскадным электрогидравлическим усилителем обнуляется, золотники 31 и 20 под действием пружин в их подторцевых камерах возвращаются в среднее положение, и выходное звено гидродвигателя 28 вместе с присоединенной к нему нагрузкой останавливается в заданном положении.

Режим работы электрогидравлического привода близок к вышеописанному режиму холостого хода с отличием лишь в величине давления в нагнетающей гидролинии 18, которая поддерживается насосом в соответствии с нагрузкой на выходном звене гидродвигателя 28 или перепадом давления между его полостями. На случай, если эта нагрузка превысит максимальную величину, либо при выходе гидродвигателя на упор, так как его ход ограничен, для ограничения повышения давления в гидролинии 18 в приводе предусмотрен ограничитель мощности с золотником 41, прекрывающим поступление гидрожидкости в насос по гидролинии всасывания 38 по мере роста давления в управляющей камере 42, соединенной с гидролинией 18. Производительность насоса уменьшается, одновременно снижается и величина потребляемого приводным электродвигателем 1 тока.

При действии сопутствующей движению выходного звена гидродвигателя 28 нагрузки в связи с изменением знака перепада давления между его полостями изменяются давления в соединенных с ними через золотники 31 и 20 гидролиниях 18, 38 и 19. Изменяется и перепад давления между подторцевыми полостями плунжера-регулятора 12 насоса, который перемещается, поворачивая люльку 7 в сторону упора 9 на уменьшение производительности насоса и снижение токопотребления электродвигателя 1.

Таким образом, преимущество предлагаемого привода состоит в возможности применения в нем двухкаскадного электрогидравлического усилителя, управляемого изолированным от гидрожидкости электромеханическим устройством - преобразователем сигналов уменьшенной мощности. Исключается возможность влияния на его работоспособность попадающих в гидрожидкость ферромагнитных продуктов износа, улучшаются динамические свойства. Другое преимущество заключается в возможности управления золотниками малорасходным регулируемым дросселем "сопло-заслонка" и снижения непроизводительных энергозатрат. Сами золотники, выполненные без внутренних каналов, могут быть минимизированы по размерам и массе, а также по гидродинамическому воздействию протекающего потока гидрожидкости.

Кроме этого, повышению динамических характеристик следящего привода способствует снижение инерционности звеньев-регуляторов примененного в нем малогабаритного регулируемого аксиально-плунжерного насоса.

Исследовательские работы, проведенные с электрогидравлическими следящими приводами, выполненными в соответствии с предлагаемым техническим решением и работающими при частоте вращения вала насоса до 16000 об/мин и более, давлении в гидросистеме до 220 кгс/см², частоте изменения электросигналов управления до 100 Гц, полностью подтвердили вышеуказанные преимущества, что позволяет широко использовать заявленное устройство во многих отраслях машиностроения, связанных с гидравликой.

Электрогидравлический следящий привод, содержащий размещенные в корпусе электродвигатель и соединенные гидролиниями регулируемый аксиально-плунжерный насос с валом и поворотной двухплечей люлькой, подпружиненной с одного конца на угол максимальной производительности и взаимодействующей вторым концом с плунжером-регулятором, компенсационно-поддавливающее устройство с полостью-баком и камерой управления, гидродвигатель, клапан подпитки, ограничитель мощности, редукционный клапан, двухкаскадный электрогидравлический усилитель с регулируемым дросселем "сопло-заслонка" в первом каскаде и подпружиненным золотником второго каскада, соединенным с полостями гидродвигателя, отличающийся тем, что золотник электрогидравлического усилителя соединен с плунжером-регулятором через двухбуртовый двусторонне подпружиненный золотник, выполненный трехлинейным, подторцевые камеры которого соединены с соплами первого каскада и подторцевыми камерами золотника второго каскада, управляющие гидролинии которого, соединенные с полостями гидродвигателя, подведены также на бурты двухбуртового золотника, межбуртовая полость которого соединена с первой подторцевой полостью плунжера-регулятора, соединенного второй полостью с нагнетающей гидролинией насоса и поджатого одним из буртов, образованным проточкой, выполненной посередине плунжера-регулятора, к охватывающему его вильчатому второму концу люльки насоса, при этом в насосе плунжерные башмаки подпружинены со стороны ротора к люльке через бурт вала, выполненный посередине между его опорами, и сепаратор, установленный на сферический торец этого бурта, обращенный к люльке.