ДИСКРЕТНЫЙ РЕГУЛЯТОР ПОТОКА ЖИДКОСТИ ДЛЯ ГИДРОПРИВОДА

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к силовым приводам мобильных и стационарных объектов и может найти применение, например, для управления скоростью или усилием нагрузки гидроцилиндров возвратно-поступательного движения в технологических и энергетических установках.
Известно устройство для управления гидростатическим приводом (Патент США US 5974800, опубликованный 02.11.1999, МПК В06В 1/20; F15B 21/04; F15B 21/12), принятое за аналог, имеющее периодически открывающийся коммутационный клапан, резонансную трубу, связанную с гидростатическим приводом с обеспечением формирования постоянных волн давления жидкости в напорной и сливной линиях в условиях резонансной попеременной подачи давления к гидроприводу.
Недостатком данного устройства является трудность обеспечения резонансного режима работы резонансной трубы в реальных условиях эксплуатации, в которых из-за изменения температуры рабочей жидкости и давления происходит существенное изменение скорости звука в ней и, как следствие, изменение ее резонансной частоты. Возникает необходимость в постоянной подстройке частоты коммутации клапана, что приводит к погрешности в управлении гидроприводом и снижению его эффективности. Кроме этого резонирующие трубы являются источником повышенного высокочастотного шума, приводящего к снижению экологичности гидропривода.
Наиболее близким устройством того же назначения, которое принято за прототип, является устройство дискретного преобразования гидравлического давления с низкими потерями (Патент США US 6564547, МПК F01L 25/06, F15B 21/04, опубликованный 20.05.2003), предназначенное для управления потоком и мощностью в гидравлических машинах, в частности, гидравлических цилиндрах, подключенных к источнику постоянного высокого давления через дискретный клапан. В устройстве дискретного преобразования гидравлического давления с низкими гидравлическими потерями состоящего из баков высокого и низкого давления, антикавитационного и газонаполненных гидроаккумуляторов высокого и низкого давлений, быстродействующих дискретных напорного и сливного клапанов, инерционной трубы и гидроцилиндра, между дискретными клапанами и гидроцилиндром находится инерционная труба с промежуточной массой, которая приводится в движение протекающей средой. При этом средняя скорость потока в трубе в течение открытого состояния дискретного напорного клапана в течение периода действия регулятора может быть мала, что приведет к снижению давления в месте расположения гидроцилиндра. Увеличение длительности открытого состояния дискретного напорного клапана наоборот, приведет к росту давления, в пределе до давления жидкости в баке. Таким образом, становится возможным постепенное понижение или повышение уровня давления жидкости на входе в гидроцилиндр. При снижении давления на входе в инерционную трубу ниже уровня сливного давления должна происходить подпитка жидкости в трубу из сливной магистрали через сливной клапан.
К недостатку устройства-прототипа относится низкая энергетическая эффективность из-за наличия нежелательных волновых процессов в инерционной трубе, нарушающих подачу жидкости дискретным напорным клапаном в гидроцилиндр в соответствие с программой управления. Другой причиной снижения энергетической эффективности устройства является резкое открытие дискретного клапана, при котором поток жидкости устремляется в антикавитационный гидроаккумулятор, установленный за дискретным напорным клапаном. При этом снижается ускорение жидкости в инерционной трубе, тем самым, снижается подпитка жидкости в нее из бака низкого давления. Другим недостатком устройства-прототипа является повышенный уровень шума из-за резонансных колебаний в трубе, приводящий к экологически не выгодному управлению гидродвигателем,.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение энергетической эффективности и снижение уровня шума, обеспечивающего экологически выгодное управление гидроцилиндром.
г
г
ин
пр
тр
тp
ин
Поставленная задача решается благодаря тому, что в дискретном регуляторе потока рабочей жидкости, содержащем газонаполненные гидроаккумуляторы высокого и низкого давлений, быстродействующие дискретные напорный и сливной клапаны, инерционную трубу, емкость и гидроцилиндр, отличающийся согласно полезной модели тем, что на выходе из инерционной трубы установлен гаситель колебаний жидкости, состоящий из байпасно соединенных трубки и дросселирующего элемента с активным гидравлическим сопротивлением, например, из пористого материала MP, к выходу которых подключена емкость, выход которой в свою очередь связан с входом в гидроцилиндр, причем, гидравлическое сопротивление дросселя R равно волновому сопротивлению инерционной трубы R=ρc/S, а приведенный объем емкости V при выбранных длине l и площади проходного сечения S трубки определяется по формуле  (ρ - плотность жидкости; с - скорость звуковых колебаний в инерционной трубке; S - площадь проходного сечения инерционной трубы), на входе в инерционную трубу и на входе сливного клапана установлены датчики давления, электрические выходы которых соединены в противофазе и подключены к входу блока управления, электрические выходы которого связаны с электрическими входами напорного и сливного клапана.
г
г
ин
пр
тр
тр
ин
На фиг.1 показана схема дискретного регулятора потока рабочей жидкости для гидропривода, состоящего из магистрали высокого давления 1, газонаполненного гидроаккумулятора 2, напорного быстродействующего дискретного клапана 3, магистрали сливного давления 4, газонаполненного гидроаккумулятора 5, сливного быстродействующего дискретного клапана 6. Выходы дискретных клапанов 3 и 6 связаны с входом инерционной трубы 7. На выходе из инерционной трубы 7 установлен гаситель колебаний жидкости 8, состоящий из байпасно соединенных трубки 9 и дросселирующего элемента 10 с активным гидравлическим сопротивлением, например, из пористого материала MP, на выходе из которых подсоединена емкость 11, выход которой связан с входом в гидроцилиндр 12. Гидравлическое сопротивление дросселирующего элемента 10 R равно волновому сопротивлению инерционной трубы 7 R=ρc/S, а приведенный объем емкости 11 V, при выбранных длине l и площади проходного сечения S трубки 9, определяется по формуле , где ρ - плотность жидкости; с - скорость звуковых колебаний в инерционной трубе; S - площадь проходного сечения инерционной трубы. На входе в инерционную трубу 7 и на входе сливного клапана 6 установлены датчики давления соответственно 13 и 14, электрические выходы которых соединены в противофазе и подключены к блоку управления 15, электрические выходы которого связаны с электрическими входами напорного 3 и сливного 6 клапана.
тр
тр
тр
ин
Длину трубки 9 l и площадь ее проходного сечения S выбирают из условия S/S<1 и чтобы ее акустическое реактивное сопротивление при заданной частоте срабатывания дискретного регулятора было намного больше волнового сопротивления инерционной трубы.
Дискретный регулятор потока рабочей жидкости для гидропривода действует следующим образом.
P13
P14
Pl3
Pl4
13
14
13
P13
Подачей электрического сигнала от блока управления 15 на электрический вход напорного клапана 3 производится его резкое открытие и жидкость из магистрали высокого давления 1, поддерживаемая постоянным газонаполненным гидроаккумулятором 2, направляется к входу в инерционную трубу 7. В это время сливной клапан 6 закрыт. Возникает волна повышенного давления жидкости, которая разгоняется в инерционной трубе 7, доходит до трубки 9, которая представляет собой большое реактивное сопротивление по сравнению с гидравлическим сопротивлением дросселирующего элемента 10. Под действием возникшего на трубке 9 динамического перепада давления жидкость продавливается через дросселирующий элемент 10 с активным гидравлическим сопротивлением и, тем самым, гасится волна повышенного давления. Постоянная составляющая потока жидкости передается через трубку 9 в емкость и далее на вход гидроцилиндра. По истечении времени, определяемого требуемым давлением на входе в гидроцилиндр, подается электрический сигнал от блока управления 15 на быстрое закрытие напорного клапана 3. При этом жидкость под действием инерции продолжает движение в инерционной трубе 7. На входе инерционной трубы 7 возникает волна пониженного давления жидкости, которая устремляется к входу трубки 9 и гасится на дросселирующем элементе 10 так же, как и волна повышенного давления. Снижение давления на входе инерционной трубы фиксируется датчиком давления 13, с выходного сигнала которого U вычитается сигнал U с датчика 14 на входе в сливной клапан 6. Разница электрических сигналов ΔU=U-U с датчиков 13 и 14 подается на блок управления, который при достижении условия ΔU≤0 подает напряжение на электрический вход сливного клапана на его открытие. Под действием перепада давления ΔР=Р-Р, соответственно на входе в сливной клапан 6 и на входе в инерционную трубу 7 жидкость подсасывается в нее, обеспечивая дополнительный приток жидкости к гидроцилиндру из сливной магистрали. При достижении ΔР=Р или ΔU=U, в момент окончания периодически повторяющегося цикла работы регулятора, от блока управления 15 подается сигнал на закрытие сливного клапана 6 и одновременно на открытие напорного клапана 3. Длительностью открытия напорного клапана 3 регулируется давление на входе в гидроцилиндр. Чем больше длительность открытия напорного клапана 3, тем больше давление на входе в гидроцилиндр и наоборот.
В процессе работы дискретного регулятора в инерционной трубе реализуются только бегущие волны, то есть не возникает отраженных волн из-за поглощения падающих волн дросселирующим элементом 10, то есть, нет условий для возникновения резонансов в инерционной трубе 7. При этом не нарушаются условия по формированию давления на входе в инерционную трубу блоком управления 15, что обеспечивает максимальную энергетическую эффективность управления гидроцилиндром. Кроме этого при отсутствии резонансных режимов в инерционной трубе 7 и, в конечном счете, во всей системе гидропривода обеспечивается минимальный уровень излучаемого в окружающее пространство шума, что делает управление гидроцилиндром экологически выгодным.
Заявляемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующими положительными качествами:
- повышенная энергетическая эффективность управления гидроцилиндром за счет устранения резонансных процессов в инерционной трубе и, как следствие, исключения неблагоприятного влияния волновых процессов на характеристики управления;
- обеспечивает работу дискретного регулятора в режиме увеличения расхода жидкости к гидроцилиндру за счет своевременного подсасывания из сливной магистрали;
- обеспечивает экологически выгодное управление гидроцилиндром, без повышенного уровня шума.