4. Гидравлические усилители

Гидравлические усилители служат для усиления сигналов по мощности в гидравлических и электрогидравлических системах автоматического регулирования. Все гидравлические усилители можно разделить на два класса: дроссельные и струйные.

Дроссельные усилители. Уси­лители этого класса обладают большой выходной мощностью и

высоким быстродействием. В системах автоматического регулиро­вания применяют дроссельные усилители одностороннего и дву­стороннего действия; последние, как правило, характеризуются более высоким быстродействием. Для повышения выходной мощности применяют двухкаскадное включение дроссельных усилителей.

Рассмотрим две схемы дроссельных усилителей (рис. V.10, а, б), где на выходе давления рабочей жидкости р_г изменяются в зависимости от пере­мещения у дросселя 1 (рис. V.10, а) или заслонки 2 (рис. V.10, б). Расход рабочей жидкости через дроссель или сопло, дросселируемое управляемой заслонкой 2, определяется зависимостью

(V.42)

где — коэффициент расхода жидкости; F₂ — проходное сечение дросселя или сопла; g — ускорение свободного падения; у — плотность жидкости; р₂ — давление в полости между дросселями; — давление за дросселем или соплом.

Расход рабочей жидкости через входное сечение F\ трубопровода опре­деляется по формуле

(V.43)

где Рх — давление жидкости на входе в трубопровод; а_г — коэффициент расхода.

В установившемся состоянии Q₁=Q₂. При этом условии из уравне­ний (VI.42), (VI.43) (при истечении рабочей жидкости в атмосферу) можно определить

(V.44)

Будем считать, что

(V.45)

тогда из уравнений (V.44) и (V.45) найдем

(V.46)

Таким образом, получим зависимость

(V.47)

или

(V.48)

На рис. V.10, e построена зависимость (V.48) при двух значениях p₁^’ и р₁^’’.

Рис. V.10. Дроссельные усилители: а —-с золотником; 6 — с соплом-заслонкой; е — ха­рактеристика усилителя типа сопло-заслонка

Рис. V.11. Дроссельный усилитель с переменным сечением:

а — схема дросселя; б – конструкция конического сопла

Рассмотрим схему гидравли­ческого двухкаскадного усилителя типа сопло-заслонка, схема кото­рого изображена на рис. V.11.

Усилитель состоит из двух дросселей: дросселя 1 с постоян­ным гидравлическим сопротивле­нием и дросселя 2 с переменным гидравлическим сопротивлением, изменяющимся при смещении за­слонки 3 относительно сопла дрос­селя 2.

Рабочая жидкость под посто­янным давлением р₁ подается на­сосом в усилитель через дроссель 1 и дроссель 2 на слив. В зависи­мости от положения заслонки 3 между дросселями устанавливается давле­ние р₂, которое распространяется под поршень 6 сервомотора. Поршень будет перемещаться до тех пор, пока не установится равновесие между силой упругости пружины 5, расположенной в цилиндре 4 сервомотора, и силой давления рабочей среды на поршень. Здесь имеет место аналогия с проточным золотником. Сохраняя принятые выше обозначения, можно вывести следующую формулу для давления под поршнем:

(V.49)

где — отношение площадей проходных сечений у переменного и постоянного дросселей.

Таким образом, давление р₂ под поршнем в пределах зоны регулиро­вания изменяется от p_min до p₁ Нижний предел давления определяют по формуле

(V.50)

где S_o — сила упругости пружины при верхнем положении поршня, т. е. h = 0; R — сила давления рабочей жидкости на поршень.

Из условия неразрывности струи рабочей жидкости, если пренебречь ма'ссой поршня, найдем, что .

На рис. V.11, б показано коническое сопло, которое при увеличении зазора между соплом и заслонкой от 0 до 0,2 мм уменьшает избыточное дав­ление перед дросселем от Па до нуля.

Теоретическую максимальную выходную мощность дроссельного усили­теля легко можно определить при условии p_min = р₀:

(V.51)

где — тангенциальная составляющая скорости перемещения поршня; с₀ — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент усиления по мощности дроссельного усилителя достигает величины порядка 10⁶.

Конструктивное выполнение дроссельных усилителей весьма разнооб­разное. Дроссели могут иметь форму задвижек или заслонок (поступатель­ных, поворотных), сопл с заслонками, дроссельных игл и др., а также могут иметь два каскада усиления.

Одна из схем двухкаскадного дроссельного усилителя типа сопло — заслонка показана на рис. V.12.

Рис. V.12. Схема гидравлического двухкаскад-ного усилителя типа сопло-заслонка: 1— сопло первого каскада усиления; 2 — заслонка первого каскада усиления; 3 — сильфон; 4 — сопло второго каскада; 5 — заслонка вто­рого каскада

Рис. V.13. Цилиндрический золот­ник: а — схема золотника; б —■ характери стика золотника Q = [ (х)

Существуют дроссельные гидравлические усилители с золотниковыми устройствами. Схема подобного рода гидравлического усилителя показана на рис. V.13, а. Характеристика изменения массового расхода жидкости в зависимости от осевого расстояния между рабочими кромками плунжера и золотника показана на рис. V.13, б. Вследствие сложности учета реальных физических процессов, происходящих в жидкости при ее протекании через узкие окна золотника, при расчетах пользуются упрощенными аналитиче­скими выражениями, коэффициенты которых выбирают по эксперименталь­ным данным. На основе этих усилителей создают гидравлические серводви­гатели (см. гл. VII).

Струйные гидравлические усилители. Основным элементом гидравличе­ского усилителя данного типа (рис. V.14, а) является струйная трубка, состоящая из поворотной трубки 3, приемника 4 с двумя соплами, элемента 2, на который воздействует чувствительный элемент. Струйные трубки обычно снабжаются противовесом 1, который предназначен для компенсации влияния массы трубки на ее отклонение под дей­ствием чувствительного элемента. Ма­сло под давлением р поступает в труб­ку 3 через маслопровод 5.

Сопло струйной трубки может быть выполнено либо по эскизу І, либо по эскизу ІІ, приведенным на рис. V. 14, б. В первом случае кромки каналов при­емного сопла сходятся вместе; во вто­ром случае расстояние между этими кромками составляет величину, равную размеру е струйной трубки.

Для сопла, выполненного по эски­зу І, по мере смещения струйной трубки влево давление в правом канале сопла будет падать, а в левом возрастать. При смене направления смещения изме­нение давления в каналах приемного сопла будет происходить в обратном порядке. Для сопла, выполненного по эскизу ІІ, при отклонении влево струй­ной трубки давление в левом канале возрастает с увеличением отклонения, а в правом канале остается постоянным и рав­ным давлению в камере струйной трубки.

Рис. V.14. Струйная трубка с приемным соплом:

а — общий вид струйной трубки; б – схемы приемных сопл

Рис. V.15. Схема корректорного устройства струйной трубки

При отклонении вправо роли каналов меняются. В большинстве случаев предпочитают выпол­нять переменное сопле по І эскизу, так как эта схема не имеет зоны нечувствительности. Изготовление приемного сопла по ІІ схеме значительно сложнее.

Рабочей жидкостью обычно служит чистое масло, подаваемое насосом под давлением (0,408—0,816) 10^-4 Па. Расход масла через струйную трубку при ее нормальных размерах составляет 5—10 л/мин. Максимальное откло­нение конца струйной трубки обычно состав­ляет 1—2 мм.

На струйную трубку действуют усилия от чувствительного элемента и от противодей­ствующей пружины. Для изменения соотноше­ния между этими усилиями, т. е. для обеспе­чения возможности настройки, в ряде случаев

усилия на трубку подают не непосредственно, а через так называемое корректорное устройство. Последнее схематично показано на рис. V.15. Как видно из рисунка, корректорное устройство состоит из промежуточных подвесок 2 и 7, вращающихся около опор 3 и 6, и корректорных роликов 1 и 8, положение которых по длине трубки может быть в некоторых преде­лах изменено за счет смещения опор 4 и 5. Усилия р₁ и p₂ от чувствительного элемента и пружины, приложенные к подвескам 2 и 7, образуют усилия и , которые непосредственно передаются трубке.

Точный теоретический расчет струйных трубок сложен. Для упрощения расчета сделаем следующие допущения:

1) расход Q рабочей жидкости через струйную трубку имеет постоянное значение, не зависящее от положения трубки;

2) расход Q распределяется между правым и левым каналами сопла без потерь, т. е.

, (V.52)

где и — количество жидкости, попадающее в правый и левый каналы соответственно;

3) весь скоростной напор жидкости в канале сопла превращается в дав­ление без потерь;

4) толщиной стенок трубки можно пренебречь;

5) количество жидкости, попадающее из трубки в каждый из каналов, определяется по закону пропорциональности:

(V.53)

где h — отклонение конца трубки от среднего положения, причем h 0,5e; е — размер выходного отверстия трубки в плоскости отклонения.

В формуле (V.53) знак плюс соответствует отклонению в одну сторону, а знак минус в другую.

Обозначим отношение ,причем ε < 1; тогда

(V.54)

Пусть входное сечение сопла будет F_c. Рассмотрим отклонение струй­ной трубки. Входная скорость рабочей жидкости в одном канале

(V.55)

в другом канале

(V.56)

Считая, что скоростной напор струи полностью превращается в давле­ние, найдем, согласно известному в гидравлике уравнению Бернулли, что давление в первом канале

тогда во втором канале

где р₀ — давление в камере струйной трубки; — плотность рабочей жид­кости.

Разность давлений в каналах сопла

(V.57)

Наибольшая разность получается при ε= 1, т. е.

Таким образом, в идеальных условиях разность давлений в каналах сопла линейно зависит от смещения струйной трубки. В реальных условиях эта зависимость точно не соблюдается. На рис. V.16 приведена кривая за­висимости от относительного смещения е для некоторого типа струйной трубки, а на рис. V.17 — кривая отношения разности расходов в каналах сопла к общему расходу Q жидкости через трубку в зависимости от линейного смещения струйной трубки. Наибольшая разность давле­ний р₁—р₂ в реальных условиях на 8—15% меньше теоретических значений вследствие потерь давления.

Рис. V.16. Зависимость разности давлений в каналах приемного сопла от относительного смещения струйной трубки

Рис. V.17. Зависимость разности расходов жидкости в каналах сопла от линейного смещения струйной трубки

Рис. V.18. Схема двухкаскадного гидравлического усилителя с отсле­живающим золотником

Теоретическая максимальная выходная мощность струйных усилителей определяется выражением

(V.59).

С помощью струйных трубок можно по­лучить коэффициент усиления в гидравли­ческих усилителях по мощности до 10³. В гидравлических устройствах управления применяют и двухкаскадные струйные уси­лители с отслеживающим золотником. Схема такого усилителя изображена на рис. V.18.

Рис. V.18. Схема двухкаскадного Из рисунка видно, что усилитель состоит

из двух устройств — струйной трубки 2 и отсечного золотника 4. Сигнал от чувстви­тельного элемента через рычаг 1 действует

на струйную трубку 2, приемное сопло 3 которой выполнено в форме

вспомогательного поршня. При отклонении струйной трубки происходит

также сдвиг поршня 3 и связанного с ним золотника 4.

Двухкаскадные усилители мощности со струйными трубками имеют

коэффициент усиления по мощности до 10⁴.