Измерительные преобразователи типа "сопло-заслонка" для гидравлических систем автоматического регулирования приводов промышленного оборудования

УДК 681.5

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТИПА «СОПЛО-ЗАСЛОНКА» ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРИВОДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Н. А. Симанин, В. В. Голубовский, И. А. Поляков

MEASURING TRANSDUCER TYPE «NOZZLE-FLAP» HYDRAULIC AUTOMATIC CONTROL OPERATORS INDUSTRIAL EQUIPMENT

N. A. Simanin, V. V. Golubovskiy, I. A. Polyakov

Аннотация. Актуальность и цели. Анализ известных конструкций измерительных преобразователей, используемых в системах автоматического управления гидравлическими приводами промышленного оборудования, показывает, что все они имеют общие недостатки: слабый выходной сигнал, который нельзя напрямую использовать для управления работой автоматического регулятора, и необходимость преобразования (зачастую неоднократного) выходного сигнала из одного вида энергии в другой. Указанные недостатки приводят к усложнению структуры систем управления за счет обязательного использования в них усилительных и преобразовательных элементов. В связи с этим разработка оригинальных конструкций, в частности измерительных преобразователей типа «сопло-заслонка», позволяющих упростить структуры систем управления, является актуальной задачей. Для ее решения в материале рассмотрены конструкция и принципы работы измерительных преобразователей ускорений и вращающего момента, построенные на базе гидравлического усилителя типа «сопло-заслонка». Материалы и методы. Исследование проведено с использованием теории автоматического управления и основных положений гидравлики. Результаты. Разработаны оригинальные конструкции измерительных преобразователей ускорения и вращающего момента, построенных на базе гидравлического усилителя типа «сопло-заслонка», используемых в цепях управления исполнительным механизмом гидравлической системы автоматического регулирования или управления. Выводы. Проведенные работы позволили разработать конструкции измерительных преобразователей ускорения и вращающего момента, обладающие достаточно мощным выходным сигналом, не требующим дополнительного преобразования и усиления.

Ключевые слова: измерительный преобразователь, ускорение, вращающий момент, гидравлическая система автоматического регулирования.

Abstract. Background. Analysis of the known designs of transducers used in automatic control of hydraulic actuators of the industrial equipment, indicates that they have common disadvantages: weak output which can be directly used to control the operation of the automatic control and the need for conversion (and often repeatedly) of the output signal from one form of energy into another. These shortcomings lead to more complicated structure of the control systems for the mandatory use them amplifier and transducer elements. In this regard, the development of original designs, in particular, the transducers of the «nozzle-flap» to simplify the structure of the control system is an urgent solution to the problem. To solve this problem in the material examined the design and operating principles of acceleration transducers and torque, built on the basis of the hydraulic booster of the «nozzle-flap». Materials and methods. The theory of automatic control, the main provisions of hydraulics. Results. Developed original design transducers acceleration and torque, built

on the basis of the hydraulic amplifier of the «nozzle-flap», used in the control circuits of the hydraulic actuator system for automatic regulating or controlling. Conclusions. Services provided allowed us to develop design transducers acceleration and torque with a sufficiently strong output signal, does not require additional conversion and amplification.

Key words: measuring converter, acceleration, torque, hydraulic automatic control system.

В Пензенском государственном технологическом университете разработаны оригинальные конструкции измерительных преобразователей типа «сопло-заслонка», которые используют единую с приводом рабочую среду (жидкость) и могут служить основой для создания универсальных гидравлических систем автоматического регулирования приводов различного промышленного оборудования.

Измерительный преобразователь линейных ускорений показан на рис. 1.

10 6 5 9 7 8 11

Рис. 1. Измерительный преобразователь линейных ускорений

Преобразователь смонтирован в сборном корпусе, который содержит втулку 9 и крышки 10 и 11. Чувствительный элемент, или, собственно, преобразователь, состоит из сопл 1 и 2, дросселей 3 и 4 с постоянным проходным сечением, инерционной заслонки 5, центрирующих пружин 6 и 7, втулки 8 и четырех пар уплотнительных колец 12 и 13 для устранения внутренних утечек жидкости.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

В исходном положении, когда силы инерции в направлении оси чувствительности Х-Х отсутствуют, рабочая жидкость (масло) из напорной линии поступает через постоянные дроссели 3 и 4 в рабочие камеры сопл 1 и 2, а затем, пройдя сопротивления в виде зазоров между торцами сопл и заслонки 5, сливается в бак.

Инерционная заслонка находится в равновесии, занимая при этом симметричное положение в центре втулки 8, под действием упругих сил, создаваемых центрирующими пружинами 6 и 7. Это приводит к созданию одинаковых сопротивлений истечению рабочей жидкости из сопл 1 и 2, что обеспечивает равенство давлений в рабочих камерах (р1 = р2).

При возникновении линейного ускорения движения контролируемого объекта, направленного вдоль оси чувствительности (например вправо), под действием силы инерции заслонка 5 перемещается влево и изменяет гидравлические сопротивления сопл 1 и 2. Сопротивление истечению масла из

сопла 1 увеличивается, а из сопла 2 уменьшается, что приводит к соответствующему изменению давлений (р > р2) в рабочих камерах сопл.

Возникающая разность давлений Ар = рх - Р2 может быть использована как управляющий сигнал на входах управляющего элемента, например дросселирующего золотникового распределителя. Автоматический регулятор (золотниковый распределитель) изменяет расход жидкости, подводимой к гидравлическому цилиндру привода или отводимой от него.

При исчезновении ускорения инерционная заслонка 5 под действием упругих сил пружин 6 и 7 возвращается в начальное положение, что приводит к выравниванию давлений в рабочих камерах сопл 1 и 2. Преобразователь возвращается в исходное положение.

Для настройки требуемых статических характеристик преобразователя (по расходу, по давлению в рабочих камерах и т.д.) предусмотрена регулировка зазоров между торцами сопл и заслонкой путем осевого смещения сопл по резьбе в корпусе.

Благодаря сравнительно небольшим габаритным размерам и массе измерительный преобразователь линейных ускорений может легко устанавливаться на подвижные органы технологического оборудования в любом удобном месте вне рабочей зоны.

Анализ конструкции измерительного преобразователя линейных ускорений, приведенного на рис. 1, показывает, что он может быть использован и для измерения угловых ускорений. В этом случае ось вращения объекта, перпендикулярная оси чувствительности Х-Х, должна находиться на некотором расстоянии е от геометрического центра корпуса преобразователя.

Измерительный преобразователь угловых ускорений (рис. 2) предназначен для стабилизации частоты вращения вала мотора в гидравлическом приводе машины за счет непрерывного регулирования расхода жидкости, подводимой к мотору или отводимой от него в зависимости от изменения нагрузки.

Рис. 2. Измерительный преобразователь угловых ускорений

Измерительный преобразователь угловых ускорений содержит те же детали 1, ..., 8 и уплотнительные резиновые кольца, что и преобразователь линейных ускорений, показанный на рис. 1. Кроме того, в состав преобразователя входят корпус 11, стаканы 12 и 13 (которые определяют положение преобразователя в корпусе 11), крышки 14 и 15, вал 16, коллектор 17, регулировочные винты 18 и 19 (которые позволяют перемещать измерительный преобразователь внутри корпуса 11 вдоль оси X - X ).

Перед работой преобразователь настраивается на заданную угловую скорость, которой соответствует определенное значение эксцентриситета. Величина е определяет чувствительность преобразователя. Изменяя эксцентриситет, можно настраивать преобразователь на различные диапазоны измерения углового ускорения.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

Инерционная заслонка в отсутствие углового ускорения находится в равновесии, занимая при этом симметричное положение в центре корпуса 8 под действием упругих сил, создаваемых центрирующими пружинами 6 и 7. Это приводит к созданию одинаковых сопротивлений истечению рабочей жидкости из сопл 1 и 2, что обеспечивает равенство давлений в рабочих камерах.

При изменении момента от действия сил нагрузки на валу рабочего органа машины происходит изменение угловой скорости гидравлического мотора, приводящее к возникновению углового ускорения. Инерционная заслонка 5 перемещается на некоторую величину в направлении, обратном направлению действия возмущающего ускорения, и изменяет сопротивление истечению рабочей жидкости из сопл 1 и 2, что приводит к возникновению разности (перепада) давлений в рабочих (междроссельных) камерах сопл.

Данная разность давлений используется для управления дросселирующим золотником распределителя системы автоматического регулирования, который изменяет расход рабочей жидкости, поступающей к гидравлическому мотору, вследствие чего происходит стабилизация угловой скорости выходного звена машины.

При исчезновении внешнего возмущающего ускорения инерционная заслонка 5 под действием упругих сил центрирующих пружин 6 и 7 возвращается в начальное положение, что приводит к выравниванию давлений в рабочих камерах сопл 1 и 2.

Благодаря небольшим размерам и массе чувствительного элемента измерительный преобразователь может быть непосредственно встроен в детали, придающие вращение рабочим органам технологического оборудования (шкив, муфта, маховик и т.д.), или использоваться в виде отдельного устройства, установленного на вращающихся частях машины в любом удобном месте.

Недостатком преобразователя, приведенного на рис. 2, является невозможность его установки на сплошном валу между опорами.

В промышленности находят применение различного рода системы автоматического регулирования, функционирующие на основе информации о силовых параметрах процесса. Важным элементом таких систем является динамометрическое устройство (измерительный преобразователь силовых параметров процесса).

14

11

10

15

Рис. 3. Измерительный преобразователь вращающего момента с подвижным соплом

На рис. 3 показан измерительный преобразователь вращающего момента.

Устройство содержит жестко закрепленную на валу втулку 1, на которой на опоре качения 2 установлен ведущий элемент 3. Ведомый элемент 4 расположен на втулке 1 на шлицах и зафиксирован стопорным кольцом 5.

Механизм преобразования вращающего момента в линейное перемещение сопла выполнен в виде промежуточного фланца 6, который связан посредством зубчатых шлицев с ведомым элементом 4, и через три шарика 7, размещенных равномерно по окружности между торцами в каплеобразных впадинах, с ведущим элементом 3. Фланец 6 поджат через шарики 7 к ведущему элементу 3 тремя пружинами 8, предварительный натяг которых задан регулировочными винтами 9.

Преобразователь линейного перемещения в выходной сигнал содержит сопло 10, подвижно установленное в цилиндрической расточке ведомого элемента и поджатое пружиной 11 через шарик 12 и регулировочный винт 13 к промежуточному фланцу 6. На ведомом элементе 4 перпендикулярно оси сопла 10 жестко закреплена плоская заслонка 14.

Рабочая среда от источника питания подведена к соплу 10 через коллектор 15 и дроссель 16. Каналом 17 преобразователь соединен с полостью управляющего элемента системы автоматического регулирования.

Устройство работает следующим образом.

При постоянном давлении р0 рабочая среда поступает от источника питания (насоса) к дросселю 16, проходит через коллектор 15 к соплу 10 и

через зазор между заслонкой 14 и соплом истекает в окружающую среду с атмосферным давлением. Установка номинального зазора между торцом сопла 10 и заслонкой 14 производится регулировочным винтом 13. При этом давление р1 в канале 17, а следовательно, и в полости управляющего элемента системы автоматического регулирования равно половине величины давления р0.

Настройка номинального вращающего момента на валу осуществляется регулировочными винтами 9 путем изменения предварительного натяга пружин 8.

При нагружении вала моментом сил сопротивления (в первую очередь нагрузки) происходит относительный поворот ведущего элемента 3, связанного с приводом вращения, и ведомого элемента 4, установленного на валу. Вследствие этого шарики 7 отжимают промежуточный фланец 6 в направлении ведомого элемента 4. Линейное перемещение через шарик 12 и регулировочный винт 13 передается соплу 10. Сопло, преодолевая усилие пружины 11, перемешается в направлении заслонки 14. Последнее вызывает уменьшение зазора между соплом 10 и заслонкой 14, а следовательно, и увеличение давления р1 в канале 17. Возросшее давление приводит в действие управляющий элемент системы автоматического регулирования режима обработки.

Направление вращения преобразователя не влияет на точность измерения.

На рис. 4 показан измерительный преобразователь вращающего момента с угловым перемещением заслонки.

А - А

-Г-"^ _

5

Рис. 4. Измерительный преобразователь вращающего момента с угловым перемещением заслонки

Устройство содержит жестко закрепленный на валу ведомый элемент 1 с фигурной головкой (крестовиной), в диаметрально противоположных тангенциальных цилиндрических расточках которой однонаправлено размещены неподвижные сопла 2 и 3. Ведущий элемент 4 с корпусом, в котором выполнены упоры, взаимодействующие с соплами, концентрично установлен на ведомом элементе 1 на опоре качения 5.

Ведущий и ведомый элементы связаны между собой через четыре упругих элемента (винтовые или тарельчатые пружины) 6, установленные в цилиндрических тангенциальных расточках корпуса. Предварительный натяг упругих элементов 6 задан регулировочными винтами 7. Рабочая жидкость от источника питания подведена к соплам 2 и 3 через коллекторы 8 и 9.

Сопла 2 и 3 соединены по дифференциальной схеме, включающей в себя постоянные дроссели 10 и 11 и управляющий элемент 12 (дросселирующий гидравлический распределитель) системы автоматического регулирования.

Устройство работает следующим образом.

При постоянном давлении Р0 рабочая жидкость поступает от источника питания (насосной станции машины) к дросселям 10 и 11, проходит через коллекторы 8 и 9 к соплам 2 и 3 и через зазоры между упорами корпуса ведущего элемента 4 и соплами истекает в окружающую среду с атмосферным давлением.

Установка одинаковых начальных зазоров между упорами ведущего элемента и торцами сопл, а также настройка номинального вращающего момента на валу осуществляется регулировочными винтами 7 за счет изменения предварительного натяга упругих элементов 6, при этом давления Р1 и Р2 в полостях управляющего элемента 12 должны быть равны.

При нагружении вала вращающим моментом происходит относительный поворот ведущего элемента 4, связанного с приводом вращения, и ведомого элемента 1, неподвижно установленного на валу, что вызывает разнонаправленное изменение зазоров между торцами сопл 2 и 3 и упорами корпуса ведущего элемента. Изменение зазоров вызывает изменение давлений Р1 и Р2 в полостях управляющего элемента 12, который соответствующим образом изменяет расход жидкости на входе и выходе гидравлического двигателя привода машины.

Разработанные конструкции измерительных преобразователей обладают достаточно мощным выходным сигналом, что позволяет использовать его без преобразования и усиления для управления исполнительным механизмом гидравлической системы автоматического регулирования или управления.

Предварительные испытания показали работоспособность и приемлемые характеристики измерительных преобразователей (чувствительность, быстродействие и др.).

Список литературы

1. Симанин, Н. А. Гидравлические системы автоматического управления технологическими операциями в машиностроении : моногр. / Н. А. Симанин, В. В. Голубовский. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2009. - 155 с.

2. Патент РФ на полезную модель № 99163. Измерительный преобразователь вращающего момента / Н. А. Симанин, В. В. Голубовский, А. А. Блохин, Е. В. Вострокнутов. - Опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31.

3. Патент РФ на полезную модель № 99164. Измерительный преобразователь вращающего момента / Н. А. Симанин, В. В. Голубовский, А. А. Блохин, Е. М. Устинов. - Опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31.

Симанин Николай Алексеевич кандидат технических наук, профессор, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный технологический университет E-mail: nsimanin@mail.ru

Simanin Nikolay Alekseevich candidate of technical sciences, professor, sub-department of mechanical engineering, Penza State Technological University

Голубовский Виталий Вадимович

кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный технологический университет E-mail: v.golubovsky@mail.ru

Golubovskiy Vitaliy Vadimovich candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of mechanical engineering, Penza State Technological University

Поляков Илья Анатольевич аспирант,

Пензенский государственный технологический университет E-mail: dionisiw@mail.ru

Polyakov Ilya Anatolievich

post-graduate student,

Penza State Technological University

УДК 681.5 Симанин, Н. А.

Измерительные преобразователи типа «сопло-заслонка» для гидравлических систем автоматического регулирования приводов промышленного оборудования / Н. А. Симанин, В. В. Голубовский, И. А. Поляков // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 1 (13). - C. 176-183.