РЕГУЛЯТОРНЫЙ УЗЕЛ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ
HIGH-SPEED HYDRAULIC DISTRIBUTOR REGULATOR

Заявленный регуляторный узел высокоскоростного гидрораспределителя используется в составе оборудования гидравлического контура следящего привода с высокими показателями скорости отклика гидросистемы с электромеханическим золотниковым приводом, программируемым микроконтроллером и цифровым датчиком обратной связи на управляющий импульс.
Аналогами заявленного изобретения являются гидрораспределительные устройства следящего привода (например, патент RU 2233464 C2, опубл. 27.07.2004, патент RU 2368932 C1, опубл. 27.09.2009).
Технические проблемы, решаемые в предлагаемом изобретении:
- создание гидравлической системы с плавным управляемым характером работы при минимальном времени отклика практически при любой мощности системы;
- создание регуляторного механизма для управления высокоскоростным следящим гидроприводом;
- создание технологичного в производстве регуляторного узла, работающего в точном соответствии с функцией расходной характеристики.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются:
- управление следящим гидроприводом большой мощности с высокой скоростью отклика на управляющий сигнал и высокой чувствительностью.
Технический результат достигается за счет того, что регуляторный узел высокоскоростного гидрораспределителя с программно-управляемым золотником с электромеханическим приводом, имеющим окна, причем их расходные характеристики зависят от профиля окна, при этом полости гидроцилиндра находятся в зоне равного высокого давления, поршень совершает движение при создании разницы давления в полостях, понижением давления на выходе управляет регуляторный узел, причем регуляторный узел состоит из двух герметично прижатых пластин с окнами: распределительной пластины неподвижной (1), являющейся регулятором и содержащей окна напорных магистралей (“Р”) и окна сливных магистралей («Т») и регуляторной пластины (2), являющейся золотником и имеющей окна (А, В), которая перемещается вдоль пластины с помощью электромеханического привода, управляемого микроконтроллером на основании данных цифрового датчика обратной связи, процессы понижения давления в полостях гидроцилиндра обратно-пропорциональны и синхронны, так как окна регулятор расположены в одной движущейся детали, при этом определение точного сценария работы управляемого гидропривода происходит за счет геометрии области, образованной пересечением пропускных окон регулятора и золотника, которая отвечает за характер развития расхода гидравлического потока.
Заявленный регуляторный узел входит в состав высокоскоростного гидрораспределителя следящего привода с микропроцессорным управлением и цифровым датчиком обратной связи.
На фиг.1 изображена схема подключения регуляторного узла к полостям исполнительного гидроцилиндра, где Р – напорные магистрали, Т – сливные магистрали.
Схема работы гидравлического контура с геометрическим регуляторным узлом (фиг.1):
обе полости гидроцилиндра находятся в зоне равного высокого давления, поршень совершает движение при создании разницы давления в полостях, понижением давления на выходе управляет регуляторный узел.
Регуляторный узел состоит из двух герметично прижатых пластин с пропускными окнами:
- распределительная пластина неподвижная;
- регуляторная пластина перемещается вдоль пластины с помощью электромеханического привода, управляемого микроконтроллером на основании данных цифрового датчика обратной связи. Процессы понижения давления в полостях гидроцилиндра обратно-пропорциональны и синхронны, так как окна регуляторы расположены в одной движущейся детали.
На фиг.2 изображены:
- неподвижная распределительная пластина (1), в которой «Р» – окна напорных магистралей, «Т» – окна сливных магистралей.
- подвижная регуляторная пластина (2), в которой регуляторные окна (А, В).
На фиг.3 штриховкой обозначена область взаимоналожения окон.
Особенностью данного регулятора является возможность геометрически заложить закон развития расходной характеристики. Пропускное окно подвижной пластины может быть прямоугольной формы в случае линейной расходной характеристики.
На фиг 4. изображен пример взаимоналожения проточных окон, создающего профиль, геометрическая форма которого соответствует графику функции расходной характеристики.
Отличительную особенность  рассматриваемого регуляторного узла - определять точно сценарий работы управляемого гидропривода за счет геометрии зоны пересечения расходных окон, можно разделить на три области:
фиг. 4.1 - Область А: Управление во всем расходном диапазоне;
фиг. 4.2 - Область В: Управление во время пуска и /или останова гидродвигателя;
фиг. 4.3 - Область С: Изменение характера управления при нарастании или уменьшении расхода.
Фиг. 4.1. Область А. Пример: Управление во всем расходном диапазоне.
Геометрия области, образованной пересечением пропускных окон регулятора и золотника, отвечает за характер развития расхода гидравлического потока, а соответственно исполнительного звена гидродвигателя. Применяется в случаях, когда расход необходимо развивать пропорционально с абсолютного ноля или сценарием работы определен экспоненциальный рост производительности гидропривода во всем диапазоне.
Фиг. 4.2. Область В. Пример: Управление во время пуска и /или останова гидродвигателя.
Геометрия области, образованной пересечением пропускных окон регулятора и золотника, отвечает за характер пуска и/или останова гидравлического потока, а соответственно исполнительного звена гидродвигателя. Применяется в случаях, когда необходим, управляемый по определенному динамическому закону, пуск и/или останов гидродвигателя. Плавный или с постепенным изменением мощности.
Фиг. 4.3. Область С. Пример: Изменение характера управления при нарастании или уменьшении расхода.
Геометрия области, образованной пересечением пропускных окон регуляторов портов и пропускных окон золотника, отвечает за быстродействие и чувствительность гидропривода.
Применяется в случаях, когда необходим подъем чувствительности гидропривода на малом расходе гидрорегулятора. В традиционных гидросхемах подобную функцию выполняет подпорный клапан, ответственный, в том числе, за исключение кавитации. Но в традиционной схеме, при значительном увеличении расхода, подпорный клапан не отключается и создает дополнительное сопротивление, снижая совокупный КПД гидросистемы.
В предложенном решении, расход через гидрорегулятор напорной полости гидроцилиндра, превосходит расход сливной полости на некоторую величину, что создает необходимый подпор. При увеличении расходов, эти характеристики выравниваются.
Результатом работы регуляторного узла являются:
Высокоскоростное высокочувствительное управление гидроцилиндром следящего гидропривода по «геометрически» заложенному в конструкцию закону с вторичной подстройкой с помощью микропроцессорного управления. Минимальное время отклика на управляющий импульс – около 50 мс.
Проведенные исследования
Были проведены испытания соответствия графика расходной характеристики профилю регуляторного пропускного окна. С помощью цифрового датчика давления WIKA A-10, установленного за ограничителем расхода, измерялся уровень падения давления в контуре при открытии окна геометрического регулятора. График падения давления относительно времени воздействия показал 95% совпадения с функцией, выраженной в профиле окна регулятора.
На фиг.5 изображена схема подключения датчика давления, регистрирующего показания давления на входе в регуляторный узел относительно времени процесса измерения, где «Р» – напорная магистраль, «Т» – сливная магистраль.
Были проведены испытания соответствия расходной характеристики профилю регуляторного пропускного окна. Расход на выходе из регулятора измерялся высокоточным Расходомером WEBTEC FI1500 (см. фиг. 6).
Тип жидкости
Гидравлические масла
Измеряемый поток
до 400 л/мин
Впускное и выпускное отверстия
1-1/2” BSPP
Температура жидкости
От 20 до 80°C
Максимальное давление
до 350 бар
Точность измерений
Расход: ± 4% / Температура: ± 2,5°С
Давление в гидросистеме контролировалось с помощью датчика WIKA A-10. Ход золотника осуществлялся с помощью прецизионной шарико-винтовой передачи управляемой вручную. Подача золотника фиксировалась с помощью высокоточного цифрового магнитного энкодера LM-10. С дискретностью 0, 002 мм.
В результате испытаний, было зарегистрировано соответствие расходной характеристики регуляторного узла степенной функции профиля зоны пересечения пропускных окон регулятора и золотника, с точностью +/- 5%.
Пример работы (см. фиг. 7): заявленного регуляторного узла в сравнении с основной, производимой промышленностью, конструкцией регулятора пропорционального гидрораспределителя. Для сравнения взят основной существующий тип устройства золотникового механизма пропорционального гидрораспределителя, ведущих зарубежных производителей. (Отечественные разработки пропорциональных распределителей на данный момент отсутствуют). Пропорциональность расходной характеристики гидрораспределителя, обеспечивается нанесением клиновидной проточки на отсечную кромку золотника. Нанесение такой проточки на круглую в сечении деталь не позволяет создать точный контур пропускного канала, так как проточка наносится вдоль гидравлического течения. Степенная функция графика расходной характеристики золотника (см. фиг. 8), представлена одним типом, с большей или меньшей интенсивностью.
Пропорциональный диапазон составляет 68 % от общего диапазона управления.
В представленном регуляторном узле пропускное окно находится перпендикулярно гидравлическому потоку. Проточка окна лежит в  плоскости и точно соответствует графику степенной функции расходной характеристики. Форма проточки может быть произвольной и отражать любой закон роста производительности регулятора. Пропорциональный диапазон составляет 100% диапазона регулирования.