ЦИФРОВОЙ УПРАВЛЯЮЩИЙ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ
DIGITAL HYDRAULIC CONTROL VALVE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к программируемым гидроприводам механообрабатывающего оборудования с ЧПУ (числовым программным управлением).
Цифровой управляющий гидрораспределитель предназначен для комплектации прецизионных комплектных цифровых линейных и вращательных гидроприводов с электрической обратной связью, используемых для программного управления перемещением рабочих органов гидрофицированного механообрабатывающего оборудования с ЧПУ, и возможно других гидроприводов в пределах его технической характеристики.
Известны цифровые управляющие гидрораспределители с задающими шаговыми электродвигателями (например, узлы управления Г69-44Б, выпускавшиеся Шилутским заводом «Гидропривод», - см. Свешников В.К. Станочные гидроприводы: справочник. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2008, стр.367).
Недостатком известных гидрораспределителей является невозврат золотника в нейтральную (безопасную) позицию в случае отключения электропитания или аварийной остановки гидропривода. В результате при последующем запуске гидропривода возможны опасные рывки приводимого рабочего органа. Для исключения этого в гидрораспределителе предусматривались специальные системы поиска нейтральной позиции золотника и блокировочные модули (или встроенные в корпус дополнительные золотники), разрешающие соединение с гидродвигателем только после установки золотника в нейтральную позицию. Все это существенно усложняло конструкцию и снижало безопасность гидропривода.
Наиболее близкими к предложенному решению являются дросселирующие гидрораспределители ОАО ММЗ «Рассвет» мод. СГ5.20-40 (Электрогидравлический усилитель мощности СГ5.000. Руководство по эксплуатации. М., 2008 г.), содержащие сухой моментный мотор с аналоговым входным сигналом в качестве задающего электрического устройства и позиционный датчик обратной связи, расположенный соосно с золотником. При этом возврат золотника в нейтральную позицию в случае отключения моментного мотора реализуется встроенными в мотор магнитами, а для согласования нулевых позиций мотора и четырехкромочного золотника служит регулировочный винт, смещающий в осевом направлении подпружиненную гильзу.
Недостатками такого решения является аналоговый принцип управления, необходимость применения специального моментного мотора, сложность конструкции, пониженная надежность возвратных магнитов, а также значительные осевые размеры золотниковой пары из-за наличия резиновых уплотнительных колец на каждом наружном пояске подвижной гильзы и заходных фасок во всех расточках корпуса. Расположение регулировочного винта со стороны стыковой плоскости аппарата исключает возможность изменения осевого положения гильзы в процессе работы гидропривода, а размещение датчика обратной связи соосно с золотником существенно увеличивает общий осевой габарит устройства. Значительные размеры установленного сверху моментного мотора не позволяют обеспечить нормального закрепления аппарата, имеющего стыковую поверхность по ISO 4401 (головки крепежных винтов размещены в боковых пазах корпуса, что не позволяет устанавливать несколько аппаратов на общей монтажной плите).
Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности и обеспечение условий безопасности гидроприводов с электрической обратной связью.
Поставленная задача решается тем, что в цифровом управляющем гидрораспределителе с корпусом, гильзой, золотником, боковыми крышками (или пробками), задающим электрическим устройством поворотного типа, установленным перпендикулярно к оси золотника и связанным с ним через эксцентрик, устройством контроля перемещения золотника, а также механизмом возврата золотника в нейтральную позицию при отключении задающего электрического устройства, в качестве задающего электрического устройства использован цифровой шаговый электродвигатель, а механизм возврата золотника в нейтральную позицию содержит предварительно сжатую центрирующую пружину, расположенную в резьбовой втулке задней боковой крышки и удерживаемую стопорным кольцом между двумя шайбами, через центральные отверстия которых проходит тянущий винт, ввернутый в резьбовое отверстие золотника и защищенный от самопроизвольного поворота фрикционным кольцом, расположенным в канавке винта и взаимодействующим с цилиндрическим заходным участком резьбового отверстия золотника. Кроме того, для реализации обратной связи устройство контроля перемещения золотника может быть выполнено в виде встроенного в цифровой шаговый электродвигатель энкодера.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного технического решения, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными или эквивалентными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из выявленных аналогов прототип (как наиболее близкий по совокупности признаков аналог) позволил выявить совокупность существенных отличительных признаков в заявленном объекте изобретения, изложенных в формуле.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного технического решения требованию условия патентоспособности «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных из уровня техники сходных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения, результаты которого показывают, что заявленное техническое решение не следует (для специалиста) явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного технического решения преобразований на достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами.
На фиг.1 показан цифровой управляющий гидрораспределитель, содержащий корпус 1, гильзу 2, золотник 3, переднюю 4 и заднюю 5 боковые крышки, задающий цифровой шаговый электродвигатель 6, предварительно сжатую центрирующую пружину 7 с двумя шайбами 8 и 9, тянущим винтом 10 и стопорным кольцом 11. Шаговый электродвигатель 6 расположен в передней боковой крышке 4 перпендикулярно к оси золотника 3 и имеет на своем валу манжету 12 и эксцентрик 13, который через шарикоподшипник 14 взаимодействует с торцовыми поверхностями кольцевой канавки 15, выполненной на золотнике, а угол поворота эксцентрика 13 ограничен фиксатором 16, входящим в фасонный паз на наружной поверхности эксцентрика. Механизм возврата золотника в нейтральную позицию содержит предварительно сжатую центрирующую пружину 7, расположенную в расточке резьбовой втулки 17 задней крышки 5 и удерживаемую стопорным кольцом 11 между двумя шайбами 8 и 9. Через центральные отверстия шайб проходит тянущий винт 10, ввернутый в резьбовое отверстие золотника 3, причем для защиты от самопроизвольного поворота винта предусмотрено фрикционное кольцо 18, расположенное в канавке винта и взаимодействующее с цилиндрическим заходным участком резьбового отверстия золотника. Поворот золотника в гильзе исключается специальным штифтом, входящим в паз шайбы 19, напрессованной на золотник. Для наладочного управления аппаратом предусмотрен маховичок 23, закрепленный на заднем валу шагового электродвигателя.
Работает цифровой управляющий гидрораспределитель следующим образом. Входной импульсный электрический сигнал, поступающий от системы ЧПУ механообрабатывающего оборудования на цифровой шаговый электродвигатель 6, вызывает поворот его вала на угол, определяемый числом поданных импульсов. Вместе с валом поворачивается эксцентрик 13, и через шарикоподшипник 14 и торцовые поверхности канавки 15 перемещает в осевом направлении золотник 3, сжимая пружину 7. Направление смещения определяется направлением поворота вала шагового электродвигателя. При смещении влево пружина 7 сжимается шайбой 8, а при смещении вправо - шайбой 9, причем люфт между золотником и пружиной устраняется за счет соответствующей регулировки тянущего винта 10, а самопроизвольный поворот винта исключается за счет сил трения в фрикционном кольце 18. В аварийной ситуации отключается шаговый электродвигатель, развиваемый им крутящий момент падает, и пружина 7 устанавливает золотник 3 в нейтральную (безопасную) позицию.
Следует иметь в виду, что этот возврат возможен лишь при ограниченном угле поворота шагового электродвигателя (например,±45°). Для ограничения возможного угла поворота служит фиксатор 16, входящий в фасонный паз, выполненный на наружной цилиндрической поверхности эксцентрика 13. Учитывая, что современные шаговые электродвигатели допускают деление шага (до 3200 импульсов и более на 1 оборот), угол поворота 45° соответствует как минимум 400 поданным импульсам, что вполне достаточно для высококачественного управления гидрораспределителем. Компенсатор 20 позволяет обеспечить требуемое согласование нейтральной позиции золотника 3 и эксцентрика без разборки узла, а пробка 21 - проверить и при необходимости устранить возможный люфт в соединении золотника с центрирующей пружиной.
При работе аппарата с гидроцилиндрами, имеющими равные площади поршневой и штоковой камер, в нейтральной позиции золотника давления в линиях А и В подключения гидродвигателя должны быть одинаковыми, однако для остановки дифференциальных цилиндров может потребоваться некоторая разность давлений. Эти нюансы могут обеспечиваться путем некоторого доворота втулки 17 с ее последующей фиксацией стопором 22.
Точность работы системы управления может быть существенно повышена путем применения серийно выпускаемого шагового электродвигателя с энкодером.
Внедрение цифровой электроники (шаговых электродвигателей) по сравнению с аналоговой, примененной в прототипе, позволяет повысить надежность; существенно уменьшить гистерезис, повысить быстродействие, линейность и устойчивость; обеспечить простую настройку параметров (множителя, коэффициента, рампы и др.) при помощи программного обеспечения; получить новые возможности настройки таких параметров, как компенсация нелинейности, динамика или безопасность в аварийных режимах; качественно улучшить диагностику (сигнализация, отказ, наблюдение) и поддержку компьютерных систем обслуживания оборудования; обеспечить совместимость с современным шинным сетевым интерфейсом, в том числе CANopen; дать возможность совмещенного управления давлением-подачей насоса и гидроаппаратуры.