ОБЪЕМНЫЙ ГИДРОПРИВОД СО СТУПЕНЧАТЫМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ СКОРОСТИ И СИЛОВОЙ НАГРУЗКИ НА ВЫХОДНОМ ЗВЕНЕ ГИДРОДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области гидравлики, в частности, к объемным гидроприводам с машинным регулированием, предназначенным, преимущественно, для использования в составе исполнительных и нагружающих устройств, например, испытательных стендов, тормозных устройств.
Известны гидроприводы, содержащие несколько гидродвигателей - гидроцилиндров с двухсторонними штоками, связанными между собой с образованием общего штока. SU №№1032691, 1839882, 1840018.
Недостатком данных устройств является отсутствие возможности одновременного задействования более, чем одного гидроцилиндра, и обеспечения ступенчатого переключения скорости и усилия на общем штоке.
Известен привод тормоза грузового вагона, включающий тормозную магистраль, воздухораспределитель, запасной резервуар, тормозной гидроцилиндр, рычажную передачу управления тормозными колодками и авторежим, установленный на раме вагона и своей пятой взаимодействующий с плитой боковины тележки, в котором тормозной гидроцилиндр по своей длине выполнен ступенчатым, состоящим из ряда участков внутренних его полостей различного диаметра, в полостях подвижно расположены соответствующего им диаметра поршни, жестко закрепленные на общем штоке и взаимосвязанные с одной стороны с рычажной передачей управления тормозными колодками, а с другой через пружину сжатия - с корпусом тормозного гидроцилиндра, надпоршневые полости каждой из внутренних полостей тормозного гидроцилиндра сообщены с атмосферой, а подпоршневые с помощью трубопроводов - с каналами, выполненными в корпусе авторежима, установленного на раме вагона так, что их продольные оси симметрии совпадают с подобными осями диаметрально расположенных в этом же корпусе других каналов также с помощью трубопроводов, присоединенных к трубопроводу воздухораспределителя, причем внутри корпуса авторежима в его продольной вертикальной полости подвижно установлен подпружиненный пружиной сжатия плунжер с выточкой в его нижней части, который с помощью пяты контактирует с плитой боковины тележки при вертикальных перемещениях вагона в грузовых режимах его состояния (RU №2402443, прототип).
Данное известное устройство позволяет обеспечить ступенчатое переключение скорости и усилия на общем штоке и одновременное задействование более, чем одного гидродвигателя.
Недостатками известного устройства является отсутствие возможности дистанционного управления и реверса, ограниченное число вариантов сочетаний задействованных гидроцилиндров, низкий кпд, сложность и низкая надежность средства переключения, которое работает при переменном давлении текучей среды и выполняет с помощью одного многопозиционного конструктивно сложного золотника функции управления и распределения.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного гидропривода ступенчатого переключения скорости и усилия или момента, а также расширение арсенала гидроприводов ступенчатого переключения скорости и усилия или момента.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в том, что расширены функциональные возможности для обеспечения дистанционного управления, реверса и любых сочетаний синфазного задействования любого числа гидродвигателей (гидроцилиндров или гидромоторов), повышен кпд, упрощены средства переключения за счет реализации их на дискретных (не имеющих промежуточных состояний и положений) распределителях, повышена надежность работы при постоянном давлении текучей среды. Обеспечена возможность выполнения больших величин силовых нагрузок (усилие или момент) на выходном звене гидродвигателя с ступенчатым уменьшением скорости движения выходного звена по общему закону постоянной мощности.
Сущность полезной модели состоит в том, что объемный гидропривод ступенчатого переключения скорости и силовой нагрузки содержит группу гидродвигателей, связанных своими выходными звеньями между собой и с нагрузкой, рабочие гидролинии и средства переключения дискретного действия, включающие направляющий распределитель и управляющие распределители, причем направляющий распределитель выполнен с возможностью изменения направления пропускания рабочей среды и подключен входами к источнику подачи рабочей среды под давлением и к сливу, а выходами - к рабочим гидролиниям, а каждый управляющий распределитель выполнен с возможностью дистанционного управления и подключен входами к рабочим гидролиниям, а выходами - к полостям одного из гидродвигателей.
В частных случаях реализации гидродвигатели выполнены в виде гидроцилиндров с двухсторонними штоками, установленными соосно с образованием выходного звена в виде общего штока, в иных случаях реализации гидродвигатели выполнены в виде гидромоторов с валами, установленными параллельно с образованием выходного звена в виде общего вала.
Предпочтительно, направляющий распределитель выполнен четырехлинейным трехпозиционным с нормально закрытыми входами и выходами в среднем положении, и снабжен устройством ручного переключения и пружиной возврата, а средства переключения дискретного действия выполнены с количеством управляющих распределителей, равным числу гидродвигателей, причем каждый управляющий распределитель выполнен четырехлинейным двухпозиционным с нормально соединенными между собой выходами, и снабжен электромагнитом управления и пружиной возврата.
При этом гидропривод выполнен с возможностью поочередного или совместного переключения управляющих распределителей, а источник подачи рабочей среды выполнен в виде нерегулируемого насоса с напорным клапаном на одном из входов направляющего распределителя.
На чертеже фиг. 1 изображена принципиальная гидравлическая схема объемного гидропривода ступенчатого переключения линейной скорости и нагрузки (усилия) на выходном звене, на фиг. 2 - принципиальная гидравлическая схема объемного гидропривода ступенчатого переключения угловой скорости (числа оборотов) и нагрузки (момента) на выходном звене, на фиг. 3 - семейство рабочих характеристик гидропривода ступенчатого переключения скорости и силовой характеристики (усилия на выходном звене при выполнении гидродвигателей в виде гидроцилиндров (или угловой скорости и момента при выполнении гидродвигателей в виде гидромоторов).
Гидропривод ступенчатого переключения линейной скорости и усилия по фиг. 1 содержит группу симметричных гидроцилиндров (как это показано на фиг. 1) 1, 2, 3 (Ц1, Ц2, Ц3), связанных соосными двухсторонними штоками между собой с образованием общего штока 4 (общего выходного звена 4) и с нагрузкой (не изображена). Связь штоков обеспечивает синфазность их перемещения в гидроцилиндрах.
Гидропривод ступенчатого переключения угловой скорости и момента по фиг. 2 содержит группу гидромоторов 13, 14, 15 (ГМ1, ГМ2, ГМ3), связанных параллельными валами между собой с помощью зубчатой передачи - редуктора 17 с образованием общего вала 16 (общего выходного звена 16) и с нагрузкой (не изображена).
Гидропривод в исполнениях по фиг. 1 и по фиг. 2 содержит рабочие гидролинии 5 и 6 и средства переключения дискретного действия, включающие направляющий распределитель 7 (P) и управляющие распределители 8, 9, 10 (Р1, Р2, Р3). Направляющий распределитель 7 выполнен с возможностью изменения направления пропускания рабочей среды и подключен входами к источнику подачи рабочей среды и к сливу, а выходами - к рабочим гидролиниям 5 и 6. Каждый управляющий распределитель 8, 9, 10 выполнен с возможностью дистанционного управления и подключен входами к рабочим гидролиниям 5 и 6, а выходами - к полостям одного из гидродвигателей (гидроцилиндров 1-3 или гидромоторов 13-15).
Ц1
Ц2
Ц3
Гидропривод по фиг. 1 содержит, например, три последовательно связанных двухсторонними штоками гидроцилиндра 1-3, выполненных с поршнями, эффективные площади которых соотносятся, например, как А:А:А=1:2:4.
1
2
3
Гидропривод по фиг. 2 содержит, например, три последовательно связанных валами гидромотора 13-15, выполненных с рабочими объемами, которые соотносятся, например, как, Wгм:Wгм:Wгм=1:2:4.
Направляющий распределитель 7 выполнен четырехлинейным трехпозиционным с нормально закрытыми входами и выходами в среднем положении, и снабжен устройством ручного переключения и пружиной возврата (не обозначены).
Средства переключения дискретного действия выполнены с количеством управляющих распределителей 8-10, равным числу гидродвигателей (гидроцилиндров 1-3 или гидромоторов 13-15), причем каждый управляющий распределитель 8-10 выполнен четырехлинейным двухпозиционным с нормально соединенными между собой выходами, и снабжен электромагнитом управления и пружиной возврата (не обозначены).
Распределители 7-10 предпочтительно выполняются с клапанными дискретно переставляемыми элементами, и не имеют промежуточных рабочих положений. Распределители 7-10 имеют функциональные обозначения по числу линий (входов и выходов рабочей среды) и числу позиций. Распределитель 7 имеет функциональное обозначение 4/3 (четырехлинейный трехпозиционный), распределители 8-10 - функциональное обозначение 4/2 (четырехлинейный двухпозиционный).
Гидропривод выполнен с возможностью поочередного или совместного переключения направляющего и управляющих распределителей 7-10. Алгоритм переключения распределителей 8-10 устанавливается и реализуется с помощью программируемого устройства управления или вручную с помощью коммутирующих средств (не изображено).
Источник подачи рабочей среды в гидропривод выполнен в виде нерегулируемого объемного насоса 11 (H) постоянной подачи. Напорный клапан 12 (K) установлен в напорной гидролинии от насоса 11 до входа в направляющий распределитель 7. Всасывающая гидролиния насоса 11, слив клапана 12 и сливная гидролиния распределителя 7 соединены с баком 18 (Б) и с одним из входов распределителя 7.
11
12
i
i
i
На фиг. 1 обозначены ΣFнагр - суммарное усилие на выходном звене - общем штоке 4, (на фиг. 2 ΣMнагр - суммарный момент на выходном звене - общем валу 16), P, P - значения давления в полостях гидроцилиндров 1-3, Pн - давление насоса 11, согласно настройке клапана 12. На фиг. 3 обозначены Vпi - скорость штока 4, где 1 - порядковый номер гидроцилиндра с эффективной площадью A, F - усилие выходном звене - i-ом штоке, (для гидромотора M нагр - момент на выходном звене - i-ом валу). Пунктиром показаны границы рабочего поля, определяемые максимальной постоянной мощностью при постоянной подаче насоса 11 (расхода гидродвигателя) и максимального давления нагнетания, ограничиваемого напорным клапаном 12.
Объемный гидропривод ступенчатого переключения скорости работает следующим образом.
Гидропривод служит для создания нескольких значений скорости и нагружающего усилия или момента, например в составе испытательного стенда.
Устанавливается, например, вручную, одно из крайних положений распределителя 7, определяющее направление движения штока 4. При этом одна из рабочих линий 5 или 6 является нагнетательной (напорной) и соединяется с напорной полостью насоса 11, а другая - сливной и соединяется со сливом - баком 18. При другом крайнем положении распределителя 7 состояние гидролиний 5 или 6 меняется на противоположное.
С помощью соответствующих электромагнитов управления один или несколько распределителей из группы 8-10 устанавливается в положение, при котором одна из полостей соответствующего гидроцилиндра(ов) соединяется с напорной рабочей гидролинией, например, линией 5, а другая со сливной гидролинией 6.
При включении насоса 11 рабочая среда поступает в подключенные к гидролинии 5 полости гидроцилиндров 8-10, и вытесняется из противоположных полостей этих гидроцилиндров в бак 18. При наличии нагрузки на выходном звене гидродвигателя в напорной гидролинии нагнетания возникает давление. Поршни не задействованных гидроцилиндров из 1-3 синфазно перемещаются пассивно, т.к. их полости соединены между собой через соответствующие распределители из 8-10, находящиеся в этом исходном положении при отсутствии сигнала на электромагните управления.
В зависимости от положения распределителя 7 шток 4 движется в том или ином направлении.
Аналогично работает гидропривод при использовании в качестве гидродвигателей нерегулируемых гидромоторов 13-15 с числом «n» оборотов вала 16.
В зависимости от положения распределителей 8-10 рабочая среда (рабочая жидкость) поступает по фиг. 1 в гидроцилиндр 1, или в гидроцилиндр 2, или в гидроцилиндр 3, или в гидроцилиндры 1 и 2, или в гидроцилиндры 2 и 3, или в гидроцилиндры 1 и 3, или в гидроцилиндры 1 и 2 и 3.
При числе гидродвигателей N и равных рабочих параметрах (эффективные площади поршней гидроцилиндров 1-3 или нерегулируемые рабочие объемы W гидромоторов 13-15) число вариантов рабочих характеристик к=N.
i-1
N
При числе гидродвигателей N и соотношении их рабочих параметров (эффективные площади поршней гидроцилиндров или нерегируемые рабочие объемы гидромоторов) по закону 2, где i - порядковый номер гидродвигателя, i=1…N число вариантов рабочих характеристик определяется выражением к=2-1.
Таким образом, обеспечивается, с учетом соотношения 1:2:4 эффективных площадей поршней гидроцилиндров 1-3, семь вариантов скорости и усилия на штоке 4, что, как правило, достаточно для создания нагрузок и скоростей нагрузки во всем диапазоне испытаний. Скорость штока 4 определяется отношением подачи насоса 11 к суммарной эффективной площади задействованных гидроцилиндров из 1-3, а усилие - произведением давления в напорной гидролинии 5 на суммарную эффективную площадь задействованных гидроцилиндров из 1-3.
1
2
3
Аналогично обеспечивается семь вариантов числа n оборотов (угловой скорости) и момента M на валу 16 при выполнении гидромоторов 13-15 с рабочими объемами, которые соотносятся, например, как Wгм:Wгм:Wгм=1:2:4.
Пi
отн
Цi
Ц1
i
отн
i
1
Таким образом, в процессе нагружения обеспечивается возможность реализации значений силовых нагрузок на выходном звене гидродвигателя, определяемых V=f(F=ΣF/F) или n=f(M=ΣM/M).
Пi
отн
Цi
Ц1
i
отн
i
1
Соотношение V=f(F=ΣF/F) отражает зависимость "скорость -относительное суммарное усилие" на штоке 4, Соотношение n=f(M=ΣM/M отражает зависимость "угловая скорость - относительный суммарный момент" на валу 16.
В случае изменения настройки клапана 12 или использования насоса 11 с другой подачей характеристики сместятся, но их характер останется таким же - граница рабочего поля будет представлять собой гиперболу, отражающую закон постоянной мощности на выходном звене гидродвигателя.
Характеристики на фиг. 3 построены качественно, без учета гидравлических потерь и потерь на трение.
Таким образом, обеспечена возможность ступенчатого, практически без задержки, переключения скорости и, одновременно, усилия нагружения или момента на выходном звене гидродвигателя 4 путем дискретного переключения распределителей 8-10 из исходного положения в положение подачи из напорной гидролинии 5 рабочей среды под давлением в одну полость любого гидродвигателя из 1-3 или 13-15 с одновременным соединение другой полости со сливной гидролинией 6. В процессе переключения промежуточные значения скорости и усилия (момента) на выходном звене 4 или 16 практически не реализуются.
В результате, при необходимости, изменение направления и величин скоростей и преодолеваемой нагрузки происходит практически мгновенно, например, от первого на седьмое значение, минуя все промежуточные параметры регулирования (минуя второе … шестое) или с шестого на второе (минуя пятое … третье) значение, работа на всех позициях регулирования происходит с максимально возможным КПД, теоретически близком к 1, при постоянной подаче насоса 11 и давлении, не превышающем давление напорного клапана 12. Переключением распределителя 7 реализуется ступенчатое изменение направления скорости и направления параметра нагружения на выходном звене 4 или 16.
Таким образом, расширены функциональные возможности для обеспечения дистанционного управления, реверса и любых сочетаний синфазного задействования любого числа гидродвигателей (гидроцилиндров или гидромоторов), повышен кпд, упрощены средства переключения за счет реализации их на дискретных (не имеющих промежуточных состояний и положений) распределителях, повышена надежность работы при постоянном давлении текучей среды. Обеспечена возможность выполнения больших величин силовых нагрузок (усилие или момент) на выходном звене гидродвигателя с ступенчатым уменьшением скорости движения выходного звена по общему закону постоянной мощности.