ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД
HYDROELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено в высокоточных и динамичных электрогидравлических приводах, используемых в следящих системах.
Известны объемно-замкнутые электрогидравлические приводы, работающие по закрытой схеме циркуляции рабочей жидкости. Промышленностью выпускались приводы второй гаммы типоразмерного ряда (Аксиально-поршневой регулируемый привод. Прокофьев В.Н. и др. Под ред. Прокофьева В.Н. М.: Машиностроение, 1969 г., с. 257, 263). В их силовой части используются аксиально-поршневые гидромашины с наклонным блоком и двойным несиловым карданом. Вал насоса приводится во вращение двигателем, а управление подачей насоса осуществляется электрогидравлическим механизмом управления с внутренней механической обратной связью по положению регулирующего органа насоса.
Недостатком этих электрогидравлических приводов является наличие механической обратной связи регулирующего органа насоса, конструктивное расположение в регулирующем органе насоса блока цилиндров, двойного несилового кардана, приводящих к высокому моменту инерции, что отрицательно сказывается на быстродействии электрогидравлического привода.
Известен также электрогидравлический привод АЮИЖ.461312.028 ТУ (Изделие 2Э61-1 ОАО «ВНИИ «Сигнал» г. Ковров, 15.05.2009), содержащий в силовой части насос и гидромотор с двойным не силовым карданом, рабочее давление которых увеличено до 32 МПа, а обратная связь в механизме управления насоса выполнена с использованием датчика угла, кинематически соединенного с регулирующим органом насоса.
Указанный электрогидравлический привод АЮИЖ.461312.028, как наиболее близкий к заявленному изобретению, принят за прототип. Он содержит аксиально-поршневой регулируемый насос, аксиально-поршневой гидромотор, которые соединены гидравлическими магистралями, двигатель соединен кинематической связью с регулируемым насосом и с вспомогательным насосом. С регулируемым насосом механически соединены электрогидравлический механизм управления и вход датчика угла. Вход вспомогательного насоса соединен с пополнительным баком, а его выход - с входом предохранительного клапана, с гидравлическим входом электрогидравлического механизма управления и с входами двух подпиточных клапанов. Выход предохранительного клапана соединен с пополнительным баком, выходы двух подпиточных клапанов - с соответствующими гидравлическими магистралями, соединяющими аксиально-поршневой регулируемый насос и аксиально-поршневой гидромотор. Датчик угла электрическим выходом соединен со вторым входом сумматора, первый вход которого является управляющим входом электрогидравлического привода. Электрический выход сумматора соединен с электрическим входом электрогидравлического механизма управления. Выходной вал гидромотора соединен с объектом регулирования. Аксиально-поршневой регулируемый насос выполнен с двойным несиловым карданом.
Недостатками прототипа является высокий приведенный момент инерции регулирующего органа, что отрицательно сказывается на быстродействии и точности наведения при изменении знака управляющего сигнала.
Целью изобретения является повышение «чувствительности» и «жесткости» привода, которые в итоге обеспечивают повышение точности наведения электрогидравлического привода, обеспечивают возможность применения гидромашин с наклонным диском в высокоточных и быстродействующих электрогидравлических приводах.
Указанная цель достигается тем, что в электрогидравлическом приводе, содержащем аксиально-поршневой регулируемый насос, аксиально-поршневой гидромотор, которые соединены гидравлическими магистралями, двигатель соединен кинематической связью с аксиально-поршневым регулируемым насосом и с вспомогательным насосом, с регулирующим органом аксиально-поршневого регулируемого насоса механически соединены электрогидравлический механизм управления и вход датчика угла, вход вспомогательного насоса соединен с пополнительным баком, а его выход - с входом предохранительного клапана, с гидравлическим входом электрогидравлического механизма управления и с входами двух подпиточных клапанов, выход предохранительного клапана соединен с пополнительным баком, выходы двух подпиточных клапанов - с соответствующими гидравлическими магистралями, соединяющими аксиально-поршневой регулируемый насос и аксиально-поршневой гидромотор, датчик угла электрическим выходом соединен со вторым входом сумматора, первый вход которого является управляющим входом электрогидравлического привода, электрический выход сумматора соединен с электрическим входом электрогидравлического механизма управления, выходной вал аксиально-поршневого гидромотора соединен с объектом регулирования, при этом в отличие от прототипа аксиально-поршневой регулируемый насос выполнен с наклонным диском и гидростатическими опорами, в блоке цилиндров которого установлены пустотелые с осевыми каналами поршни со сферическими головками, в каждом из поршней осевой канал переходит в осевое отверстие дросселя-регулятора, расположенного в сферической головке поршня, в которой выполнены дополнительные каналы, соединяющие осевой канал поршня с рабочей поверхностью сферической головки, на которой ответно установлена гидростатическая опора с центральной приемной камерой, постоянно соединенной с дросселем-регулятором и дополнительными отверстиями с расположенной на ее рабочем торце кольцеобразной разгрузочной камерой, окруженной уплотняющими поясками, выходящими в дренажную полость аксиально-поршневого с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемого насоса, торец гидростатической опоры контактирует с упорным диском, установленным в регулирующем органе аксиально-поршневого регулируемого насоса с наклонным диском и гидростатическими опорами, а на рабочей части сферической головки поршня выполнена кольцевая канавка, объединяющая дополнительные каналы сферической головки поршня, образуя поясок, создающий положительное перекрытие с центральной приемной камерой гидростатической опоры, причем угол положительного перекрытия определяется соотношением:
,
где λ- угол положительного перекрытия,
- величина утечек в аксиально-поршневом с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемом насосе,
- величина утечек в аксиально-поршневом гидромоторе,
- величина перетечек в аксиально-поршневом с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемом насосе,
- величина перетечек в аксиально-поршневом гидромоторе,
- величина расхода сжимаемости в аксиально-поршневом с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемом насосе,
- величина расхода сжимаемости в аксиально-поршневом гидромоторе,
- величина расхода сжимаемости в гидравлической магистрали,
- площадь сечения поршня в аксиально-поршневом с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемом насосе,
- диаметр окружности, на которой расположены оси отверстий в блоке цилиндров аксиально-поршневого с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемого насоса,
z - количество поршней в аксиально-поршневом с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемом насосе,
n - частота вращения вала аксиально-поршневого с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемого насоса,
Δ - запас угла положительного перекрытия.
На фиг. 1 приведена упрощенная структурная схема электрогидравлического привода; на фиг. 2 изображен аксиально-поршневой регулируемый насос с наклонным диском и гидростатическими опорами; на фиг. 3 - поршень и его гидростатическая опора.
упр
Электрогидравлический привод (фиг. 1) содержит аксиально-поршневой с наклонным диском и гидростатическими опорами регулируемый насос (далее - регулируемый насос) 1, аксиально-поршневой гидромотор (далее - гидромотор) 2, которые соединены гидравлическими магистралями 3 и 4, двигатель 5 соединен кинематической связью 6 с регулируемым насосом 1 и с вспомогательным насосом 7. С регулируемым насосом 1 механически соединены электрогидравлический механизм управления 8 и вход датчика угла 9. Вход вспомогательного насоса 7 соединен с пополнительным баком 10, а его выход - с входом предохранительного клапана 11, с гидравлическим входом электрогидравлического механизма управления 8 и с входами подпиточных клапанов 12 и 13. Выход предохранительного клапана 11 соединен с пополнительным баком 10, выходы подпиточных клапанов 12 и 13 - с соответствующими гидравлическими магистралями 3 и 4. Датчик угла 9 электрическим выходом соединен со вторым входом сумматора 14, первый вход которого является управляющим входом U электрогидравлического привода. Электрический выход сумматора 14 соединен с электрическим входом электрогидравлического механизма управления 8. Выходной вал гидромотора 2 кинематически соединен с объектом регулирования 15. Регулируемый насос 1 выполнен с наклонным диском и гидростатическими опорами.
На фиг. 2 изображен регулируемый насос 1, в регулирующем органе 16 которого расположен упорный диск 17. Механически с регулирующим органом 16 соединены электрогидравлический механизм управления 8 и датчик угла 9. На вал 18 регулируемого насоса 1 установлен блок цилиндров 19 с пустотелыми с осевыми каналами поршнями 20 и гидростатическими опорами 21. Со стороны торца блока цилиндров 19 расположен неподвижный распределитель 22.
На фиг. 3 изображены пустотелый с осевым каналом поршень 20 и гидростатическая опора 21, расположенная на сферической головке 23 поршня 20. Осевой канал пустотелого поршня 20 переходит в осевое отверстие дросселя-регулятора 24, расположенного в сферической головке 23, в которой выполнены дополнительные каналы 25, соединяющие осевой канал пустотелого поршня 20 с рабочей частью сферической головки 23, на которой ответно установлена гидростатическая опора 21. В гидростатической опоре 21 выполнена центральная приемная камера 26, гидравлически соединенная с дросселем-регулятором 24 и дополнительными отверстиями 27 с разгрузочной камерой 28, которая расположена на рабочем торце гидростатической опоры 21, взаимодействующей с упорным диском 17. Разгрузочная камера 28 выполнена кольцеобразной и окружена уплотняющими поясками 29. Уплотняющие пояски (внутренний и внешний) 29 заканчиваются дренажной полостью 30, соединенной с корпусом гидромашины (на фиг. 3 не показана). На рабочей части сферической головки 23 выполнена кольцевая канавка 31, гидравлически соединяющая между собой выходящие на рабочую часть сферической головки 23 дополнительные каналы 25 и образующая поясок 32, создающий положительное перекрытие с центральной приемной камерой 26 гидростатической опоры 21, причем угол положительного перекрытия определяется соотношением:
,
где  - угол положительного перекрытия,
- величина утечек в регулируемом насосе 1,
- величина утечек в гидромоторе 2,
- величина перетечек в регулируемом насосе 1,
- величина перетечек в гидромоторе 2,
- величина расхода сжимаемости в регулируемом насосе 1,
- величина расхода сжимаемости в гидромоторе 2,
- величина расхода сжимаемости в гидравлической магистрали 3 или 4,
n
F - площадь сечения поршня 20 в регулируемом насосе 1,
6
D - диаметр окружности, на которой расположены оси отверстий в блоке цилиндров 19 регулируемого насоса 1,
z - количество поршней 20 в регулируемом насосе 1,
n - частота вращения вала 18 регулируемого насоса 1,
Δ - запас угла положительного перекрытия.
упр
Электрогидравлический привод работает следующим образом. После включения двигателя 5 (фиг. 1) начинает вращаться вал регулируемого насоса 1 и вал вспомогательного насоса 7. При отсутствии на первом входе сумматора 14 управляющего сигнала U регулирующий орган 16 с упорным диском 17 (фиг. 2) находятся в нейтральном нулевом положении. Регулируемый насос 1 (фиг. 1) не подает рабочую жидкость в гидравлические магистрали 3 и 4, и вал гидромотора 2 не приводит в движение объект регулирования 15. Вспомогательный насос 7 подает рабочую жидкость из пополнительного бака 10 в предохранительный клапан 11, который поддерживает постоянным давление подпитки. Рабочая жидкость под давлением подпитки поступает на гидравлический вход электрогидравлического механизма управления 8, на входы подпиточных клапанов 12 и 13, поддерживающих давление в гидравлических магистралях 3 и 4. Электрический сигнал с датчика угла 9 поступает на второй вход сумматора 14, создавая отрицательную обратную связь по положению регулирующего органа 16 (фиг. 2) с установленным в нем упорным диском 17 регулируемого насоса 1 электрогидравлического привода. В таком конструктивном исполнении регулирующий орган 16 и упорный диск 17 в сборке образуют наклонный диск регулируемого насоса 1.
упр
yпp.
При поступлении управляющего сигнала U. на первый вход сумматора 14 (фиг. 1), соответствующий сигнал с выхода сумматора 14 поступает на электрический вход электрогидравлического механизма управления 8, который поворачивает регулирующий орган 16 (фиг. 2) и, соответственно, упорный диск 17 регулируемого насоса 1. Сигнал отрицательной обратной связи по углу поворота регулирующего органа 16 поступает через датчик угла 9 на вход 2 сумматора 14 и в момент, когда на выходе сумматора 14 сигнал будет близок к нулю, установится фиксированное соответствие угла поворота регулирующего органа 16 пропорционально поступившему на первый вход сумматора 14 управляющему сигналу UРегулируемый насос 1 (фиг. 1) подает рабочую жидкость в одну из гидравлических магистралей, например в 3, при этом подпиточный клапан, например, 12 прикрывается, а другой 13 приоткрывается. Рабочая жидкость по гидравлической магистрали 3 поступает в гидромотор 2, приводящий в движение объект регулирования 15, а по гидравлической магистрали 4 из гидромотора 2 возвращается в регулируемый насос 1.
При отклонении от нулевого нейтрального положения регулирующего органа 16 (фиг. 2) и, соответственно, упорного диска 17 регулируемого насоса 1, при вращающихся вале 18 и блоке цилиндров 19 регулируемого насоса 1, поршни 20 с гидростатическими опорами 21 совершают вращательное и возвратно-поступательное движения. На цикле вытеснения рабочая жидкость из отверстий в блоке цилиндров 19 с помощью поршней 20 через распределитель 22 поступает в гидравлическую магистраль, например, 3 (фиг. 1), далее в гидромотор 2, приводящий в движение объект регулирования 15. Из гидромотора 2 рабочая жидкость поступает в гидравлическую магистраль 4, а из нее через неподвижный распределитель 22 (фиг. 2) возвращается на цикле заполнения в отверстия блока цилиндров 19. В гидромоторе 2 энергия рабочей жидкости преобразуется в энергию вращательного движения его вала 18.
упр
В силовой исполнительной части электрогидравлического привода (регулируемый насос 1 и гидромотор 2) существуют гидромеханические и объемные потери. Они оказывают отрицательное влияние на качество процессов во всем электрогидравлическом приводе. Трение в гидромоторе 2, для преодоления которого регулируемым насосом 1 создается перепад давления рабочей жидкости, оценивается по времени застоя, запаздывания начала движения вала гидромотора 2 относительно начала нарастания от нуля синусоидального управляющего сигнала U, например, с амплитудой 0,1 от максимального значения подачи регулируемого насоса 1.
yпp.
yпp.
При наличии перепада давления в гидравлических магистралях 3, 4 в электрогидравлическом приводе имеются утечки и перетечки в регулируемом насосе 1 и гидромоторе 2, происходит сжатие рабочей жидкости в регулируемом насосе 1, гидромоторе 2, гидравлических магистралях 3, 4. Эти объемные потери восполняются вспомогательным насосом 7. Чем меньше объемные потери, тем стабильнее давление подпитки, тем стабильнее и точнее осуществляется отработка поворота регулирующего органа 16 регулируемого насоса 1 соответственно управляющему сигналу U Для опосредованной оценки качества электрогидравлического привода используются показатели: «чувствительность» - измеряется напряжение управления U на первом входе сумматора 14, при котором перепад давления между гидравлическими магистралями 3 и 4 достигает 4 МПа, и «жесткость» - соответствующий перепад давления 16 МПа, измеряемые при заторможенном вале гидромотора 2. Чем меньше величина утечек, тем лучше показатели «чувствительность» и «жесткость». Эти показатели проверяются на этапе приемосдаточных испытаний электрогидравлического привода.
Для сферических головок 23 (фиг. 2) и гидростатических опор 21 регулируемого насоса 1 нужно малое трение между ними. Как следствие, уменьшенное трение позволит самоустановиться гидростатической опоре 21 параллельно по отношению к упорному диску 17, что, в свою очередь, уменьшит утечки между гидростатическими опорами 21 и упорным диском 17.
-1
Кроме того, у регулируемого насоса 1 угол поворота регулирующего органа 16 и, соответственно, угол наклона (γ) упорного диска 17 изменяется от нуля до максимального. Усилие, поджимающее гидростатическую опору 21 к упорному диску 17, увеличивается в (cos γ) раз по сравнению с нулевым углом наклона упорного диска 17. Для исключения превышения допустимого усилия поджатия гидростатической опоры 21 к упорному диску 17 на больших углах используются дополнительные каналы 25 (фиг. 3) в сферической головке 23.
При нулевом угле наклона упорного диска 17 рабочая жидкость по осевому каналу пустотелого поршня 20 поступает в осевое отверстие дросселя-регулятора 24 и через центральную приемную камеру 26 гидростатической опоры 21 по дополнительным отверстиям 27 - в кольцеобразную разгрузочную камеру 28. Размеры дополнительных отверстий 27 и уплотняющих поясков 29 обеспечивают в этом случае равенство прижимающих и отжимающих гидростатическую опору 21 сил. Оптимальный расход утечек через уплотняющие пояски 29 поступает в дренажную полость 30 регулируемого насоса 1 непосредственно (от внешнего пояска) и из дренажной полости 30 (от внутреннего пояска). Наличие двух уплотняющих поясков 29 уменьшает до оптимального расход утечек между гидростатической опорой 21 и упорным диском 17. Выведение дополнительных каналов 25 и объединение их кольцевой канавкой 31 на рабочей части сферической головки 23 пустотелого поршня 20 позволяет подвести на рабочую часть сферической головки 23 рабочую жидкость под давлением из осевого канала пустотелого поршня 20, что уменьшает трение между сферической головкой 23 и гидростатической опорой 21. Введение в конструкцию кольцеобразной разгрузочной камеры 28 увеличивает устойчивость гидростатической опоры 21, уменьшает клиновидность зазора между ней и упорным диском 17, что приводит как к суммарному уменьшению трения, так и дополнительному уменьшению утечек в гидростатической опоре 21. Создаваемое пояском 32 положительное перекрытие между кольцевой канавкой 31 и центральной приемной камерой 26 гидростатической опоры 21 обеспечивает такие показатели, как «чувствительность и «жесткость», при этом угол положительного перекрытия определяется соотношением:
,
где  - угол положительного перекрытия,
- величина утечек в регулируемом насосе 1,
- величина утечек в гидромоторе 2,
- величина перетечек в регулируемом насосе 1,
- величина перетечек в гидромоторе 2,
- величина расхода сжимаемости в регулируемом насосе 1,
- величина расхода сжимаемости в гидромоторе 2,
- величина расхода сжимаемости в гидравлической магистрали 3 или 4,
- площадь сечения поршня 20 в регулируемом насосе 1,
- диаметр окружности, на которой расположены оси отверстий в блоке цилиндров 19 регулируемого насоса 1,
z - количество поршней 20 в регулируемом насосе 1,
n - частота вращения вала 18 регулируемого насоса 1,
Δ - запас угла положительного перекрытия.
Увеличение угла наклона регулирующего органа 16 с упорным диском 17 приводит к увеличению силы, прижимающей гидростатическую опору 21. Для восстановления равенства прижимающих и отжимающих гидростатическую опору 21 сил по дополнительным каналам 25 рабочая жидкость из осевого канала пустотелого поршня 20 поступает в центральную приемную камеру 26 гидростатической опоры 21, а из нее - в кольцеобразную разгрузочную камеру 28, восстанавливая равенство сил и сохраняя оптимальное значение величины утечек рабочей жидкости.
Вынос на периферию гидростатической опоры 21 кольцеобразной разгрузочной камеры 28 и уменьшение трения между сферической головкой 23 и гидростатической опорой 21 уменьшает клиновидность зазора между гидростатической опорой 21 и упорным диском 17. Устранение клиновидности приводит к уменьшению трения и уменьшению утечек в регулируемом насосе 1.
yпp.
упр
После подачи управляющего сигнала U регулирующий орган 16 регулируемого насоса 1 поворачивается. Чем меньше величина утечек, перетечек, сжимаемости рабочей жидкости, тем меньший сигнал управления U. потребуется, чтобы повернуть регулирующий орган 16 регулируемого насоса 1 на относительно меньший угол, при котором появляется вращение вала гидромотора 2. При меньшем угле поворота регулирующего органа 16 регулируемого насоса 1 требуется меньшее время для начала вращения вала гидромотора 2, т.е. уменьшается время застоя при изменении знака управляющего сигнала, а также повышаются показатели "чувствительность" и "жесткость" привода, обеспечивающие точность наведения электрогидравлического привода.
Проведенные в АО «ВНИИ «Сигнал» испытания показали, что поршни с гидростатическими опорами, выполненные по заявляемому техническому решению, даже с повышенными зазорами между поршнями и отверстиями блока цилиндров, обеспечивают требования повышения точности наведения электрогидравлического привода.
Выполнение электрогидравлического привода в соответствии с заявляемой формулой изобретения с регулируемым насосом и регулируемым или нерегулируемым гидромотором в виде аксиально-поршневых гидромашин с наклонным диском и гидростатическими опорами позволяет повысить уровень унификации изделия.