zaharov

3.1. Электрогидравлические усилители

103

По способу обеспечения пропорциональности между перемещением ведомого звена гидродвигателя и сигналом управления гидроусилители принято делить на гидроусилители без обратной связи (по положению), с кинематической, гидромеханической и силовой обратной связью по положению (ведомого звена гидродвигателя). В усилителях без обратной связи отсутствует кинематическая или какая-нибудь иная связь распределительного золотника с рабочим элементом управляющего дросселя.

Гидроусилители без обратной связи. Схема гидроусилителя без обратной связи приведена на рис. 3.1. Он состоит из дросселирующего гидрораспределителя 1, обеспечивающего пропорциональную связь между перемещением его управляющего элемента и перепадом давления в междроссельных камерах гидроцилиндра 3 и возвратных пружин 2. В качестве дросселирующего гидрораспределителя здесь можно использовать двухили четырехщелевой агрегат сопло – заслонка, гидрораспределитель со струйной трубкой или его разновидности, а также четырехщелевой золотниковый дросселирующий гидрораспределитель с отрицательным перекрытием (с протоком), как это показано на рис. 3.1. При перемещении управляющего элемента распределителя 1 из нейтрали изменяется перепад давления в рабочих полостях гидроцилиндра 3, его шток смещается из нейтрали до тех пор, пока сила сжатия пружин 2 не уравновесит силу, обусловленную перепадом давления.

К недостаткам таких гидроусилителей относят постоянный непроизводительный расход жидкости, увеличенную постоянную времени за счет сжимаемости жидкости и чувствительность к внешней нагрузке, в том числе к контактному трению. Однако простота конструкции гидроусилителя без обратной связи и простота его настройки в сочетании с двухщелевым дросселирующим гидрораспределителем сопло – за-

слонка долгое

время

способствовали

его широкому применению в электро-

1

гидравлических

следящих приводах.

хупр

Кроме того, гидроусилители без обрат-

ной связи могут применяться в качест-

2

ве предварительного каскада усиления

3

у

в системах управления, где между опе-

ратором и гидроцилиндром трудно или

неудобно осуществить

механические

Рис. 3.1. Схема гидроусилителя

виды проводки.	без обратной связи

104	Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Гидроусилители с кинематической обратной связью. На рис. 3.2, а показан гидроусилитель с кинематической обратной связью. Он состоит из дросселирующего гидрораспределителя 1, рычага 2 и гидроцилиндра 3. В качестве дросселирующего гидрораспределителя здесь может применяться распределитель любого типа, в том числе и золотникового с нулевым или небольшим положительным перекрытием. Последний выгодно отличается от проточных малыми утечками.

	хупр	1
º1
º2		2
		3

у

	1	2
	хупр
1
l
		3
2		у
l	4

а							б

Рис. 3.2. Схемы гидроусилителей с кинематической обратной связью по положению

Если верхний конец рычага 2 сместить относительно нейтрального положения, то сместится и управляющий элемент дросселирующего гидрораспределителя 1, что приведет в движение шток гидроцилиндра 3. Последний, увлекая за собой нижний конец рычага 2, будет возвращать управляющий элемент распределителя 1 в нейтральное положение, что приведет к останову штока в новом положении, зависящем от величины перемещения верхнего конца рычага.

Схема другого гидроусилителя с кинематической обратной связью приведена на рис. 3.2, б. Дросселирующий гидрораспределитель состоит из управляющего элемента 1 (в данном случае золотника) и основания распределителя 2 (в данном случае гильзы), рычага обратной связи 4 и гидроцилиндра 3.

Сигнал управления, т. е. перемещение золотника относительно гильзы, приводит в движение шток гидроцилиндра, который через рычаг обратной связи перемещает гильзу, уменьшая рассогласование между гильзой и золотником.

Частным случаем приведенного на рис. 3.2, б гидроусилителя является гидроусилитель с единичной обратной связью (kyx = 1, l1 = l2).

3.1. Электрогидравлические усилители

105

В таких гидроусилителях обычно рычаг обратной связи отсутствует, а вместо этого основание дросселирующего гидрораспределителя жестко крепится или на штоке при неподвижном цилиндре, или на цилиндре при неподвижном штоке.

Достоинством таких гидроусилителей являются малые утечки при всех установившихся значениях сигнала управления при применении в качестве распределителя золотникового дросселирующего гидрораспределителя с небольшим положительным осевым перекрытием. Благодаря также применению золотникового распределителя он обладает повышенной жесткостью к внешним нагрузкам на гидродвигателе.

Гидроусилители с гидромеханической обратной связью. Схе-

ма гидроусилителя с гидромеханической обратной связью по положению показана на рис. 3.3. Он состоит из двух двухщелевых дросселирующих гидрораспределителей проточного типа: 1 – в цепи управления, 3 – в цепи обратной связи жестко через рычаг 4 обратной связи связан с гидроцилиндром 2. Рабочие окна обоих двухщелевых дросселирующих гидрораспределителей соответственно соединены гидролиниями и образуют две междроссельных камеры, к которым подсоединены рабочие полости гидроцилиндра.

Когда все подвижные элементы гидроусилителя находятся в нейтральном положении, то давления в рабочих полостях гидроцилиндра равны. При смещении управляющего элемента распределителя 1 из нейтрали появляется разность давлений и шток гидроцилиндра 2 начи-

нает двигаться. При этом через рычаг 4

обратной связи его движение переда-

хупр

ется управляющему элементу распре-

делителя 3 обратной связи. Гидравли-

1

ческое сопротивление рабочих окон

распределителя изменяется. Уменьша-

2

у

ется при этом и перепад давления в

º1

полостях гидроцилиндра. Он

станет

3

равным нулю, как только гидравличе-

º2

4

ские сопротивления соответствующих

рабочих окон распределителей 1 и 3

сравняются, и шток гидроцилиндра 2

остановится.

Рис. 3.3. Схема гидроусилителя

Достоинством гидроусилителей с

с гидромеханической обратной

гидромеханической обратной

связью

связью по положению

106	Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

по положению, построенных по схеме рис. 3.3, является возможность размещения задающего гидрораспределителя на значительном расстоянии от гидродвигателя, так как в этом случае не требуется прокладывать механические связи в виде рычагов и тросов. Это позволяет облегчить компоновку гидрооборудования. Однако значительный непроизводительный расход и чувствительность к нагрузке, в том числе и к силам контактного трения, ограничивают применение таких гидроусилителей. Их используют в сочетании с гидрораспределителями проточного типа, например сопло – заслонка в электрогидравлических усилителях, а также в ряде систем ручного управления в качестве предварительного каскада усиления.

В гидроусилителях с силовой обратной связью по положению

входным сигналом является усилие, которое воспринимается управляющим элементом дросселирующего гидрораспределителя.

Основным достоинством гидроусилителей с силовой обратной связью является то, что управляющее усилие может быть использовано в качестве управляющего сигнала без каких-либо дополнительных преобразований. Такой вид сигнала управления обеспечивают все без исключения электромеханические преобразователи. Поэтому гидроусилители с силовой обратной связью широко применяются в конструкциях электрогидравлических усилителей с гидрораспределителями типа сопло – заслонка или с гидрораспределителями со струйной трубкой.

Электрогидравлические усилители мощности. Электрогид-

равлический усилитель без обратной связи приведен на рис. 3.4. Усилитель состоит из управляющей заслонки 1, двух сопел 2, двух

постоянных дросселей 3 и распределительного золотника 4, поджатого с двух сторон возвратными пружинами 5.

При среднем положении управляющей заслонки давления в рабочих камерах 6 одинаковы и их величина определяется соотношением гидравлических сопротивлений в постоянных 3 и переменных 2 дросселях. При подаче сигнала управления на обмотки электромеханического преобразователя 7 заслонка 1 отклоняется. При этом изменяются соотношения проходных сечений рабочих окон гидроусилителя (зазоров между соплами и заслонкой), одновременно изменяются давления в камерах 6: в одной увеличивается, а в другой уменьшается. Перепад давлений, создаваемый на торцах распределительного золотника, пе-

3.1. Электрогидравлические усилители

107

ремещает его на расстояние, определяемое суммарной жесткостью пружин 5.

7

1 2

3

4

5

6

Р

Н

Рис. 3.4. Схема двухщелевого гидроусилителя без обратной связи

Введение обратной связи по положению уменьшает чувствительность электрогидроусилителя к нагрузкам, действующим на выходной элемент, и увеличивает быстродействие благодаря исключению постоянной времени, обусловленной сжимаемостью жидкости. Электрогидравлические усилители с обратной связью по положению подразделяются по виду применяемого гидроусилителя на усилители с кинематической, гидромеханической и силовой обратной связью по положению.

Электрогидроусилители с гидромеханической обратной свя-

зью по положению. Схема одного из таких электрогидроусилителей показана на рис. 3.5. Она включает: электромеханический преобразователь 1; гидрораспределитель сопло – заслонка, состоящий из четырех сопл 3, 6, 9 и 11 и двух заслонок 2 и 4; золотниковый дросселирующий гидрораспределитель 8; рычаг 7 обратной связи. Все элементы элект-

	108	Глава 3.	ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
				рогидроусилителя			смонтированы			в
		1		корпусе	12. Конструкция содержит
	12			также технологические заглушки 5 и
		2		10 для установки манометров во вре-
	11	3
				мя настройки электрогидроусилителя.
	10	4
			5	Когда ток управления в обмотках
			6	преобразователя			1 отсутствует,			все
			7	подвижные		элементы		электрогидро-
	9		8	усилителя		находятся в		нейтральном
				положении. При этом гидравлические
				сопротивления соответствующих пар
				регулируемых дросселей сопло – за-
	Рис. 3.5. Схема двухкаскадного			слонка	равны.		При	подаче	тока
				управления заслонка 2 под действием
	электрогидравлического усили-
				электромагнитных сил смещается из
	теля мощности с гидромехани-
				нейтрали, изменяются соответственно
	ческой обратной связью по по-
				гидравлические сопротивления сопл 3
		ложению
				и 11, а золотник гидрораспределителя
	8 начинает двигаться. При этом золотник увлекает за собой нижний
	конец рычага 7 обратной связи, заслонка 4 смещается из нейтрали на
	величину, пропорциональную смещению золотника гидрораспредели-
	теля 8, изменяя соответственно гидравлическое сопротивление сопл 6
	и 9. Как только отношения гидравлических сопротивлений сопл 3 и 6,
	а также 11 и 9 станут равны, золотник распределителя 8 остановится.
	Таким образом, положение золотника гидрораспределителя 8 опреде-
	ляется положением заслонки 2, следовательно, величиной тока в об-
	мотках управления электромеханического преобразователя.
	Анализ структурной схемы показывает, что такой электрогидро-
	усилитель содержит два последовательно соединенных динамических
	звена. Поэтому всякое изменение характеристик любого из этих звень-
	ев отразится на регулировочных характеристиках всего электрогидро-
	усилителя так же, как в двухкаскадном электрогидроусилителе без об-
	ратной связи. Как и в электрогидроусилителях без обратной связи, к
	элементам электрогидроусилителя с гидромеханической обратной свя-
	зью предъявляются жесткие требования по линейности их статических
	характеристик. Оба этих электрогидроусилителя имеют еще один не-
	достаток, заключающийся в том, что при подаче малых величин токов
	управления заслонка смещается на малые величины. Это приводит к

3.1. Электрогидравлические усилители									109
появлению малых перестановочных усилий на золотнике, что обуслов-
лено невысокой крутизной перепадной характеристики гидрораспреде-
лителя сопло – заслонка. Поэтому небольшое увеличение контактного
трения в золотнике приведет к появлению значительной зоны нечувст-
вительности в статической характеристике электрогидравлического
усилителя.
Электрогидравлические усилители с силовой обратной связью
по положению. Недостатки электрогидроусилителей с гидромехани-
ческой обратной связью по положе-
нию	и	двухкаскадных			электро-			1
гидроусилителей без обратной связи
						12		2
по положению отсутствуют					у элек-
						11		3
трогидроусилителей с силовой обрат-
						10		4	5
ной связью по положению (рис. 3.6).
На		корпусе	12	монтируются		9			6
основные элементы:				электромехани-
ческий преобразователь 1; гидрорас-									7
пределитель сопло – заслонка, со-									8
стоящий из сопл 3 и 11, заслонки 2
и постоянных дросселей 6 и 9; золот-
никовый дросселирующий гидрорас-
пределитель, состоящий из золотни-						Рис. 3.6. Схема двухкаскадного
ка 7 и гильзы 8. На торце заслонки 2						электрогидравлического		усили-
жестко закреплена плоская консоль-						теля мощности с силовой обрат-
ная пружина 4. На ее свободном						ной связью по положению
конце	закреплена		сфера,		которая
с малым зазором 2...5 мкм размещается в кольцевой проточке золотни-
ка 7. Технологические заглушки 5 и 10 служат для подключения мано-
метров во время настройки электрогидроусилителя.
При подаче тока в обмотки управления							электромеханического
преобразователя 1 заслонка 2, преодолевая жесткость пружины 4 об-
ратной связи, смещается из нейтрального положения. Это приводит в
движение золотник 7, который, увлекая за собой нижний конец пру-
жины 4 обратной связи, создает момент на валу преобразователя, про-
порциональный величине его смещения из нейтрали. Этот момент
складывается с моментом сил, обусловленным током управления. Как
только эти моменты сравняются, заслонка 2 возвратится в нейтральное
положение и золотник 7 остановится.

110	Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Таким образом, положение золотника электрогидроусилителя определяется только моментом электромагнитных сил, обусловленных величиной тока в обмотках управления преобразователя.

Исключить влияние отрицательной обратной связи по давлению нагрузки в исполнительных гидролиниях первого каскада гидравлического усилителя можно, применив вместо гидрораспределителя сопло – заслонка гидрораспределитель со струйной трубкой. Широкое распространение получают двухкаскадные электрогидроусилители с силовой обратной связью по положению, в которых в качестве первого каскада гидравлического усиления используются гидрораспределители со струйной трубкой и струйные гидрораспределители с механическим отклонением струи.

Гидрораспределитель со струйной трубкой не только исключает вредное влияние отрицательной обратной связи, но и позволяет решить проблему дрейфа нуля при изменении температуры рабочей жидкости.

Дрейф нуля при изменении температуры рабочей жидкости в гидрораспределителях сопло – заслонка обусловлен неравномерным изменением коэффициента расхода его гидродросселей при изменении режима течения, так как гидродроссели, изготовленные даже в одинаковых условиях, имеют различную микрогеометрию из-за влияния допусков и разную микрошероховатость поверхностей дросселирующих отверстий и каналов. Уменьшению влияния температуры рабочей жидкости на уход нуля в гидрораспределителях сопло – заслонка способствуют высокая точность изготовления и селективный подбор их элементов после экспериментального определения проливочных характеристик в различных температурных условиях. Для гидрораспределителей со струйной трубкой эта задача решается проще, поскольку стабильность нуля их характеристик заложена в принципе их действия.

Общим недостатком рассмотренных электрогидроусилителей является снижение скорости золотника с появлением сил, препятствующих его движению, что объясняется дроссельным эффектом. Дроссельный эффект заключается в изменении расхода в исполнительных гидролиниях распределителя при изменении давления нагрузки. Это явление при увеличении сил, препятствующих движению золотника, уменьшает его скорость, что снижает быстродействие электрогидроусилителя.

В электрогидроусилителях, предназначенных для управления мощными потоками рабочей жидкости, воздействие сил на золотник

3.1. Электрогидравлические усилители

111

оказывается существенным. Для уменьшения их влияния обычно идут на увеличение каскадов гидравлического усиления до трех, если не удается снизить их величину за счет конструктивных мер. Это усложняет конструкцию электрогидроусилителей, увеличивает стоимость и сложность регулировки.

Электрогидроусилитель с силовой обратной связью по положению и дополнительной положительной обратной связью по давлению нагрузки на управляющем элементе второго каскада.

На рис. 3.7 приведена схема электрогидроусилителя, в корпусе 8 которого размещены: электромеханический преобразователь 1 с заслонкой 2 и пружиной 4 обратной связи, сопла 3 и 9, постоянные дроссели 5 и 6 и гидроцилиндр 7. Его особенность заключается в том, что давление напора подводится не как обычно, а со стороны заслонки. Жидкость сначала попадает через зазор между соплами и заслонкой в междроссельные камеры гидроусилителя, а потом через постоянные дроссели – на слив. В результате появляется положительная обратная связь по

давлению нагрузки на ведомом звене

гидроусилителя. Эта обратная связь

при повышении нагрузки увеличивает

1

смещение заслонки и создает в испол-

2

нительных линиях гидрораспределите-

ля перепад давления, преодолевающий

9

3

эту нагрузку.

4

Электрогидравлические

усили-

тели мощности с обратной связью

х

по расходу. Электрогидроусилители с

обратной связью по расходу предна-

значены для преобразования электри-

8

ческого сигнала управления в пропор-

циональный и усиленный по мощности

7

6

5

расход рабочей жидкости в исполни-

тельных гидролиниях, величина кото-

Рис. 3.7. Схема однокаскадного

рого не зависит от давления нагрузки.

электрогидравлического

уси-

Анализ обобщенных статических

лителя

мощности с силовой

характеристик

золотниковых

дроссе-

обратной связью по положе-

лирующих гидрораспределителей по-

нию и

дополнительной

поло-

жительной

обратной

свя-

казывает, что с ростом давления на-

зью

по давлению

грузки расход

в исполнительных

	112		Глава 3.	ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
	гидролиниях уменьшается. Чтобы обеспечить пропорциональность
	этого расхода электрическому сигналу управления и его независимость
	от давления нагрузки, электрогидроусилители снабжают специальны-
	ми гидромеханическими датчиками расхода, которые сравнивают рас-
	ход в исполнительных гидролиниях с сигналом управления и пропор-
	ционально сигналу рассогласования смещают золотник на величину,
	компенсирующую отличие расхода от заданного.
	На рис. 3.8 в качестве примера приведена схема двухкаскадного
	электрогидроусилителя с обратной связью по расходу. Он содержит
	электромеханический преобразователь 1; гидрораспределитель сопло –
	заслонка, состоящий из заслонки 2, сопл 3 и 13, постоянных дросселей
	7 и 10; золотниковый дросселирующий гидрораспределитель 8 и дат-
	чик расхода, состоящий из плунжера 4 с двумя рабочими окнами, цен-
	трирующих пружин 5 и 12 и пружин 6 и 11 обратной связи. Все эле-
	менты электрогидроусилителя смонтированы в корпусе 9.
	При подаче тока управления в обмотки электромеханического пре-
	образователя 1 на его валу появляется электромагнитный момент сил,
	который смещает заслонку 2 из нейтрального положения. В результате
					изменения гидравлического сопро-
					тивления регулируемых дросселей
			1	2	сопло – заслонка золотник распре-
				3	делителя 8 начинает перемещаться
					из нейтрального положения со ско-
	13			4	ростью, пропорциональной смеще-
				5	нию заслонки 2. В результате сме-
	12				щения золотника распределителя 8
	11			6	в	исполнительных		гидролиниях
					последнего появляется поток, кото-
	10			7	рый, проходя через гидродвигатель,
					например, попадает к сливным ра-
	9				бочим окнам этого распределителя,
					а затем к торцу плунжера 4 датчика
				8
					расхода. На торцах датчика расхода
					появляется перепад давления, ко-
	Рис. 3.8. Схема		двухкаскадного		торый, преодолевая сопротивление
					центрирующих пружин 5 и 12, пе-
	электрогидравлического усилителя
					ремещает плунжер 4 из нейтрали.
	мощности	с	обратной
					Прямоугольность		рабочих		окон
	зью	по расходу