НАСОСНО-АККУМУЛЯТОРНЫЙ ГИДРОПРИВОД
PUMP ACCUMULATOR HYDRAULIC DRIVE

Изобретение относится к области объемного гидропривода, а именно к объемным гидроприводам с насосно-аккумуляторным источником подачи рабочей жидкости, и может быть использовано при создании новых и модернизации существующих гидравлических приводов машин и агрегатов всевозможного назначения (например, кузнечно-прессовых, строительно-дорожных и сельскохозяйственных машин, дуговых сталеплавильных печей, металло- и деревообрабатывающих станков, роботов и манипуляторов, летательных аппаратов).
Известен насосно-аккумуляторный гидропривод, содержащий несколько объемных гидродвигателей с индивидуальными управляющими гидрораспределителями, напорные каналы которых соединены с напорным трубопроводом, насос, снабженный предохранительно-разгрузочным клапаном и через обратный клапан соединенный своим напорным каналом с напорным трубопроводом, с которым через подключающий гидроаппарат соединена жидкостная полость гидравлического аккумулятора [1]. В данном гидроприводе подключающий гидроаппарат гидроаккумулятора выполнен в виде направляющего двухлинейного двухпозиционного клапанного гидрораспределителя с гидравлическим управлением, обладающего после открытия его проходного сечения незначительным гидравлическим сопротивлением.
При работе рассматриваемого гидропривода давление в напорном трубопроводе и, вследствие этого, в напорных каналах управляющих гидрораспределителей гидродвигателей определяется текущим значением давления в жидкостной полости гидравлического аккумулятора, которое изменяется при эксплуатации привода в относительно невысоких пределах и не зависит от текущего значения давления, необходимого для перемещения выходного звена гидродвигателя, подключенного посредством управляющего гидрораспределителя к напорному трубопроводу. В силу этого гидропривод работает как гидропривод с дроссельным управлением и при его эксплуатации имеют место значительные потери механической энергии, величина которых при прочих равных условиях тем больше, чем больше разность давления рабочей жидкости в жидкостной полости гидравлического аккумулятора и давления нагрузки (то есть давления, необходимого для преодоления внешней нагрузки на выходном звене гидродвигателя). В результате известный насосно-аккумуляторный гидропривод характеризуется невысоким коэффициентом полезного действия (КПД), что является его основным недостатком.
При отсутствии потребления гидродвигателями рабочей жидкости и заряженном до максимального давления гидравлическом аккумуляторе подаваемая насосом рабочая жидкость сливается через предохранительно-разгрузочный клапан при максимальном давлении и вся механическая энергия, потребляемая насосом от его приводящего двигателя, теряется, что еще более снижает средний КПД гидропривода.
Потерянная механическая энергия преобразуется в тепловую энергию, вызывая нагрев рабочей жидкости и других компонентов гидропривода, что создает при эксплуатации рассматриваемого гидропривода дополнительные проблемы, связанные с обеспечением его работы в рациональном температурном режиме.
Использование всего одного насоса в насосно-аккумуляторном гидроприводе не позволяет повысить КПД последнего путем, например, выключения или разгрузки от работы под давлением части насосов в тех случаях, когда потребление рабочей жидкости гидродвигателями является пониженным, а гидроаккумулятор заряжен.
Для управления скоростью движения выходного звена каждого из гидродвигателей его индивидуальный управляющий гидрораспределитель должен быть выполнен дросселирующим, что усложняет конструкцию и эксплуатацию гидропривода и увеличивает его стоимость (тем в большей степени, чем больше гидродвигателей входит в состав гидропривода).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является принятый в качестве прототипа насосно-аккумуляторный гидропривод, содержащий несколько объемных гидродвигателей с индивидуальными управляющими гидрораспределителями, напорные каналы которых соединены с напорным трубопроводом, насосы, каждый из которых снабжен индивидуальным предохранительно-разгрузочным клапаном и через индивидуальный обратный клапан своим напорным каналом соединен с общим напорным коллектором насосов, с которым через подключающий гидроаппарат соединена жидкостная полость гидравлического аккумулятора и который соединен с напорным трубопроводом [2]. В данном насосно-аккумуляторном гидроприводе общий напорный коллектор насосов непосредственно соединен с напорным трубопроводом.
При работе рассматриваемого гидропривода после открытия проходного сечения подключающего гидроаппарата, который выполнен направляющим, давление в напорном трубопроводе и, вследствие этого, в напорных каналах управляющих гидрораспределителей гидродвигателей определяется текущим значением давления в жидкостной полости гидравлического аккумулятора, которое изменяется при эксплуатации привода в относительно невысоких пределах и не зависит от текущего значения давления, необходимого для перемещения выходного звена гидродвигателя, подключенного посредством управляющего гидрораспределителя к напорному трубопроводу. В силу этого гидропривод работает как гидропривод с дроссельным управлением и при его эксплуатации имеют место значительные потери механической энергии, величина которых при прочих равных условиях тем больше, чем больше разность давления рабочей жидкости в жидкостной полости гидравлического аккумулятора и давления нагрузки (то есть давления, необходимого для преодоления внешней нагрузки на выходном звене гидродвигателя). В результате известный насосно-аккумуляторный гидропривод характеризуется невысоким КПД, что является его главным недостатком.
Потерянная механическая энергия преобразуется в тепловую энергию, вызывая нагрев рабочей жидкости и других компонентов гидропривода, что создает при эксплуатации рассматриваемого гидропривода дополнительные проблемы, связанные с обеспечением его работы в рациональном температурном режиме.
Для управления скоростью движения выходного звена каждого из гидродвигателей его индивидуальный управляющий гидрораспределитель должен быть выполнен дросселирующим, что усложняет конструкцию и эксплуатацию гидропривода и увеличивает его стоимость (тем в большей степени, чем больше гидродвигателей входит в состав гидропривода). Причем каждый управляющий дросселирующий гидрораспределитель должен быть рассчитан на максимальный расход, при котором рабочая жидкость должна поступать в соответствующий гидродвигатель при эксплуатации гидропривода.
При закрытом проходном сечении подключающего устройства гидроаккумулятора и подаче жидкости к тому или иному из гидродвигателей от насосов через полностью открытые проходные сечения рабочих окон соответствующего управляющего гидрораспределителя можно избежать дополнительных потерь энергии в процессе работы привода. В указанном случае давление в напорном коллекторе насосов является близким к давлению в напорной полости гидродвигателя, отличаясь от последнего лишь на величину потерь давления в гидролиниях и на рабочих окнах управляющего гидрораспределителя. Эти потери давления при правильном выборе условного прохода гидролиний и управляющего гидрораспределителя являются незначительными. Однако при таком режиме эксплуатации гидропривода отсутствует возможность использования для подзарядки гидроаккумулятора тех насосов, которые в текущий момент времени не заняты для подачи рабочей жидкости к гидродвигателю, что снижает функциональные возможности гидропривода. Кроме того, при этом скорость выходного звена гидродвигателя может регулироваться лишь ступенчато (за счет перевода части насосов с разгрузочного режима работы на режим работы под давлением и обратно) и иметь лишь относительно небольшие значения (в силу ограниченности подачи насосов).
Таким образом, известный насосно-аккумуляторный гидропривод характеризуется недостаточно высокими эксплуатационными характеристиками, а именно: низким коэффициентом полезного действия, повышенной сложностью конструкции и ограниченностью вариантов использования входящих в его состав насосов.
Технической задачей, решаемой изобретением, является улучшение эксплуатационных характеристик насосно-аккумуляторного гидропривода путем снижения потерь энергии при его работе (в частности, за счет расширения количества возможных вариантов использования входящих в состав гидропривода насосов), упрощения его конструкции и обслуживания (за счет сокращения количества применяемых дросселирующих гидрораспределителей).
Для решения поставленной технической задачи в известном насосно-аккумуляторном гидроприводе, содержащем несколько объемных гидродвигателей с индивидуальными управляющими гидрораспределителями, напорные каналы которых соединены с напорным трубопроводом, насосы, каждый из которых снабжен индивидуальным предохранительно-разгрузочным клапаном и через индивидуальный обратный клапан своим напорным каналом соединен с общим напорным коллектором насосов, с которым через подключающий гидроаппарат соединена жидкостная полость гидравлического аккумулятора и который соединен с напорным трубопроводом, согласно изобретению общий напорный коллектор насосов соединен с напорным трубопроводом посредством дросселирующего гидроаппарата с дистанционным управлением, а напорный канал каждого насоса соединен с напорным трубопроводом с помощью индивидуального вспомогательного гидрораспределителя, в одной из рабочих позиций запорного элемента которого проходное сечение между напорным каналом насоса и напорным трубопроводом перекрыто.
Соединение общего напорного коллектора насосов (с которым посредством подключающего гидроаппарата соединена жидкостная полость гидроаккумулятора) с напорным трубопроводом посредством дросселирующего гидроаппарата с дистанционным управлением, а напорного канала каждого насоса с напорным трубопроводом с помощью индивидуального вспомогательного гидрораспределителя, в одной из рабочих позиций запорного элемента которого проходное сечение между напорным каналом насоса и напорным трубопроводом перекрыто, позволяет обеспечивать подачу рабочей жидкости от любого из насосов к гидродвигателю при давлении в напорном канале насоса, определяемом текущей нагрузкой на выходном звене соответствующего гидродвигателя и плавно регулируемом (от нуля до максимально возможного значения) суммарном расходе рабочей жидкости, поступающей в гидродвигатель из жидкостной полости гидроаккумулятора и от насосов. Причем такая возможность достигается (вне зависимости от количества имеющихся в гидроприводе гидродвигателей) с помощью единственного упомянутого дросселирующего гидроаппарата, что существенно упрощает конструкцию насосно-аккумуляторного гидропривода с несколькими гидродвигателями. При этом каждый из тех насосов, который не занят в текущий момент для подачи рабочей жидкости к гидродвигателю, может быть разгружен или использоваться для подзарядки гидроаккумулятора. В результате снижаются потери энергии и увеличивается КПД гидропривода, упрощаются его конструкция и обслуживание, повышается эффективность.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена упрощенная гидравлическая принципиальная схема насосно-аккумуляторного гидропривода.
Насосно-аккумуляторный гидропривод содержит объемные гидродвигатели (гидроцилиндры) 1 и 2 с индивидуальными управляющими направляющими гидрораспределителями соответственно 3, 4, напорные каналы которых соединены с напорным трубопроводом 5, насосы 6, 7, каждый из которых снабжен индивидуальным предохранительно-разгрузочным клапаном соответственно 8, 9 и через индивидуальный обратный клапан 10, 11 соединен своим напорным каналом с общим напорным коллектором 12 насосов, с которым через подключающий гидроаппарат 13 соединена также жидкостная полость гидравлического аккумулятора 14. Общий напорный коллектор 12 насосов соединен с напорным трубопроводом 5 посредством дросселирующего гидроаппарата 15 с дистанционным управлением, а напорный канал каждого из насосов 6, 7 соединен с напорным трубопроводом 5 с помощью индивидуального вспомогательного направляющего гидрораспределителя соответственно 16, 17.
Предохранительно-разгрузочные клапаны 8, 9 выполнены с электрическим управлением с нормально открытым проходным сечением.
Дросселирующий гидроаппарат 15 выполнен в виде двухлинейного двухпозиционного дросселирующего гидрораспределителя. В исходной позиции запорно-регулирующего элемента дросселирующего гидроаппарата 15 его проходное сечение полностью закрыто и напорный (входной) и исполнительный (рабочий) каналы гидроаппарата 15, соединенные соответственно с общим напорным коллектором 12 насосов и с напорным трубопроводом 5 (с которым соединены в свою очередь напорные каналы управляющих гидрораспределителей 3, 4), разобщены.
Вспомогательные гидрораспределители 16, 17 выполнены двухлинейными двухпозиционными. При этом в первой исходной рабочей позиции запорного элемента каждого вспомогательного гидрораспределителя проходное сечение между напорным каналом соответствующего насоса и напорным трубопроводом 5 перекрыто, а во второй рабочей позиции - открыто.
Всасывающий канал каждого из насосов 6, 7, а также сливные каналы предохранительно-разгрузочных клапанов 8, 9 и управляющих гидрораспределителей 3, 4 соединены с гидробаком 18.
На чертеже направляющие гидрораспределители 3, 4, 16, 17 и дросселирующий гидроаппарат 15 показаны как гидроаппараты с электрогидравлическим управлением с питанием управляющего гидравлического каскада от независимого гидравлического источника питания (на чертеже независимый гидравлический источник питания не показан). В общем случае управление перечисленных гидроаппаратов может быть иным (например, электрическим).
Подключающий гидроаппарат 13 выполнен в виде гидрозамка 19, управляемого посредством трехлинейного двухпозиционного направляющего гидрораспределителя 20 с электрическим управлением. При этом напорный канал гидрораспределителя 20 соединен с рабочим каналом гидрозамка 19 со стороны подключения последнего к гидроаккумулятору 14, исполнительный канал - с полостью управления гидрозамка, а сливной канал - со сливом.
Гидрозамок 19 установлен так, что при отсутствии управляющего сигнала исключает движение рабочей жидкости от гидравлического аккумулятора 14 к общему напорному коллектору 12 насосов.
В первой исходной позиции запорного элемента гидрораспределителя 20 (при обесточенном электромагните его управления) исполнительный канал данного гидрораспределителя соединен со сливным каналом (при этом напорный канал перекрыт), а во второй рабочей позиции - с напорным каналом (при этом сливной канал перекрыт).
Для визуального и дистанционного автоматического контроля величины давления в гидравлическом аккумуляторе 14 к его жидкостной полости подсоединены электроконтактный манометр 21 и датчик давления 22, частично дублирующие друг друга.
На чертеже показана схема насосно-аккумуляторного гидропривода с двумя гидродвигателями 1, 2 и двумя насосами 6, 7. В общем случае количество гидродвигателей (с соответствующими управляющими гидрораспределителями) и количество насосов (с соответствующими предохранительно-разгрузочными клапанами, обратными клапанами и вспомогательными гидрораспределителями) может быть любым.
На чертеже гидродвигатель 1 показан как плунжерный гидроцилиндр, а гидродвигатель 2 - как поршневой гидроцилиндр двухстороннего действия с двухсторонним штоком. Для исключения нарушения сплошности рабочей жидкости в рабочей полости гидроцилиндра 1 при выдвижении его плунжера под действием внешней попутной нагрузки указанная полость подсоединена посредством обратного клапана 23, выполняющего функцию наполнительного, к сливным каналам управляющих гидрораспределителей 3, 4, которые, как указывалось выше, соединены с гидробаком 18.
Предлагаемый насосно-аккумуляторный гидропривод работает следующим образом.
При штатных условиях эксплуатации гидропривода на электромагнит гидрораспределителя 20 подано управляющее напряжение. При этом запорный элемент гидрораспределителя 20 занимает вторую рабочую позицию, в которой исполнительный (рабочий) канал данного гидрораспределителя соединяется с его напорным каналом, в результате чего полость управления гидрозамка 19 оказывается соединенной с рабочим каналом гидрозамка 19 со стороны подключения его к гидроаккумулятору 14. При достаточном давлении жидкости в гидроаккумуляторе 14 проходное сечение гидрозамка 19 оказывается открытым и жидкость может двигаться через гидрозамок 19 как из гидроаккумулятора 14, так и в него. При недостаточном давлении жидкости в гидроаккумуляторе 14 движение жидкости через гидрозамок 19 (через подключающий гидроаппарат 13) возможно только в направлении гидроаккумулятора 14, то есть возможность дальнейшей разрядки гидроаккумулятора 14 исключается, а возможность его зарядки сохраняется.
Предположим, что с помощью какого-либо командоаппарата (например, джойстика) (на чертеже командоаппарат не показан) сформирован сигнал на перемещение выходного звена гидродвигателя 2 двухстороннего действия в определенном направлении с заданной скоростью.
В зависимости от заданного направления движения с помощью управляющего контроллера (на чертеже управляющий контроллер не показан) подается управляющее напряжение на соответствующий из электромагнитов управляющего гидрораспределителя 4. При этом одна из рабочих полостей гидроцилиндра 2 соединяется с напорным каналом гидрораспределителя 4, а другая - со сливным каналом этого гидрораспределителя.
В зависимости от заданного значения скорости движения выходного звена гидродвигателя возможны следующие варианты работы гидропривода.
Если для обеспечения движения выходного звена гидродвигателя 2 с заданной скоростью требуется расход, превышающий суммарную подачу насосов 6 и 7, то подается управляющее напряжение на электромагниты предохранительно-разгрузочных клапанов 8, 9, в результате чего указанные клапаны переводятся с разгрузочного на рабочий режим работы, при котором их проходное сечение закрыто (при условии, что давление на входе предохранительно-разгрузочного клапана не превышает давление настойки клапана). Одновременно управляющее напряжение подается на электромагниты вспомогательных гидрораспределителей 16, 17, в результате чего происходит открытие проходного сечения каждого из них и соединение напорного канала соответствующего из насосов 6, 7 с напорным трубопроводом 5. При этом рабочая жидкость, подаваемая насосами 6 и 7, поступает через гидрораспределители соответственно 16 и 17 в напорный трубопровод 5 и далее в напорный канал управляющего гидрораспределителя 4 при давлении, определяемом давлением в рабочей полости гидродвигателя 2, соединенной в текущий момент времени с напорным каналом распределителя 4. При этом проходное сечение обратных клапанов 10 и 11 закрыто, поскольку давление в жидкостной полости гидроаккумулятора 14 при штатных условиях эксплуатации гидропривода выше давления, необходимого для преодоления внешних нагрузок на выходном звене любого из гидродвигателей.
Недостаток расхода рабочей жидкости, поступающей в рабочую полость гидродвигателя 2 непосредственно от насосов 6 и 7, восполняется из аккумулятора 14 путем открытия проходного сечения дросселирующего гидроаппарата 15 на соответствующую величину согласно электрическому сигналу, поступающему на пропорциональный электромагнит гидроаппарата 15 от управляющего контроллера гидропривода.
Если для обеспечения движения выходного звена гидродвигателя 2 с заданной скоростью требуется расход, меньший суммарной подачи насосов 6 и 7, но превышающий подачу хотя бы одного из этих насосов, то с разгрузочного на рабочий режим переводится тот из насосов 6 и 7, для которого положительная разность между потребным расходом рабочей жидкости и подачей насоса имеет наименьшее значение. Одновременно подается управляющее напряжение на электромагнит вспомогательного гидрораспределителя (16 или 17), соединяющего напорный канал этого насоса с напорным трубопроводом 5.
Недостаток расхода рабочей жидкости, поступающей в рабочую полость гидродвигателя 2 непосредственно от насоса 6 или 7, восполняется из гидроаккумулятора 14 путем открытия проходного сечения дросселирующего гидроаппарата 15 на соответствующую величину согласно электрическому сигналу, поступающему на пропорциональный электромагнит гидроаппарата 15 от управляющего контроллера гидропривода.
При переводе другого насоса с разгрузочного на рабочий режим подаваемая им жидкость через соответствующий из обратных клапанов (10, если это насос 6, или 11, если это насос 7) поступает к гидроаккумулятору 14, благодаря чему снижается интенсивность разрядки гидроаккумулятора или обеспечивается его подзарядка. Возможность насосно-аккумуляторного гидропривода работать в указанном режиме (когда часть насосов обеспечивает подачу рабочей жидкости к гидродвигателю при давлении, определяемом внешней нагрузкой на выходном звене гидродвигателя, а часть используется для подзарядки гидроаккумулятора) повышает эффективность гидропривода, позволяя более рационально использовать установочную мощность входящих в его состав насосов.
Если для обеспечения движения выходного звена гидродвигателя 2 с заданной скоростью требуется расход, меньший подачи любого из насосов 6 и 7, то подача рабочей жидкости в рабочую полость гидродвигателя 2 производится только из гидроаккумулятора 14 путем открытия проходного сечения дросселирующего гидроаппарата 15 на соответствующую величину согласно электрическому сигналу, поступающему на пропорциональный электромагнит гидроаппарата 15 от управляющего контроллера гидропривода.
В данном случае любой из насосов 6, 7 может работать как в разгрузочном режиме, так и рабочем режиме, используясь для подзарядки гидравлического аккумулятора 14.
Работа гидропривода при подаче управляющего сигнала на выдвижение плунжера гидродвигателя 1 происходит аналогичным образом. При этом также в случае необходимости в расходах жидкости, превышающих подачу одного из насосов 6, 7 или суммарную подачу обоих этих насосов, рабочая жидкость одним или обоими указанными насосами подается при давлении, определяемом давлением в рабочей полости гидродвигателя 1, а недостаток расхода рабочей жидкости восполняется из гидроаккумулятора 14 путем открытия проходного сечения дросселирующего гидроаппарата 15 на соответствующую величину согласно электрическому сигналу, поступающему на пропорциональный электромагнит гидроаппарата 15 от управляющего контроллера гидропривода.
При выдвижении плунжера гидродвигателя 1 под действием внешней попутной нагрузки, а также при обратном движении плунжера под действием внешней нагрузки (например, под действием силы тяжести оборудования), жидкость под давлением для работы гидродвигателя 1 не требуется. Поэтому в отмеченных случаях насосы 6 и 7 или работают в разгрузочном режиме (при обесточенных электромагнитах предохранительно-разгрузочных клапанов 8, 9), или используются для подзарядки гидравлического аккумулятора 14 (в результате подачи управляющего напряжения на электромагниты предохранительно-разгрузочных клапанов 8, 9). То же самое имеет место в те промежутки времени, когда не происходит движение выходного звена ни одного из имеющихся в составе гидропривода гидродвигателей (отсутствуют команды на выполнение рабочих операций).
Сигналы на перевод одного или обоих из насосов 6, 7 с разгрузочного на рабочий режим (то есть сигналы на подачу управляющего напряжения на электромагнит соответствующего из предохранительно-разгрузочных клапанов 8, 9) для осуществления подзарядки гидроаккумулятора 14, а также обратные сигналы для прекращения использования соответствующего насоса для подзарядки гидроаккумулятора 14 формируются управляющим контроллером гидропривода на основании сигналов о величине давления в жидкостной полости гидроаккумулятора 14, поступающих от электроконтактного манометра 21 и датчика давления 22. При этом приоритетными являются сигналы на выполнение рабочих операций с использованием гидродвигателей 1, 2, формируемые оператором.
При значении давления жидкости в гидроаккумуляторе 14, меньшем некоторого установленного уровня, по сигналу управляющего контроллера электромагнит гидрораспределителя 20 обесточивается. При этом запорный элемент гидрораспределителя 20 занимает исходную рабочую позицию, в которой исполнительный (рабочий) канал данного гидрораспределителя соединяется с его сливным каналом, в результате чего полость управления гидрозамка 19 оказывается соединенной со сливом. При этом движение жидкости через гидрозамок 19 возможно только в направлении гидроаккумулятора 14, то есть возможность дальнейшей разрядки гидроаккумулятора 14 исключается (что является очень существенным при использовании пневмогидравлического аккумулятора без разделения сред), а возможность его зарядки сохраняется.
Как следует из вышеприведенного описания устройства и работы, предлагаемый насосно-аккумуляторный гидропривод характеризуется пониженными потерями энергии при его работе (благодаря поступлению части рабочей жидкости к гидродвигателям непосредственно от насосов без ее дросселирования), упрощенной конструкцией (за счет применения всего одного дросселирующего гидрораспределителя для регулирования скорости движения выходного звена любого из входящих в его состав гидродвигателей), что облегчает обслуживание гидропривода в процессе его эксплуатации, и расширением количества возможных вариантов работы, входящих в состав гидропривода насосов, что способствует более рациональному использованию их установочной мощности.
Насосно-аккумуляторный гидропривод может быть использован в приводах кузнечно-прессовых, строительно-дорожных и сельскохозяйственных машин, дуговых сталеплавильных печей, металло- и деревообрабатывающих станков, роботов и манипуляторов, летательных аппаратов.
Источники информации
1. Гидравлическая система: Авторское свидетельство SU №1716201, МКИ F15B 11/02. Заявлено 08.01.1990. Опубликовано 29.02.1992.
2. Мюллер Э. Гидравлические прессы и их приводы. Т.1. Ковочные прессы / Перевод с нем. - М.: Машиностроение, 1965. - С.209, рис.153.