ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД С МАШИННО-ДРОССЕЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ К НАГРУЗКЕ
ELECTROHYDRAULIC DRIVE WITH MACHINE-THROTTLE CONTROL, SENSITIVE TO LOAD

Изобретение относится к области объемного гидропривода, а именно к электрогидравлическим приводам с машинно-дроссельным управлением, чувствительным к нагрузке (Load Sensing Systems), - и может быть использовано при создании и модернизации гидроприводов, предназначенных для управления рабочим оборудованием всевозможных машин и механизмов (например, грузоподъемных), работающих с переменной по значению и по направлению нагрузкой (силой для гидроприводов поступательного движения или вращающим моментом для гидроприводов вращательного и поворотного движения) и, в том числе, с попутной нагрузкой.
Известен электрогидравлический привод с машинно-дроссельным управлением, содержащий регулируемый объемный насос, выполненный с регулятором давления, четырехлинейный дросселирующий гидрораспределитель с пропорциональным электрическим управлением, напорный канал которого соединен с напорным каналом насоса, сливной канал с гидробаком, а каждый из двух исполнительных каналов с соответствующей рабочей полостью объемного гидродвигателя двухстороннего действия, при этом электрический блок управления дросселирующего гидрораспределителя соединен с соответствующим выходным каналом контроллера [1]. При работе указанного гидропривода подача насоса (при пренебрежении утечками и перетечками рабочей жидкости, а также эффектами, обусловленными упругими деформациями жидкости и стенок каналов, в которые она заключена) равна расходу жидкости, поступающему к гидродвигателю, а давление в напорном канале насоса поддерживается практически постоянным на уровне настройки регулятора давления насоса вне зависимости от нагрузки (силового параметра) на выходном звене гидродвигателя (штоке, плунжере или корпусе гидроцилиндра в гидроприводах поступательного движения либо валу или корпусе поворотного гидродвигателя или гидромотора соответственно в гидроприводах поворотного и вращательного движения). В результате имеют место потери давления и мощности, которые при прочих равных условиях тем больше, чем меньше нагрузка на выходном звене гидродвигателя, что является существенным недостатком известного электрогидравлического привода.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является принятый в качестве прототипа электрогидравлический привод с машинно-дроссельным управлением, чувствительный к нагрузке, содержащий регулируемый объемный насос, выполненный с регулятором рабочего объема с пропорциональным электрическим управлением, четырехлинейный дросселирующий гидрораспределитель с пропорциональным электрическим управлением, напорный канал которого соединен с напорным каналом насоса, сливной канал с гидробаком, а каждый из двух исполнительных каналов с соответствующей рабочей полостью объемного гидродвигателя двухстороннего действия, и датчики давления в напорном канале насоса и в рабочих полостях гидродвигателя, которые соединены с соответствующими входными каналами контроллера, при этом электрические блоки управления дросселирующего гидрораспределителя и регулятора рабочего объема насоса соединены с соответствующими выходными каналами контроллера [2].
Далее по тексту описания изобретения рабочие полости гидродвигателя, которые в текущий момент времени соединены посредством дросселирующего гидрораспределителя с напорным каналом насоса и с гидробаком, называются соответственно напорной и сливной полостями, а рабочие окна дросселирующего гидрораспределителя, через которые рабочая жидкость поступает в напорную полость гидродвигателя и вытесняется из сливной полости последнего, называются соответственно напорным и сливным рабочими окнами.
При работе привода, принятого в качестве прототипа, со встречной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя (то есть нагрузкой, направленной против направления движения выходного звена гидродвигателя) давление в напорном канале насоса изменяется в соответствии с текущими фактическими изменениями нагрузки (силового параметра) на выходном звене гидродвигателя (в частности, в соответствии с перепадом давления в напорной и сливной полостях гидродвигателя), при этом потери давления в гидроприводе (включая потери давления на рабочих окнах дросселирующего гидрораспределителя) вне зависимости от значения силового параметра (при изменении его в пределах рабочего диапазона) в идеале поддерживаются на установленном уровне, минимально необходимом для осуществления задач регулирования контролируемого параметра (скорости или координаты выходного звена гидродвигателя либо силового параметра на выходном звене), благодаря чему обеспечивается повышенный коэффициент полезного действия электрогидравлического привода по сравнению со случаем, когда давление в напорном канале насоса поддерживается постоянным. При незначительных потерях давления в гидролиниях по сравнению с потерями давления на рабочих окнах дросселирующего гидрораспределителя при работе рассматриваемого привода перепад давления на рабочих окнах гидрораспределителя поддерживается практически постоянным. При постоянном перепаде давления на рабочем окне дросселирующего гидрораспределителя расход рабочей жидкости через это окно, а при пренебрежении расходами, связанными с перетечками и утечками жидкости, ее сжимаемостью и упругими деформациями стенок каналов, в которые заключена жидкость, соответственно, и скорость движения (линейная для гидроцилиндра или угловая для гидромотора и поворотного гидродвигателя) выходного звена гидродвигателя зависят лишь от площади проходного сечения рабочего окна дросселирующего гидрораспределителя, определяемой электрическим сигналом, поступающим на вход его электрического блока управления от контроллера.
При работе рассматриваемого привода с попутной нагрузкой (то есть нагрузкой, действующей в направлении движения выходного звена гидродвигателя) для уравновешивания указанной нагрузки и обеспечения управляемого движения выходного звена гидродвигателя перепад давления на сливном рабочем окне дросселирующего гидрораспределителя должен быть тем больше, чем больше значение попутной нагрузки (то есть в значительной степени определяется значением попутной нагрузки). Поскольку площади проходного сечения напорного и сливного рабочих окон дросселирующего гидрораспределителя однозначно связаны между собой в соответствии с конструкцией гидрораспределителя, а отношение расходов рабочей жидкости через указанные рабочие окна при пренебрежении расходами, связанными с перетечками и утечками жидкости, ее сжимаемостью и упругими деформациями стенок каналов, в которые заключена жидкость, равно отношению характерных геометрических размеров (эффективных площадей поршня для гидроцилиндра; характерных объемов для гидромотора и поворотного гидродвигателя) со стороны напорной и сливной полостей гидродвигателя, то перепад (потери) давления на напорном рабочем окне дросселирующего гидрораспределителя пропорциональны перепаду (потерям) давления на сливном рабочем окне этого гидрораспределителя. В результате, при работе известного привода с попутном нагрузкой на выходном звене гидродвигателя перепад (потери) давления на напорном рабочем окне дросселирующего гидрораспределителя, а соответственно и давление в напорном канале насоса оказываются тем больше, чем больше значение попутной нагрузки в то время, как движение выходного звена гидродвигателя происходит под действием указанной попутной нагрузки и в рассматриваемом случае к гидродвигателю в принципе не требуется подводить дополнительную энергию за счет работы насоса (должно лишь обеспечиваться заполнение жидкостью напорной полости гидродвигателя без нарушения сплошности жидкости, для чего давление в упомянутой полости должно быть не ниже, например, атмосферного).
В соответствии с вышеизложенным, недостатком привода, принятого в качестве прототипа, являются повышенные потери давления и мощности при его работе с попутной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя, что снижает энергоэффективность данного привода.
Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение энергоэффективности (коэффициента полезного действия) электрогидравлического привода с машинно-дроссельным управлением, чувствительного к нагрузке, путем снижения потерь мощности при работе привода с попутной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя, благодаря шунтированию в указанном случае напорного рабочего окна дросселирующего гидрораспределителя посредством рабочего окна направляющего гидрораспределителя.
Для решения поставленной задачи в известном электрогидравлическом приводе с машинно-дроссельным управлением, чувствительном к нагрузке, содержащем регулируемый объемный насос, выполненный с регулятором рабочего объема с пропорциональным электрическим управлением, четырехлинейный дросселирующий гидрораспределитель с пропорциональным электрическим управлением, напорный канал которого соединен с напорным каналом насоса, сливной канал с гидробаком, а каждый из двух исполнительных каналов с соответствующей рабочей полостью объемного гидродвигателя двухстороннего действия, и датчики давления в напорном канале насоса и в рабочих полостях гидродвигателя, которые соединены с соответствующими входными каналами контроллера, при этом электрические блоки управления дросселирующего гидрораспределителя и регулятора рабочего объема насоса соединены с соответствующими выходными каналами контроллера, согласно изобретению привод выполнен с дополнительным трехлинейным трехпозиционным направляющим гидрораспределителем с электрическим управлением, электромагниты которого соединены с соответствующими выходными каналами контроллера, при этом первый и второй каналы направляющего гидрораспределителя соединены с соответствующими исполнительными каналами дросселирующего гидрораспределителя, третий канал направляющего гидрораспределителя соединен с напорным каналом дросселирующего гидрораспределителя, в исходной позиции направляющего гидрораспределителя его каналы перекрыты, в первой рабочей позиции первый канал перекрыт, а второй канал соединен с третьим каналом, во второй рабочей позиции второй канал перекрыт, а первый канал соединен с третьим каналом.
Выполнение электрогидравлического привода с машинно-дроссельным управлением, чувствительного к нагрузке, с дополнительным трехлинейным трехпозиционным направляющим гидрораспределителем с электрическим управлением, электромагниты которого соединены с соответствующими выходными каналами контроллера, при этом первый и второй каналы направляющего гидрораспределителя соединены с соответствующими исполнительными каналами дросселирующего гидрораспределителя, третий канал направляющего гидрораспределителя соединен с напорным каналом дросселирующего гидрораспределителя, в исходной позиции направляющего гидрораспределителя его каналы перекрыты, в первой рабочей позиции первый канал перекрыт, а второй канал соединен с третьим каналом, во второй рабочей позиции второй канал перекрыт, а первый канал соединен с третьим каналом, обеспечивает снижение потерь мощности при работе привода с попутной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя, благодаря шунтированию в указанном случае напорного рабочего окна дросселирующего гидрораспределителя посредством рабочего окна направляющего гидрораспределителя.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена гидравлическая принципиальная схема электрогидравлического привода с машинно-дроссельным управлением, чувствительного к нагрузке.
Электрогидравлический привод с машинно-дроссельным управлением, чувствительный к нагрузке, включает в свой состав регулируемый насос 1, выполненный с регулятором рабочего объема с пропорциональным электрическим управлением, четырехлинейный трехпозиционный дросселирующий гидрораспределитель 2 с пропорциональным электрическим управлением, напорный канал Р которого соединен с напорным каналом насоса 1, сливной канал Т с гидробаком 3, а исполнительные каналы А и В с соответствующими рабочими полостями гидродвигателя 4 двухстороннего действия, и трехлинейный трехпозиционный направляющий гидрораспределитель 5 с электрическим управлением с электромагнитами YA1 и YA2.
В исходной нейтральной позиции «н» дросселирующего гидрораспределителя 2 все его каналы перекрыты, в первой рабочей позиции «а» исполнительный канал А соединен со сливным каналом Т, а исполнительный канал В соединен с напорным каналом Р, во второй рабочей позиции «б» наоборот: исполнительный канал А соединен с напорным каналом Р, а исполнительный канал В соединен со сливным каналом Т.
Управление дросселирующим гидрораспределителем 2 может быть пропорциональным электрогидравлическим. В качестве дросселирующего гидрораспределителя 2 может использоваться сервоклапан.
Первый А, второй В и третий Р каналы направляющего гидрораспределителя 5 соединены соответственно с исполнительными каналами А и В и напорным каналом Р дросселирующего гидрораспределителя 2. При этом в исходной нейтральной позиции «н» направляющего гидрораспределителя 5, соответствующей обесточенным электромагнитам YA1 и YA2, его первый А, второй В и третий Р каналы перекрыты, в первой рабочей позиции «а», соответствующей подаче управляющего электрического сигнала на электромагнит YA1, первый канал А перекрыт, а второй В и третий Р каналы соединены между собой, во второй рабочей позиции «б», соответствующей подаче управляющего электрического сигнала на электромагнит YA2, второй канал В перекрыт, а первый А и третий Р каналы соединены между собой.
Направляющий гидрораспределитель 5 может быть выполнен с электрогидравлическим управлением. Пропускная способность гидрораспределителя 5 соответствует максимальному расходу рабочей жидкости, который возможен при работе электрогидравлического привода.
На чертеже гидродвигатель 4 изображен как поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия с односторонним штоком. В общем случае это может быть поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия с двухсторонним штоком (дифференциальный или недифференциальный), два плунжерных гидроцилиндра, работающие друг против друга, гидромотор или поворотный гидродвигатель.
Выходным звеном гидродвигателя (гидроцилиндра) 4 в рассматриваемом случае является его шток.
Для измерения давления в напорном канале насоса 1 к указанному каналу подключен датчик давления 6, а для измерения давления в рабочих полостях гидродвигателя 4, соединенных с исполнительными каналами А и В дросселирующего гидрораспределителя 2, к ним подключены датчики давления соответственно 7 и 8.
Управление электрогидравлическим приводом осуществляется посредством контроллера 9. При этом датчики давления 6, 7 и 8 соединены с соответствующими входными каналами контроллера 9, а электрические блоки управления дросселирующего гидрораспределителя 2 и регулятора рабочего объема насоса 1 и электромагниты YA1 и YA2 направляющего гидрораспределителя 5 соединены с соответствующими выходными каналами контроллера 9.
Электрогидравлический привод с машинно-дроссельным управлением, чувствительный к нагрузке, согласно изобретению работает следующим образом.
При управляющем сигнале со стороны контроллера 9 на электрический блок управления дросселирующего гидрораспределителя 2, соответствующем исходной нейтральной позиции «н» дросселирующего гидрораспределителя 2, электромагниты YA1 и YA2 направляющего гидрораспределителя 5 посредством контроллера 9 автоматически обесточены, и направляющий гидрораспределитель 5 также, как и дросселирующий гидрораспределитель 2, занимает свою исходную нейтральную позицию «н». В данном случае рабочие полости гидродвигателя 4 посредством дросселирующего 2 и направляющего 5 гидрораспределителей заперты.
При подаче на электрический блок управления дросселирующего гидрораспределителя 2 со стороны контроллера 9 управляющего сигнала, в соответствии с которым дросселирующий гидрораспределитель 2 должен перейти в позицию «а», в контроллере 9 на основании сигналов датчиков давления 7 и 8 производится анализ характера нагрузки на выходном звене гидродвигателя 4, а именно: является нагрузка встречной или попутной.
В случае использования недифференциального гидродвигателя 4 (поворотного гидродвигателя, гидромотора или недифференциального гидроцилиндра) при указанном анализе производится просто сравнение значений давления в напорной и сливной рабочих полостях гидродвигателя 4 на основании сигналов датчиков давления 8 и 7: если значение давления в напорной рабочей полости гидродвигателя 4, соединенной в рассматриваемом случае с исполнительным каналом В дросселирующего гидрораспределителя 2, в соответствии с сигналом датчика давления 8 не меньше значения давления в сливной рабочей полости гидродвигателя 4, соединенной при этом с исполнительным каналом А дросселирующего гидрораспределителя 2, в соответствии с сигналом датчика давления 7, то нагрузка является встречной. В противном случае нагрузка является попутной.
В случае использования в приводе в качестве гидродвигателя 4 дифференциального гидроцилиндра (например, поршневого гидроцилиндра с односторонним штоком, как показано на чертеже) в контроллере 9 на основании сигналов датчиков давления 8 и 7 производится вычисление сил, передающихся на выходное звено гидродвигателя 4 со стороны рабочей жидкости, находящейся в напорной и сливной рабочих полостях гидродвигателя, соединенных в рассматриваемом случае соответственно с исполнительными каналами В и А дросселирующего гидрораспределителя 2. Если значение силы, передающейся на выходное звено гидродвигателя 4 со стороны рабочей жидкости, находящейся в напорной рабочей полости гидродвигателя, соединенной с исполнительным каналом В дросселирующего гидрораспределителя 2, не меньше значения силы, передающейся на выходное звено гидродвигателя 4 со стороны рабочей жидкости, находящейся в сливной рабочей полости гидродвигателя, соединенной при этом с исполнительным каналом А дросселирующего гидрораспределителя 2, то нагрузка является встречной. В противном случае нагрузка является попутной.
н
пот
пот
В случае встречной нагрузки на выходном звене гидродвигателя 4 с учетом значений давления в напорной и сливной рабочих полостях гидродвигателя, определенных на основании сигналов датчиков давления 8 и 7, производится вычисление требуемого значения р давления в напорном канале насоса 1 из условия поддержания потерь давления Δр в гидроприводе на установленном уровне, минимально необходимом для осуществления задач регулирования контролируемого параметра посредством дросселирующего гидрораспределителя 2. Обычно значение этих потерь давления Δр в гидроприводах, чувствительных к нагрузке (в гидроприводах с LS-управлением), составляет от 1,0 до 3,0 МПа (см. статью: Casey В. Understanding load-sensing control // Machinery lubrication. - 2006. - №3).
н
На основании вычисленного значения р требуемого давления в напорном канале насоса 1 с учетом сигнала обратной связи (о фактическом значении давления в выходном канале насоса 1), поступающего в контроллер 9 от датчика давления 6, в контроллере формируется управляющий электрический сигнал для регулятора рабочего объема насоса 1, обеспечивающий работу насоса и гидропривода в целом при потерях давления, минимально необходимых для решения задач регулирования контролируемого параметра.
пот
Следует отметить, что при исходной нейтральной позиции «н» дросселирующего гидрораспределителя 2 давление в напорном канале насоса 1 в соответствии с управляющим сигналом контроллера 9 поддерживается на уровне значения Δр или немного выше этого значения (см. статью: Casey В. Understanding load-sensing control // Machinery lubrication. - 2006. - №3).
В рассмотренном выше случае действия встречной нагрузки на выходное звено гидродвигателя 4 работа предлагаемого электрогидравлического привода с машинно-дроссельным управлением, чувствительного к нагрузке, не отличается от работы прототипа. При этом дросселирование рабочей жидкости происходит при протекании ее как через напорное, так и через сливное рабочие окна дросселирующего гидрораспределителя 2 (то есть, дросселирование происходит как на входе, так и на выходе гидродвигателя 4). При работе гидропривода для регулирования контролируемого параметра в целом ряде случаев достаточно осуществлять дросселирование жидкости только на выходе гидродвигателя.
пот
Выполнение предлагаемого привода с дополнительным направляющим гидрораспределителем 5 позволяет при прочих равных условиях существенно уменьшить допустимое значение Δр и тем самым потери мощности при работе привода со встречной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя 4 за счет исключения дросселирования жидкости на входе гидродвигателя.
При рабочей позиции «а» дросселирующего гидрораспределителя 2 для исключения дросселирования жидкости на входе гидродвигателя 4 достаточно подать посредством контроллера 9 управляющий электрический сигнал на электромагнит YA1 направляющего гидрораспределителя 5. В результате направляющий гидрораспределитель 5 обеспечивает коммутацию каналов, соответствующую его рабочей позиции «а», а именно: напрямую соединяет каналы Р и В, шунтируя напорное рабочее окно дросселирующего гидрорасределителя 2.
В случае попутной нагрузки на выходном звене гидродвигателя 4 (при рабочей позиции «а» дросселирующего гидрораспределителя 2) посредством контроллера 9 автоматически подается управляющий электрический сигнал на электромагнит YA1 направляющего гидрораспределителя 5. В результате направляющий гидрораспределитель 5 обеспечивает коммутацию каналов, соответствующую его рабочей позиции «а», а именно: напрямую соединяет каналы Р и В, шунтируя напорное рабочее окно дросселирующего гидрораспределителя 2.
сп
сп
пот
Если при этом давление в сливной полости гидродвигателя 4 в соответствии с сигналом датчика давления 7 меньше установленного значения Δр потерь давления на участке гидропривода между сливной рабочей полостью гидродвигателя 4 и гидробаком 3 (включая перепад давления на сливном рабочем окне дросселирующего гидрораспределителя 2), минимально необходимого для решения задач регулирования контролируемого параметра, то с учетом сигнала обратной связи (о фактическом значении давления в сливной полости гидродвигателя 4), поступающего в контроллер 9 от датчика давления 7, в контроллере формируется управляющий электрический сигнал для регулятора рабочего объема насоса 1, обеспечивающий достижение в сливной полости гидродвигателя давления Δр. В данном случае давление в напорном канале насоса 1 принимает значение, меньшее значения Δр, как минимум, на величину разности установленного перепада давления на напорном рабочем окне дросселирующего гидрораспределителя 2, минимально необходимого для решения задач регулирования контролируемого параметра, и перепада давления, имеющего место при протекании жидкости через рабочее окно направляющего гидрораспределителя 5.
сп
мин
мин
Если под действием попутной нагрузки, действующей на выходное звено гидродвигателя 4, в сливной полости последнего создается давление, не меньшее значения Δр, то с учетом сигнала обратной связи (о фактическом значении давления в напорной полости гидродвигателя 4), поступающего в контроллер 9 от датчика давления 8, в контроллере формируется управляющий электрический сигнал для регулятора рабочего объема насоса 1, обеспечивающий поддержание в напорной полости гидродвигателя 4 заданного значения давления р, исключающего нарушение сплошности (разрыв потока) рабочей жидкости в этой полости. В данном случае в силу малости потерь давления при протекании рабочей жидкости через рабочее окно направляющего гидрораспределителя 5 и малости значения давления р (которое по избыточной шкале измерения давления, может быть принято, например, равным нулю) давление в напорном канале насоса 1 является незначительным.
При подаче на электрический блок управления дросселирующего гидрораспределителя 2 со стороны контроллера 9 управляющего сигнала, в соответствии с которым дросселирующий гидрораспределитель 2 должен перейти в позицию «б», работа предлагаемого электрогидравлического привода происходит аналогично тому, как это описано выше для случая, когда дросселирующий гидрораспределитель 2 обеспечивает коммутацию каналов, соответствующую позиции «а», с той лишь разницей, что изменяются функции рабочих полостей гидродвигателя 4 (напорной становится полость гидродвигателя, соединенная с исполнительным каналом А дросселирующего гидрораспределителя 2, а сливной - полость, соединенная с исполнительным каналом В указанного гидрораспределителя) и содержание информации, поступающей в контроллер 9 от датчиков давления 7 и 8. Соответственно, в данном случае шунтирование напорного канала дросселирующего гидрораспределителя 2 происходит при подаче посредством контроллера 9 управляющего электрического сигнала на электромагнит YA2 направляющего гидрораспределителя 5.
Как следует из вышеизложенного, предлагаемый электрогидравлический привод с машинно-дроссельным управлением, чувствительный к нагрузке, при работе с попутной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя обеспечивает существенное снижение потерь давления и, соответственно, мощности. Дополнительно также может осуществляться заметное снижение потерь давления и, соответственно, мощности при работе гидропривода со встречной нагрузкой на выходном звене гидродвигателя. В результате повышается энергоэффективность (коэффициент полезного действия) привода.
Литературные источники
1. Гойдо М.Е. Снижение потерь энергии при работе объемных гидроприводов с управлением // Справочник. Инженерный журнал. - 2014. - №1. - С. 18-28 (с. 21, рис. 6).
2. Lovrec D., Deticek Е., Faber F. Electro hydraulic load-sensing with closed-loop controlled actuators - theoretical background // Advances in production engineering & management. - 2009. - №4. - P. 93-104 (c. 94-95, рис. 2).