ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к горно-шахтной промышленности, в частности к электрогидравлической системе управления исполнительными механизмами проходческих комбайнов, и может быть использовано в различных электрогидравлических приводах.
Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия предназначен для распределения и регулирования расхода рабочей жидкости в гидравлических системах горнодобывающих машин при постоянном давлении.
Известен пропорциональный гидрораспределитель с электромагнитным управлением фирмы AIDRO HYDRAULICS (Италия) [1], прототип, являющийся типовым представителем семейства пропорциональных электрогидрораспределителей [2-6]. На фиг. 1 показана конструкция гидрораспределителя HD3-PS, представляющего собой корпус 1, с расположенными в нем линиями нагнетания, слива и потребителя, в котором установлен поджатый пружинами 2 золотник 3, электромагнит 4 с якорем 5 и аварийными штифтами 6, расположенными на торцевой стороне электромагнитов и предназначенными для перемещения золотника вручную при отключении электроэнергии. Под действием пружин 2 и пропорциональных электромагнитов 4 золотник 3 смещается в корпусе 1, соединяя требуемым образом впускные и выпускные каналы, тем самым управляя исполнительным механизмом в гидравлической системе. Общим конструктивным признаком аналогичных устройств является организация управления пилотным распределителем с помощью пропорциональных электромагнитов, применяемых для обеспечения возвратно поступательных движений управляющего золотника. Следствием чего является значительное потребление гидрораспределителем электроэнергии. Расход энергии гидрораспределителем идет постоянно, и в момент переключения золотника в требуемое положение, и в режиме его удержания в заданном положении. Мощность, потребляемая аналогами, достигает предела для взрывоопасной среды 24 Вт и выше, а температура на внешней поверхности пропорциональных электромагнитов 125°С, что существенно ограничивает их применение в горно-шахтных условиях.
Общими существенными признаками прототипа с заявляемым устройством является наличие корпуса с рабочими каналами линий нагнетания, слива и потребителя, в котором размещен основной золотник, пропорционального электромагнита с якорем, передающим усилие от магнита на золотник для перемещения его из нейтральной позиции в нужное конечное положение.
Задачей данной полезной модели является создание пропорционального электрогидравлического распределителя прямого действия с низкой потребляемой мощностью для работы в гидросистемах горнодобывающих машин.
Техническим результатом является расширение арсенала пропорциональных электрогидравлических распределителей прямого действия во взрывозащищенном рудничном исполнении, при одновременном снижении потребляемой мощности с сохранением габаритно присоединительных и весовых характеристик и увеличением расходов рабочей жидкости.
Технический результат достигается тем, что в пропорциональном электрогидравлическом распределителе прямого действия, содержащем корпус с рабочими каналами линий нагнетания, слива и потребителя, с размещенным в нем и центрированным возвратными пружинами золотником, выполненным с возможностью перемещения из нейтральной позиции в нужное конечное положение под действием пропорциональных электромагнитов, состоящих из электромагнитной муфты с якорем, электромагниты дополнительно содержат подвижный полюс, расположенный внутри электромагнитной муфты соосно с якорем, при этом  внешние концы золотника жестко соединены с якорями электромагнитов, а к подвижным полюсам муфт через винтовую передачу присоединены валы гибридных шаговых двигателей, закрепленных на противоположных концах корпуса гидрораспределителя.
Для решения поставленной задачи в пропорциональном электрогидравлическом распределителе прямого действия применены гибридные шаговые двигатели, валы которых через винтовую передачу жестко связаны с якорями электромагнитов, позволяющие усилить в несколько раз силу, действующую на золотник со стороны якоря электромагнита и существенно расширить диапазон его осевого перемещения. Осевое перемещение центрированного пружинами силового управляющего золотника происходит за счет однонаправленного воздействия силы от электромагнита, позволяющей обеспечить достаточную силу сцепления золотника и якоря при минимальных затратах энергии, и силы воздействия через винтовую передачу гибридного шагового двигателя. Факт совместного воздействия силами электромагнита и шагового двигателя позволил снизить рассеиваемую электрическую мощность управления гидрораспределителем, снизить потребляемую им мощность и ток при регулировании и удержании золотника, а также расширить диапазон диаметров условного проходного сечения управляемых каналов, увеличить диапазон расходов при прямом управлении по сравнению с аналогами пропорциональных распределителей прямого действия, ограниченными по энергетическим затратам на управление.
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1. Электрогидравлический распределитель HD3-PS (прототип).
Фиг. 2. Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия.
Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия состоит из корпуса 7 с запрессованной гильзой 8 и подвижного в осевом направлении золотника 9, жестко связанного с якорями 10 электромагнитных муфт сцепления 11 через тяги 12 и 13 посредством штифтов 14. Золотник 9 удерживается и возвращается посредством пружин 15 в исходное состояние, при котором напорный канал Р отсечен от адресных каналов А и В, а адресные каналы А и В соединены с соответствующим сливным каналом Та и Тв, канал Т независим и предназначен для гидравлической разгрузки полостей муфты сцепления и винтовой передачи.
Электромагнитная муфта сцепления 11 (фиг. 2) состоит из электромагнитной катушки и подвижного полюса 16 с нарезанной резьбой в центральной части, имеющего ограничитель в виде штифта 17. Штифт 17 предназначен для ограничения нулевого положения подвижного полюса 16 в момент выхода пропорционального гидрораспределителя в исходное состояние, а также исключения поворота подвижного полюса 16 при регулировании его положения в электромагнитной катушке передачей винтового привода 18.
Винтовой привод 18 состоит из корпуса с жестко закрепленным на нем гибридным шаговым двигателем 19, на валу которого установлен винт 20, зажатый для исключения осевых перемещений подшипником 21 и упором 22. Винт 20 в свою очередь ввинчен в подвижный полюс 16 электромагнитной муфты сцепления 11.
Управление заявленным распределителем осуществляется платой контроллера 23, помещенной в корпус 24, жестко закрепленного на корпусе гидравлического распределителя 7. Питание гибридных шаговых двигателей 19, электромагнитных муфт сцепления 11, датчика положения и контроллера осуществляется через разъем 25.
Датчик положения золотника необходим для осуществления обратной связи по исполнительному органу и состоит из корпуса 26, магнита 27, закрепленного на тяге 13 и платы датчика 28.
Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия работает следующим образом. При подаче напряжения питания, вне зависимости от того, в каком положении находятся подвижные полюса 16 электромагнитных муфт сцепления, включаются шаговые двигатели 19 с низким развиваемым моментом на перемещение подвижных полюсов 16 до нулевого положения, ограниченных штифтом 17, и уменьшают рабочий зазор между подвижными полюсами 16 и якорями 10 электромагнитных муфт 11 до величины 0,1...0,2 мм. Таким образом, обеспечивается готовность к управлению передвижением золотника при помощи гибридного шагового двигателя в обоих направлениях, а рабочий зазор электромагнитов сведен к минимальному значению, при котором значительно возрастает сила сцепления при минимальных затратах энергии.
В корпусе 7 силового пропорционального распределителя имеются подводящий гидравлический канал рабочей жидкости Р, отводящий канал Т и два адресных канала А и В, разделенные между собой гильзой 8 и золотником 9, таким образом, что в исходном положении золотника 9 все каналы заблокированы между собой. В исходном положении золотник 9 удерживается пружиной 21.
При поступлении команды на контроллер 23 по интерфейсу для регулирования производительности канала А или В включается соответствующая правая или левая электромагнитная муфта 11. Так как зазор между якорем 10 и подвижным полюсом 16 нормирован и определен в диапазоне 0,1-0,2 мм, развиваемая электромагнитная сила сцепления якоря 10 и подвижного полюса 16 позволяет преодолеть усилие возвратной пружины 21, не разрушая сцепления между ними. Вращаясь под действием управляющего сигнала, шаговый двигатель 19 посредством винтовой передачи перемещает подвижный полюс 16, который в свою очередь за счет действия электромагнитной силы перемещает якорь 10, жестко связанный с золотником 9. Использование шагового двигателя позволяет обеспечить высокую точность перемещения золотника, сравнимую с величиной шага двигателя. При поступлении сигнала на левый шаговый двигатель и левую электромагнитную муфту произойдет сцепление левого якоря 10 и левого подвижного полюса 16, винтовой привод 18 шагового двигателя начнет смещение подвижного полюса 16 и сцепленного с ним электромагнитной силой левого якоря 10 вправо, таким образом сдвинет золотник вправо, на расстояние, пропорциональное углу поворота шагового двигателя. Перемещаясь, золотник соединит каналы Р и В, А и Т. При поступлении сигнала на правые шаговый двигатель и электромагнит, золотник, пропорционально углу поворота шагового двигателя, будет перемещен влево, соединяя канал Р и А, Т и В.
При пропадании напряжения питания контроллера электромагнитная муфта сцепления 11 выключается, нарушается сцепление якоря 10 с подвижным полюсом 16 и пружина 21 возвращает золотник 9 в исходное положение.
К гидрораспределителю также подключен датчик положения золотника 26, который отслеживает положение золотника, и позволяет организовать обратную связь по положению золотника, при необходимости корректировать управляющее воздействие. Однако в заявляемом гидрораспределителе прямого действия наличие датчика положения золотника не является обязательным. В связи с применением шагового двигателя и отработки им шагов с заявленной точностью, а также в связи с применением тарированных золотников, изготовленных единых линейных и диаметральных размеров, каждый шаг (угол поворота) шагового двигателя соответствует конкретному положению силового золотника в пределах заявленной точности, а, следовательно, и расходной характеристики при одинаковых условиях рабочей жидкости. Применяемый в заявляемом устройстве гибридный шаговый двигатель, оптимизирован для работы с микрошагами, что дает возможность номинальный шаг передвижения золотника разбить на микрошаги и тем самым повысить точность позиционирования.
В заявляемом решении для управления золотником 9, может быть применен гибридный шаговый двигатель типа FL42STH47-0806M с угловым шагом 0.9° (напряжение питания 24 В, максимальный потребляемый ток 0,8 А, максимальная потребляемая мощность 19,2 Вт, Фирма НПО АТОМ) мощностью порядка 15 Вт. Шаговый гибридный двигатель имеет низкое токопотребление в режиме удержания золотника в требуемом положении, не превышающее 30% от номинального рабочего тока. При управлении шаговым гибридным двигателем рабочий ток и ток удержания не изменяется во всем диапазоне регулирования расходом рабочей жидкости, в отличие от прототипа, в котором при управлении пропорциональными магнитами расходная характеристика гидроусилителя пропорциональна входному току электромагнита и для достижения больших расходных характеристик требуется больший ток. Диапазон поворота винтовой передачи, перемещающей подвижный полюс пилотного пропорционального распределителя, лежит, как правило, в пределах ±30°, что достаточно для перемещения золотника пропорционального гидрораспределителя в соответствующее положение, которое удерживается возвратной пружиной с одной стороны и якорем электромагнитной муфты с другой. Каждый шаг (угол поворота) гибридного шагового двигателя соответствует конкретному положению золотника в пределах точности порядка нескольких мкм.
Примеры практической реализации.
Пример 1. Был изготовлен гидрораспределитель с проходным сечением каналов А, В, Р, Т до 5 мм. Возвратная пружина имела следующие параметры: предварительный натяг пружин составил 2 кГс, конечное сжатие пружин - 4 кГс. Потребляемая электромагнитной муфтой сцепления мощность составила 1 Вт. Развиваемая сила электромагнитного сцепления имела величину 5-6 кГс. Потребляемая шаговым двигателем мощность за время регулирования была равна 5 Вт. Время регулирования всего диапазона перемещения золотника составило 50мс при рабочем ходе золотника 3 мм. Развиваемый крутящий момент на валу шагового двигателя составил 0,7 кГс⋅м. Развиваемое осевое усилие в винтовой паре равнялось 7 кГс. Плата контроллера при напряжении питания 12 В потребляла мощность 0.8 Вт. Суммарная потребляемая мощность в процессе регулирования не превышала 7 Вт, а в статическом режиме не превышала 2 Вт.
Пример 2. Был изготовлен гидрораспределитель с проходным сечением каналов А, В, Р, Т до 16 мм. Возвратная пружина имела следующие параметры: предварительный натяг пружин составил 8 кГс, конечное сжатие пружин - 12 кГс. Потребляемая электромагнитной муфтой сцепления мощность составила 4 Вт. Развиваемая сила электромагнитного сцепления имела величину 12-13 кГс. Потребляемая шаговым двигателем мощность за время регулирования была равна 15 Вт. Время регулирования всего диапазона перемещения золотника составило 80 мс при рабочем ходе золотника 4 мм. Развиваемый крутящий момент на валу шагового двигателя составил 1,6 кГс⋅м. Развиваемое осевое усилие в винтовой паре равнялось 22 кГс. Плата контроллера при напряжении питания 12 В потребляла мощность 0.8 Вт. Суммарная потребляемая мощность в процессе регулирования не превышала 21 Вт, а в статическом режиме не превышала 8 Вт.
Таким образом, потребляемая мощность заявляемого пропорционального электрогидрораспределителя оказалась более чем в три раза меньше, чем мощность прототипа. Этот факт делает возможным применение заявляемого устройства во взрывобезопасных средах, где мощность искробезопасных цепей ограничена по величине.
При использовании золотников и гильз различной конфигурации в заявляемом устройстве возможно реализовать любую гидравлическую схему распределителя согласно ГОСТ 24679-81.
При использовании заявляемого гидрораспределителя в качестве распределителя прямого действия применяется конструкция золотниковой пары, регулирующей расход рабочей жидкости, при использовании заявленного распределителя в качестве пилотного управления распределителем непрямого действия применяется конструкция золотниковой пары, обеспечивающей регулирование выходного адресного давления.
Заявляемое устройство можно использовать для каналов с проходным сечением (диаметром условного прохода Ду) 16 мм при давлении до 32 МПа, при этом его известные аналоги ограничены диаметром условного прохода Ду до 10 мм, а для больших Ду вынуждены применять распределители с непрямым управлением силового золотника.
Таким образом, заявляемое устройство существенно расширяет арсенал пропорциональных электрогидравлических распределителей прямого действия во взрывозащищенном рудничном исполнении, при одновременном существенном снижении потребляемой мощности с сохранением габаритно присоединительных и весовых характеристик.
Источники информации:
1. https://www.arttool.ru/catalog/equipment/gidravlicheskoe-oborudovanie/napravlyayushchie-gidroraspredeliteli-s-proportsionalnym-elektromagnitnym-upravleniem-hd3-ps-32-l-mi/
2. Каталог выпускаемых изделий, 1998 г., ГСКТБ ГА, Гомель.
3. В.К. Свешников. Станочные гидроприводы, 1995 г., Москва.
4. В.К. Свешников. Гидрооборудование. Международный каталог, РИА, 1995 г.
5. Каталог "Proportional-, Regel- und Servoventil, Elektronik-Komponenten und System", фирма "Mannesman Rexroth", 1993 г.
6. Каталог HY11-3500/RU Гидравлика Parker. Пропорциональные гидрораспределители.