ДВУХКАСКАДНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО РАСХОДУ
TWO-STAGE ELECTROHYDRAULIC AMPLIFIER WITH ELECTRIC FLOW FEEDBACK

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к электрогидравлическим автоматическим системам, широко применяемым в различных отраслях техники, где используются быстродействующие электрогидравлические усилители. Это и испытательные стенды в автомобильной и авиационной промышленностях, и мощные виброустановки в современных системах поиска нефти и газа, и прокатные станы в металлургии и ряд других применений.
Известны двухкаскадные электрогидравлические усилители американской фирмы MOOG серии D765 [каталог «Сервоклапаны фирмы MOOG Gmbh. Нижегородский филиал, Россия, 2003»].
Указанный двухкаскадный электрогидравлический усилитель, являющийся на сегодняшний день наиболее совершенным, примем в качестве прототипа.
Принципиальная электрогидравлическая схема электрогидравлического усилителя-прототипа изображена на фиг.1 и содержит:
- суммирующий операционный усилитель (1) с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал (Uвx);
- электронный усилитель мощности (2), вход которого соединен с выходом суммирующего операционного усилителя (1);
- электромеханический преобразователь (3), управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности (2), а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада (4);
- гидрораспределитель первого каскада (4), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива;
- гидрораспределитель второго каскада (7), кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (6), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями, гидравлически соединенный с гидрораспределителем первого каскада (4) и имеющий две выходные гидролинии для соединения с потребителем;
- согласующую аппаратуру (5), вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи (6) гидрораспределителя второго каскада (7), а выход согласующей аппаратуры соединен со вторым входом суммирующего операционного усилителя (1).
Недостатком рассмотренного электрогидравлического усилителя-прототипа является зависимость распределяемого гидроусилителем расхода рабочей жидкости от перепада давлений от нагрузки в исполнительном устройстве следящего привода, в составе которого работает гидроусилитель, что снижает КПД этого привода.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение отмеченного недостатка.
Поставленная задача решается тем, что двухкаскадный электрогидравлический усилитель содержит:
- суммирующий операционный усилитель с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал;
- электронный усилитель мощности, вход которого соединен с выходом суммирующего операционного усилителя;
- электромеханический преобразователь, управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности, а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада;
- гидрораспределитель первого каскада, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива;
- гидрораспределитель второго каскада, кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи, гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями, гидравлически соединенной с гидрораспределителем первого каскада и имеющей две выходные гидролинии для соединения с потребителем;
- согласующую аппаратуру, вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада,
при этом новым является то, что, согласно изобретению, в принципиальную схему заявленного электрогидравлического усилителя включены:
- электрогидравлический датчик перепада давлений, гидравлически соединенный двумя гидролиниями с выходными гидролиниями гидрораспределителя второго каскада;
- электронное вычислительное устройство, один вход которого соединен с выходом согласующей аппаратуры электрического датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада, а другой вход соединен с электрическим выходом электрогидравлического датчика перепада давлений, выход электронного вычислительного устройства соединен со вторым входом суммирующего операционного усилителя.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом (фиг.2), на котором представлена принципиальная электрогидравлическая схема усовершенствованного электрогидравлического усилителя, которая содержит:
вx
- суммирующий операционный усилитель (1) с двумя входами, на один из которых подается управляющий сигнал (U);
- электронный усилитель мощности (2), вход которого соединен с выходом второго суммирующего операционного усилителя (1);
- электромеханический преобразователь (3), управляющая обмотка которого соединена с выходом электронного усилителя мощности (2), а якорь кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада (4);
- гидрораспределитель первого каскада (4), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива;
- гидрораспределитель второго каскада (7), кинематически связанный с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (6), гидравлически соединенный с гидролиниями нагнетания и слива, двумя гидролиниями гидравлически соединенный с гидрораспределителем первого каскада (4) и имеющий две выходные гидролинии для соединения с потребителем;
- согласующую аппаратуру (5), вход которой соединен с сигнальной обмоткой электрического датчика обратной связи (6) гидрораспределителя второго каскада (7);
- электрогидравлический датчик перепада давлений (8), гидравлически соединенный двумя гидролиниями с выходными гидролиниями гидрораспределителя второго каскада (7);
1
2
OC
- электронное вычислительное устройство (9), один вход которого соединен с выходом (U) согласующей аппаратуры (5) электрического датчика обратной связи (6) гидрораспределителя второго каскада (7), а другой вход соединен с электрическим выходом (U) электрогидравлического датчика перепада давлений (8), выход (U) электронного вычислительного устройства (9) соединен со вторым входом суммирующего операционного усилителя (1).
Заявленный двухкаскадный электрогидравлический усилитель работает следующим образом (см. фиг.2).
вх
1
2
На вход суммирующего операционного усилителя (1) поступает входной управляющий сигнал (U). Выход суммирующего операционного усилителя соединен со входом электронного усилителя мощности (2), предназначенного для усиления электрического сигнала, поступающего на управляющую обмотку электромеханического преобразователя (3), якорь которого кинематически связан с подвижным элементом гидрораспределителя первого каскада (4), двумя гидролиниями соединенного с гидролиниями нагнетания и слива и через две гидролинии управляющего гидрораспределителем второго каскада (7), кинематически связанного с подвижным элементом электрического датчика обратной связи (6), электрический сигнал (U) с сигнальной обмотки этого датчика, через согласующую аппаратуру (5), поступает на первый вход электронного вычислительного устройства (9). Второй вход электронного вычислительного устройства (9) соединен с электрическим выходом (U) датчика перепада давлений (8), измеряющего разность давлений в выходных гидролиниях заявленного гидроусилителя.
OC
Электронное вычислительное устройство вычисляет сигнал обратной связи по расходу (U), подаваемый на второй вход суммирующего операционного усилителя, соответствующий модулю и знаку расхода рабочей жидкости Q, распределяемого заявленным гидроусилителем.
с
Для пояснения принципа работы усовершенствованного гидроусилителя рассмотрим согласующий коэффициент К:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>О</mi><mi>С</mi></mrow><mi>m</mi></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow>
где:
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow><mi>m</mi></msubsup></mrow>
- максимальное значение сигнала обратной связи на выходе электронного вычислительного устройства;
<mrow><msub><mi>Q</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>μ</mi><msub><mi>b</mi><mi>щ</mi></msub><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><msqrt><mrow><mfrac><mi>g</mi><mi>γ</mi></mfrac><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>o</mi></msub></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
0
0
n
Q - расход рабочей жидкости при x и ΔP=0;
0
вx
n
х - максимальное значение координаты, определяющей величину и знак смещения золотника гидрораспределителя выходного каскада от нейтрального положения при максимальном управляющем сигнале (U) и при ΔP=0.
0
n
l
ΔР=P-P
где:
n
P - давление в гидролинии нагнетания;
l
P - давление в гидролинии слива;
n
1
2
ΔP=P-P.
где:
1
2
P и P - давления в выходных гидролиниях гидроусилителя;
µ - коэффициент расхода рабочих окон гидрораспределителя;
щ
b - ширина рабочих окон гидрораспределителя;
g - ускорение силы тяжести;
γ - удельный вес рабочей жидкости.
Текущее значение расхода (Q):
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>μ</mi><msub><mi>b</mi><mi>щ</mi></msub><msub><mi>х</mi><mi>з</mi></msub><msqrt><mrow><mfrac><mi>g</mi><mi>γ</mi></mfrac><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><mi>S</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><msub><mi>x</mi><mi>з</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
з
где x - текущее значение координаты золотника гидрораспределителя выходного каскада.
Рассмотрим выражение:
<mrow><msub><mi>К</mi><mi>С</mi></msub><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow><mi>m</mi></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>o</mi></msub></mrow></mfrac><mi>Q</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow><mi>m</mi></msubsup><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>х</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mi>S</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><msub><mi>x</mi><mi>з</mi></msub></mrow></msqrt><mo>.</mo></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>х</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>х</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow><mi>m</mi></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow><mi>m</mi></msubsup></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
0
OC
Если учесть, что
(с учетом того, что
соответствует x) и
то формула для определения сигнала обратной связи U примет вид:
где:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow></mfrac><mi>S</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
1
U - электрический сигнал на выходе согласующей аппаратуры датчика обратной связи гидрораспределителя второго каскада;
2
n
U - электрический сигнал, соответствующий ΔP;
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mn>2</mn><mn>0</mn></msubsup></mrow>
0
- электрический сигнал, соответствующий ΔP.
вх
з
з
При замыкании контура, у которого на входе U, а на выходе x и при последующей подстановке x в формулу для определения расхода рабочей жидкости, распределяемого гидроусилителем, получаем независимость указанного расхода от изменения, в заданных пределах, перепада давлений между выходными гидролиниями гидроусилителя.
В итоге имеем:
Инвариантность скоростной характеристики к изменению перепада давлений от нагрузки гидропривода дроссельного регулирования, управляемого заявленным гидроусилителем.
Увеличение коэффициента полезного действия (КПД) силовой части вышеуказанного гидропривода.
вх
Возможность, в случае необходимости, реализации ограничения по скорости выходного звена исполнительного механизма с помощью ограничения входного сигнала (U).