СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ПОДАЧИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
WORKING FLUID SUPPLY RATE CONTROL SYSTEM

Настоящее изобретение относится к машиностроению, в частности к регулируемым насосным установкам.
Заявленное техническое решение служит для регулировки скорости подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм с заданной дискретностью, не зависимо от нагрузки на исполнительном механизме (нагрузка в пределах допустимого для данного механизма) и заданных (оптимальных) оборотах основного привода гидронасосов (ДВС, электродвигатель). Дополнительно, при необходимости, скорость подачи рабочей жидкости можно регулировать изменением оборотов основного привода.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является регулируемая насосная установка (Патент RU 171643, опубл.: 08.06.2017 Бюл. №16), которая содержит приводной двигатель и несколько объемных нерегулируемых насосов, имеющих общий вал, соединенный с валом приводного двигателя, линии всасывания, соединенные с баком рабочей жидкости, линии нагнетания, соединенные в одну общую линию подачи к потребителю, предохранительные клапаны, соединенные с линиями нагнетания и используемые как переливные клапаны, участвующие в процессе регулирования, устройства регулирования подачи, выполненные на пропорциональных гидрораспределителях и установленные на выходе каждого насоса, при этом, регулирующий эффект достигается свойством пропорционального гидрораспределителя, позволяющим плавно увеличивать или уменьшать проходное сечение, через которое рабочая жидкость поступает на исполнительный механизм, т.е., используется дросселирующий эффект, при этом, излишек рабочей жидкости сбрасывается через переливной клапан в бак. Максимальный регулирующий эффект проявляется вначале процесса открывания проходного сечения гидрораспределителя, т.е. это самая чувствительная зона положения регулирующего элемента в пропорциональном гидрораспределителе. Эта чувствительная зона составляет, в зависимости от конструкции, небольшую часть от полного проходного сечения гидрораспределителя. Поэтому, судя по описанию, реализовано несколько аналогичных каналов подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм, в которых используются чувствительные зоны гидрораспределителей. Это значительно расширяет диапазон регулирования подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм. Такой же эффект можно получить при том же количестве пропорциональных гидрораспределителей, но при одном, более мощном объемном нерегулируемом насосе, т.е. нет преимущества от использования нескольких насосов. Это техническое решение предоставлено в двух вариантах: первый - с последовательным включением гидрораспределителей, второй - с параллельным включением. Вариант с параллельным включением будет работать не так, как заявлено в части воздействия на органы управления гидрораспределителей. При воздействии на один гидрораспределитель, т.е., при прикрытии, вплоть до полного закрытия, проходного сечения на слив, поток рабочей жидкости, подаваемый в подающую магистраль, будет уходить в бак через открытые проходы других гидрораспределителей, при этом, в подающей магистрали не создастся необходимое для работы давление. Такой же результат будет, если хотя бы один из гидрораспределителей будет в исходном положении. Для достижения в подающей магистрали необходимого для работы давления, надо одновременно манипулировать всеми гидрораспределителями, причем в одном направлении. Такая же установка с одним каналом подачи будет предпочтительней многоканальной. Недостатком данного технического решения по варианту с последовательным включением гидрораспределителей является то, что с изменением нагрузки на исполнительном механизме, для сохранения необходимой скорости выполнения текущей операции, нужно постоянно подбирать положения органов управления, т.е. подбирать суммарное проходное сечение на всех пропорциональных гидрораспределителях, т.е. имеет место как нестабильность объема подаваемой на исполнительный механизм рабочей жидкости при изменении нагрузки на исполнительном механизме, так и сложность управления пропорциональными гидрораспределителями для достижения требуемого эффекта. В целом, эта установка имеет невысокий коэффициент полезного действия, т.к. при частичном открытии проходного сечения пропорционального гидрораспределителя, излишний объем рабочей жидкости под давлением сливается через предохранительные клапаны в сливной бак, т.е. независимо от объема подаваемой на исполнительный механизм рабочей жидкости, насосы работают практически с полной нагрузкой, и соответственно, с неоправданным расходом топлива для ДВС или электроэнергии для электродвигателя. Еще один недостаток заключается в том, что в исходном состоянии, по первому варианту, все органы управления пропорциональными гидрораспределителями установлены на максимальную производительность, что является опасным.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является отсутствие системы, позволяющей задать нужную скорость подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм, которая практически не зависит от нагрузки и может варьироваться, кроме соответствующих органов управления, также и оборотами первичного двигателя.
Данная проблема решается за счет того, что система регулирования скорости подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм содержащая гидронасос, дозирующее устройство, бак с рабочей жидкостью, всасывающую магистраль, подающую магистраль, предохранительные гидроклапаны, сливные магистрали, в качестве гидронасоса используется многоканальный гидронасос, создающий необходимое количество независимых потоков рабочей жидкости с заданным давлением и производительностью, в качестве дозирующего устройства используется устройство, осуществляющее управление потоками рабочей жидкости для обеспечения ступенчатого регулирования скорости подачи рабочей жидкости на подающую магистраль исполнительного механизма с заданной дискретностью, состоящее из группы гидрораспределителей направляющего типа исполнения 3/2, по количеству каналов многоканального гидронасоса, каждый из которых принимающим входом соединен с нагнетающей магистралью соответствующей секции, а для защиты исполнительного механизма от перегрузок на общей подающей магистрали установлено переливное устройство, выполненное на предохранительном гидроклапане, выход которого через собственную сливную магистраль соединяется с общим баком. Гидрораспределители выполнены либо с гидравлическим управлением, либо с пневматическим управлением, либо с электромагнитным управлением. В качестве многоканального гидронасоса использован один многосекционный шестеренный гидронасос с, по меньшей мере, двумя секциями.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение жесткой стабильности выбранного объема подачи рабочей жидкости во всем диапазоне допустимых рабочих давлений на исполнительном механизме и позволяющим менять объем подаваемой рабочей жидкости при работе исполнительного механизма, т.е. под нагрузкой.
Система регулирования скорости подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм использует две независимые подсистемы с разным функционалом, а именно многоканальную насосную установку и дозирующее устройство. Многоканальная насосная установка (МНУ) обеспечивает систему необходимым количеством независимых стабильных потоков рабочей жидкости с одинаковым рабочим давлением, но разной производительностью. Дозирующее устройство (ДУ), манипулируя потоками рабочей жидкости, поступающими от МНУ, обеспечивает стабильный, дозируемый, суммарный поток рабочей жидкости на исполнительный механизм.
Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых изображено:
на фиг. 1 - общая схема реализации данного изобретения, на примере четырехсекционного насоса с фрагментом возможного варианта исполнительной части;
на фиг. 2 - измененный фрагмент возможного варианта исполнительной части схемы на фиг. 1, позволяющий реализовать плавающий режим для исполнительного механизма;
где:
1 - секции многосекционного шестеренного насоса;
2 - предохранительные гидравлические клапаны;
3 - гидрораспределители типа 3/2 (с двумя фиксированными положениями) с любым способом воздействия на переключающее устройство (на схеме показан с ручным);
4 - переливной гидравлический клапан (для ограничения давления в подающей гидромагистрали);
5 - приводной двигатель (электрический или ДВС);
6 - гидравлический бак;
7, 8, 9 - сливные магистрали;
10 - всасывающая магистраль;
11 - подающая магистраль;
Нижеследующие элементы схемы относятся к исполнительной системе и не связаны с изобретением, они включены в схему для возможности описания полного цикла работы системы:
12 - гидрораспределитель типа 4/3 (для управления реверсивными исполнительными механизмами);
13 - исполнительный механизм - гидромотор;
14 - исполнительный механизм - гидроцилиндр;
15 - обратная магистраль;
16 - пропорциональный гидрораспределитель.
В качестве предохранительных гидравлических клапанов используются любые гидравлические клапаны, порог срабатывания которых имеет значение на грани критического для конкретной насосной установки.
В описываемой насосной установке могут быть применены гидрораспределители любой конструкции - золотниковые, крановые или клапанные, с ручным, механическим, электрическим и гидравлическим управлением, при этом они могут быть направляющими (релейными), на схеме это 1 и 12, и дросселирующими (пропорциональными), на схеме - 16. Направляющие - обеспечивают переход с позиции на позицию без промежуточных положений. Пропорциональные - обеспечивают плавный переход с позиции на позицию, обеспечивая плавное изменение площади проходного сечения. Тип гидрораспределителей обозначается дробным числом, где в числителе указывается количество подведенных к гидрораспределителю внешних гидролиний, в знаменателе - число его рабочих позиций, на схеме это количество квадратов в обозначении гидрораспределителя.
Переливной гидравлический клапан, это тот же предохранительный клапан, но отрегулированный на другое давление срабатывания, в нашем случае, на допустимое рабочее давление исполнительного механизма.
Далее приведено описание работы схемы, представленной на фиг. 1.
Двигателем 5 приводится во вращение вал многосекционного шестеренного гидронасоса и связанные с ним ведущие шестерни секций 1. Далее приводится описание работы одной секции - 1, т.к. работа остальных секций аналогична работе первой.
Секция 1 производит забор рабочей жидкости из бака 6 через всасывающую магистраль 10. Предохранительный клапан 2, установленный на нагнетательной магистрали от 1, сбрасывает критическое давление (если такое возникнет вследствие, например, неисправности 3) через сливную магистраль 7. Далее жидкость поступает на гидрораспределитель 3, который в исходном положении органа управления направляет эту жидкость через сливную магистраль 8 обратно в бак 6. При переводе органа управления на 3 в другое положение, рабочая жидкость, через подающую магистраль 11 и гидрораспределитель 12, поступает на исполнительный механизм, в зависимости от назначения насосной установки, либо на гидромотор 13, либо на рабочий цилиндр 14. На подающей магистрали 11 установлен переливной клапан 4, который обеспечивает рабочее давление для исполнительного механизма (не превышающее заданного для конкретного гидроагрегата) путем сброса излишка давления (которое возникает при перегрузке исполнительного механизма) через сливную магистраль 9 в бак 6. В нейтральном положении 12 жидкость из 11 стекает через обратную магистраль 15 в бак 6, что разгружает двигатель 5, обеспечивая этим высокий КПД насосной установки.
Выбирая положения органов управления на 3, можно выбирать объем (скорость) подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм в соответствии с таблицей 1, при этом, обеспечивается жесткая стабильность выбранного объема подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм во всем диапазоне допустимого рабочего давления. Для обеспечения плавающего режима в нейтральном положении 12, надо включить в схему между 12 и 13 пропорциональный гидрораспределитель 16 типа 4/2 (Фиг. 2).
Многоканальная насосная установка состоит из группы шестеренных гидронасосов с одинаковым рабочим давлением и разной производительностью, объединенных общим валом с приводным двигателем (ДВС или электродвигателем). Вместо группы шестеренных гидронасосов можно использовать выпускаемые промышленностью многосекционные шестеренные гидронасосы (это функциональная единица, объединяющая в общем корпусе с общим ведущим валом, несколько нерегулируемых шестеренных гидронасосов, называемых - секции), количество секций и их производительности такие же, как и у вышеупомянутой группы гидронасосов. Далее по тексту, под понятием «насос» подразумевается как секция многоканального шестеренного гидронасоса, так и канал МНУ.
Для защиты МНУ от критического давления, которое может возникнуть при неисправности дозирующего устройства, на нагнетательных магистралях каждого насоса, входящего в группу, устанавливаются предохранительные клапаны, выходы которых, через сливную магистраль, соединяются с общим баком рабочей жидкости. Забор рабочей жидкости каждым насосом, осуществляется из общего бака через общую всасывающую гидромагистраль.
Дозирующее устройство (далее по тексту - ДУ) состоит из группы направляющих (релейных) гидрораспределителей исполнения 3/2, т.е., каждый гидрораспределитель группы управляет тремя подводящими гидромагистралями (одна входящая и две отходящие) и имеет два фиксированных положения переключающего механизма. Количество гидрораспределителей в группе определяется количеством насосов в МНУ. Входы каждого гидрораспределителя подключены к нагнетающей магистрали соответствующего насоса. Открытые, в исходном положении переключающего механизма, выходы всех гидрораспределителей через общую сливную магистраль соединяются с общим баком рабочей жидкости. Закрытые, в исходном положении переключающего механизма, выходы всех гидрораспределителей соединяются с подающей магистралью, через которую сформированный поток рабочей жидкости подается на исполнительную систему.
Для защиты исполнительного механизма от перегрузок, на подающей магистрали установлен переливной механизм, выполненный на предохранительном гидроклапане, выход которого, через собственную сливную магистраль, соединяется с общим баком.
Описываемая регулируемая насосная установка приводит в действие один исполнительный механизм (гидромотор или рабочий гидроцилиндр). Подача рабочей жидкости на исполнительный механизм осуществляется из МНУ через ДУ, в котором путем манипулирования приводами гидрораспределителей из сформированных в МНУ потоков рабочей жидкости создается суммарный поток с необходимой производительностью и направляется в подающую магистраль. Каждую выбранную в ДУ комбинацию положений приводов гидрораспределителей условимся называть ступенью. Для упорядоченного ступенчатого регулирования с постоянным шагом, необходимо, чтобы производительности потоков рабочей жидкости в МНУ соответствовали пропорции - 1:2:4:8 и т.д., то есть каждый добавленный по возрастанию производительности поток должен иметь производительность в два раза большую, чем предыдущий. Выбранная ступень, сохраняет соответствующую производительность во всем диапазоне допустимых рабочих давлений на исполнительном механизме. Величина шага (дискретность) регулирования, при последовательном выборе ступеней, будет равна объему подачи насоса с наименьшей производительностью. Количество ступеней регулирования определяется количеством входящих в группу насосов, т.е.:
- при одном насосе получим две ступени (первая - насос отключен от подающей магистрали, вторая - насос подключен к подающей магистрали);
- при двух насосах получим 4 ступени регулирования;
- при трех - 8 ступеней;
- при четырех - 16 ступеней:
- при пяти - 32 ступени и т.д.,
т.е. каждый последующий насос, добавленный в насосную установку, увеличивает существующее количество ступеней в два раза. Во всех случаях, первая ступень - это ступень с нулевой производительностью (когда выходы всех насосов отключены от подающей магистрали). Не обязательно осуществлять последовательное увеличение или уменьшение подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм, можно, при необходимости, сразу задать необходимый объем подачи (из возможных значений), путем установки соответствующей комбинации положений приводов гидрораспределителей в ДУ, эти комбинации приведены в таблице 1.
Указанный вариант системы регулирования скорости подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм (фиг. 1) содержит:
1. Элементы, входящие в МНУ:
- приводной двигатель, приводящий гидронасосы во вращательное движение;
- четырехсекционный шестеренный гидронасос, общий вал которого, соединен с валом приводного двигателя;
- бак с рабочей жидкостью;
- всасывающую магистраль, соединяющую всасывающие полости всех секций четырехсекционного гидронасоса с баком рабочей жидкости;
- четыре предохранительных гидроклапана, подключенных к нагнетающим магистралям каждой секции насоса и обеспечивающие защиту соответствующей секции четырехсекционного гидронасоса от критического давления рабочей жидкости, которое может возникнуть при неисправности соответствующего гидрораспределителя в ДУ;
- сливную магистраль, соединяющую предохранительные клапаны с баком.
2. Элементы, входящие в ДУ:
- группу из четырех гидрораспределителей с ручным управлением, непосредственно осуществляющих управление четырьмя потоками рабочей жидкости путем ввода в работу (включение под нагрузку) или вывод из работы (снятие нагрузки) соответствующей секции насоса;
- подающую гидромагистраль, объединяющую закрытые в исходном положении выходы всех четырех гидрораспределителей, и подающую суммарный поток рабочей жидкости на исполнительную систему;
- переливной гидроклапан установленный на подающей магистрали и предохраняющий исполнительный механизм от превышения допустимого рабочего давления рабочей жидкости, т.е. от перегрузок;
- сливную магистраль, соединяющую сливные выходы четырех гидрораспределителей с баком;
- сливную магистраль, соединяющую выход переливного гидроклапана с баком.
3. Элементы, входящие в исполнительную систему:
- обратную магистраль, соединяющую сливной выход исполнительной части системы с баком;
- две выходные гидромагистрали, соединяющие выходы реверсивного гидрораспределителя с исполнительным механизмом;
- реверсивный гидрораспределитель типа 4/3, направляющий суммарный поток рабочей жидкости из подающей магистрали, в зависимости от требуемого направления движения механизма, либо на одну выходную магистраль, либо на другую. По, не участвующей в подаче, выходной магистрали, жидкость от исполнительного механизма поступает через обратную магистраль в бак. В среднем положении органа управления этим гидрораспределителем рабочая жидкость с подающей магистрали через обратную магистраль сливается в бак, т.е. система переключается в холостой режим, снижая до минимума потребление мощности от приводного двигателя. Выходные магистрали, соединяющие выходы реверсивного гидрораспределителя с исполнительным механизмом при этом перекрываются, блокируя тем самым самопроизвольное движение исполнительного механизма;
- регулятор плавающего режима, выполненный на пропорциональном гидрораспределителе, подключенном параллельно выходным магистралям (фиг. 2), позволяющий плавно переводить исполнительный механизм из режима блокировки в плавающий режим, т.е. в режим свободного движения;
- в качестве исполнительного механизма могут использоваться шестеренные реверсивные гидравлические моторы, или гидроцилиндры.
Основным недостатком традиционных насосных установок, выполненных на нерегулируемых шестеренных гидронасосах, является невозможность плавного выполнения работ при максимальных нагрузках на исполнительном механизме, т.к. требуется работа на малых оборотах ДВС, а при таких оборотах, двигатель не развивает необходимой мощности. Предлагаемая насосная установка позволяет производить такие работы, т.к. на первых ступенях производительности данной установки, расходуется незначительная часть мощности ДВС и, как следствие, происходит значительная экономия моторного топлива.
Далее приведено описание принципа управления потоками рабочей жидкости в МНУ и условия его выполнения.
Для обеспечения равномерного шага регулирования скорости подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм, соотношение производительностей секций многосекционных шестеренных насосов, входящих в состав МНУ, начиная с секции с наименьшей производительность, должно быть в пропорции - 1:2:4:8 и так далее, т.е. каждая последующая секция должна иметь производительность в два раза больше предыдущей
Ниже приводятся два частных случая, где соблюдение вышеуказанного соотношения не выполнятся.
Самым простым вариантом является насосная установка, использующая двухсекционный шестеренный насос с одинаковыми секциями, она имеет три ступени (режима) регулирования с дискретностью, равной производительности одной секции (П л/мин.), т.е.:
первая ступень = 0 л/мин - обе секции отключены от нагрузки;
вторая ступень = П л/мин - к нагрузке подключена либо первая либо вторая секции, т.к. производительности у них одинаковые;
третья ступень = П*2 л/мин - к нагрузке подключены обе секции.
Если использовать двухсекционный шестеренный насос с разной производительностью секций (не обязательно в соотношении 1:2), то установка будет иметь уже четыре ступени (режима) регулирования:
1 = 0 л/мин. - первая ступень - обе секции насоса отключены от нагрузки
2 = П1 л/мин. - вторая ступень - на нагрузку подключена только первая секция (с наименьшей производительностью (= П1))
3 = П2 л/мин. - третья ступень - на нагрузку подключена только вторая секция (с наибольшей производительностью (= П2))
4 = (П1 + П2) л/мин. - четвертая ступень - на нагрузку подключены обе секции.
где П1 и П2 это производительности секций, соответственно, с меньшей и большей производительностью. При этом используются всего два органа управления (два гидрораспределителя).
По схеме реализации данного изобретения представленной на Фиг. 1, при четырех органах управления, реализуются 16 ступеней (режимов) подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм.
В таблице 1 представлена производительность каждой ступени (режима) насосной установки, построенной по схеме, с использованием четырехсекционного шестеренного насоса, с отношением производительности секций 1:2:4:8, Последняя колонка таблицы показывает производительность каждой ступени в зависимости от положения органов управления гидрораспределителей P1, Р2, Р3 и Р4., при условии, что наименьшая секция имеет производительность 2 л/мин., т.е. дискретность переключения = 2 л/мин.
где:
0 - поток рабочей жидкости от соответствующей секции направляется на слив;
1 - поток рабочей жидкости от соответствующей секции направляется на исполнительный механизм;
П*0 - нулевая производительность любой секции;
П*1 - производительность первой секции многосекционного шестеренного насоса, это секция с наименьшей производительностью;
П*2 - производительность второй секции многосекционного шестеренного насоса;
П*4 - производительность третьей секции многосекционного шестеренного насоса;
П*8 - производительность четвертой секции многосекционного шестеренного насоса.
Если интегрировать все элементы приведенной схемы насосной установки и реверсивный гидромотор в одном корпусе, то получится гидравлический аналог механической коробки переключения передач, как с ручным управлением, так и с автоматическим управлением, если в качестве органов управления гидрораспределителями использовать электромагниты. Основные преимущества гидравлического аналога перед механической коробкой передач:
- простота конструкции,
- малое количество элементов,
- небольшой размер,
- простота переключения режимов,
- простота реализации  количества ступеней переключения,
- малая себестоимость,
- реверс осуществляется для любого выбранного режима.
Нужная скорость подачи рабочей жидкости на исполнительный механизм может варьироваться также оборотами первичного двигателя, т.е., если насосы приводятся в движение двигателем внутреннего сгорания (ДВС) или электроприводом с регулировкой оборотов, то увеличивая или уменьшая обороты этого двигателя, пропорционально изменению оборотов, будет увеличиваться или уменьшаться как производительность подключенных к нему насосов и, соответственно, всей установки в целом, так и шаг (дискретность) регулирования, при этом, заданное соотношение производительностей насосов сохраняется.
Количество каналов в МНУ определяется конструктором агрегата, на котором планируется использовать описываемую насосную установку.
Количество ступеней регулирования зависит от количества каналов в МНУ. Для реализации необходимого количества каналов можно объединить несколько многосекционных шестеренных насосов через раздаточную коробку или иным доступным способом.
Система обеспечивает жесткую стабильность выбранного объема подачи рабочей жидкости во всем диапазоне допустимых рабочих давлений на исполнительном механизме и позволяет изменять объем подаваемой рабочей жидкости при работе исполнительного механизма, т.е. под нагрузкой.
Система обеспечивает экономию моторного топлива или электроэнергии при выполнении работ при максимальной нагрузке и минимальных скоростях перемещения объекта нагрузки.