ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
HYDRAULIC CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области гидроавтоматики, представляет собой гидравлическое управляющее устройство объемного гидропривода и предназначено преимущественно для управления регулирующим органом аксиально-поршневой гидромашины с наклонным блоком цилиндров или с наклонным опорным диском и может быть использовано в источниках гидравлического питания с регулируемым насосом, в гидроприводах объемного регулирования, в регулируемых гидроприводах мобильных машин и стационарных установок во всех отраслях машиностроения, авиастроения и судостроения.
Известно гидравлическое управляющее устройство регулирующим органом (люлькой) аксиально-поршневого насоса, аналогичное гидравлическому следящему приводу. Известное управляющее устройство расположено в корпусе насоса и состоит из входного валика управления, механического формирователя сигнала рассогласования между углом поворота валика управления и углом наклона люльки насоса, золотникового дросселирующего распределителя, гидроцилиндров управления и нагрузки в виде люльки насоса. При работе известного управляющего устройства, в соответствии с управляющим воздействием в виде угла поворота валика управления, механический формирователь сигнала в виде дифференциальной рычажной передачи между валиком управления и люлькой перемещает цилиндрический золотник дросселирующего распределителя, который распределяет потоки жидкости от полости гидропитания в каналы управления и от них в полость слива. Под воздействием потоков жидкости параллельно расположенные гидроцилиндры одностороннего действия наклоняют люльку и механическая обратная связь с люльки воздействует на механический формирователь сигнала рассогласования после окончания сигнала рассогласования. После окончания переходного процесса золотник возвращается в нейтральное нулевое положение, угол наклона люльки будет равен углу поворота валика управления при рассогласовании, близком к нулевому значению [1].
Недостатками данного устройства являются малое быстродействие, большая ошибка отработки сигналов рассогласования и недостаточная надежность, обусловленные использованием цилиндрического золотника, сложной дифференциальной передачи между валиком управления и люлькой, а также распределителя, подверженного износу и заклиниванию от загрязнений рабочей жидкости.
Известен механизм управления регулируемым аксиально-поршневым насосом, содержащий источник управляющего давления, корпус, двухкаскадный электрогидравлический усилитель с соплом-заслонкой и междроссельными камерами, при помощи каналов сообщенными с полостями установки нагруженных пружинами и механически связанных между собой толкателей второго каскада усиления, и распределитель в виде трех плоских золотников, сопряженных между собой плоскими рабочими поверхностями, причем один из крайних золотников гидравлически соединен с цилиндрами управления, поршни которых установлены с возможностью взаимодействия с коромыслом люльки насоса, средний золотник кинематически связан с валиком механического входа усилителя, а второй крайний золотник соединен с источником управляющего давления, отличающийся тем, что средний золотник снабжен цилиндрическими отверстиями для образования полостей для размещения толкателей и пружин усилителя, при этом каналы для сообщения междроссельных камер с указанными полостями выполнены во втором крайнем и в среднем золотниках распределителя, соответственно, в виде отверстий и сопряженных с ними серповидных окон [2].
Недостатком данного устройства является сложная гидравлическая и кинематическая схема с тремя плоскими золотниками, ограничивающая функциональные возможности и область применения данного устройства в рамках электрического или механического управляющего воздействия.
Известен аксиально-поршневой регулируемый насос содержащий корпус; приводной вал; блок цилиндров с поршнями; регулирующий орган насоса; систему управления насоса, включающую источник питания, золотниковый распределитель механического входа управления, электрогидравлический усилитель, являющийся вторым входом, имеющие обратную связь от регулирующего органа, шарнирно-рычажную связь механического входа управления, соединяющую золотниковый распределитель механического входа и нульустановитель с валиком управления, два гидроцилиндра управления с поршнями и нульустановительными пружинами; золотниковую коробку, разделяющую два контура управления регулирующим органом насоса, при этом вход золотниковой коробки связан с источником питания, а ее выходы - с золотниковым распределителем механического входа управления и с электрогидравлическим усилителем, при этом гидроцилиндры управления для каждого входа имеют свои рабочие полости, соединенные через золотниковые распределители входов управления с источником питания и сливом. При этом двухзолотниковый плоский дросселирующий распределитель выполняет функции формирователя сигнала рассогласования в режиме механического управления. В режиме электрического управления использован для формирователя сигнала рассогласования датчик угла наклона люльки [3, прототип].
Недостатками этого устройства управления являются большие габариты увеличенного внутреннего объема корпуса насоса для размещения в нем двух дросселирующих устройств с цилиндрическими и плоскими золотниками, а также механической и электрической обратными связями по положению люльки, отсутствие возможности управления люлькой от электрического входа при нахождении золотников в нейтральном нулевом положении из-за замкнутых объемов жидкости между плоскими распределителями и гидроцилиндрами управления.
Технической задачей изобретения является создание эффективного устройства управления и расширение арсенала устройств управления объемных гидроприводов.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в улучшении массогабаритных характеристик и повышении надежности в связи с минимальным количеством звеньев рычажной передачи от валика управления и механической обратной связи от регулирующего органа насоса, улучшении компоновочных показателей, упрощении конструкции.
Сущность изобретения состоит в том, что гидравлическое управляющее устройство регулируемого аксиально-поршневого насоса, содержащее валик управления, связанный с первой пластиной плоского дросселирующего распределителя, выполненного с двумя параллельными плоскими золотниками и имеющего окна гидропитания, слива и распределительные окна, подключенные каналами управления к двум гидроцилиндрам управления одностороннего действия, установленным с возможностью реверсивного углового перемещения регулирующего органа с наклонным блоком цилиндров или опорным диском, а также средства обратной связи регулирующего органа с распределителем, причем распределитель выполнен с распределительным основанием и верхней опорной плитой, между которыми установлены два плоских золотника, выполненные поворотными на общей оси поворота, причем первый плоский золотник соединен через рычаг с валиком управления с возможностью поворота в ту или другую сторону, а второй кинематически связан рычагом обратной связи и соединен с регулирующим органом насоса с возможностью поворота в направлении, обратном повороту первого, при этом плоские золотники снабжены элементами соединения с рычагами, расположенными диаметрально противоположно от оси их поворота, причем рычаги управления и обратной связи симметрично расположены вдоль продольной оси наклона блока цилиндров при нейтральном положении регулирующего органа насоса, а длины плеч рычагов управления и обратной связи выбраны из условия равенства углов поворота первого и второго плоских золотников при повороте валика управления и регулирующего органа насоса.
Со стороны прилегания первого плоского золотника к верхней опорной плите на первом плоском золотнике имеются отжимные гидростатические полости, соединенные через отверстия, предусмотренные в этих полостях, с отверстиями каналов гидропитания и управления, расположенными на распределительном основании, через сквозные окна давления управления и гидропитания второго плоского золотника, а со стороны его прилегания ко второму плоскому золотнику на первом плоском золотнике имеется полость давления гидропитания, сообщенная через отверстие с соответствующей отжимной гидростатической полостью и соединенная со сквозным окном гидропитания второго плоского золотника, при этом первый и второй плоские золотники имеют сквозные окна давления слива, соединенные с отверстием слива распределительного основания и с корпусом насоса через пазы, предусмотренные на верхних и нижних сторонах плоских золотников, причем нулевые или другие перекрытия дросселирующих щелей первого и второго плоских золотников образованы между полостью давления гидропитания и окном давления слива первого плоского золотника и распределительными сквозными окнами давления управления второго плоского золотника при нейтральном положении валика управления и регулирующего органа насоса с возможностью образования четырех дросселирующих щелей при повороте друг относительно друга первого и второго плоских золотников.
Элементы соединения первого и второго плоских золотников выполнены в виде серег, в пазы которых установлены штыри рычага валика управления и рычага обратной связи, причем рычаг обратной связи дополнительно соединен с валом первого и второго плоских золотников и с люлькой насоса через серьгу, расположенную на люльке, в паз которой вставлен штырь рычага обратной связи.
Рычаг валика управления, серьги плоских золотников, рычаг обратной связи и серьга люльки при нейтральном ее положении расположены вдоль продольной оси насоса.
Для управления плоским двухзолотниковым дросселирующим распределителем используется электродвигатель через дифференциальный редуктор, соединенный с рычагом валика управления.
На фиг.1 изображена конструктивная схема заявляемого управляющего устройства, на фиг.2 и фиг.3 представлено конструктивное исполнение первого и второго плоских золотников, на фиг.4 показано расположение первого и второго плоских золотников относительно распределительного основания при нейтральных положениях регулирующего органа насоса и валика управления. Электромеханическое управление плоским двухзолотниковым дросселирующим распределителем показано на фиг.5.
Гидравлическое управляющее устройство, представленное на фиг.1, состоит из валика 1 управления; рычага 2; плоского двухзолотникового дросселирующего распределителя 3, выполненного в виде распределительного основания 4, двух параллельных пластин первого 5 и второго 6 плоских золотников, верхней опорной плиты 7 и оси 8; каналов 9, 10 управления; дух гидроцилиндров 11, 12 управления одностороннего действия; регулирующего органа насоса, например люльки 13 с блоком цилиндров или наклонного диска (не изображено), и рычага 14 обратной связи. Все вышеперечисленные элементы гидравлического управляющего устройства размещены в корпусе насоса.
Первый 5 и второй 6 плоские золотники установлены на оси 8 между распределительным основанием 4 и верхней опорной плитой 7. Для соединения рычага 2 с первым 5 плоским золотником, а рычага 14 обратной связи со вторым плоским золотником 6 и с люлькой 13 в конструкции первого 5 и второго 6 плоских золотников и люльки 13 предусмотрены серьги 15, 16, 17, в пазы  которых вставлены штыри 18, 19, 20 рычага 2 и рычага 14 обратной связи, причем рычаг 14 обратной связи дополнительно соединен с осью 8 поворота плоского двухзолотникового распределителя 3.
При нейтральном положении люльки 13 с блоком цилиндров рычаг 2, валик 1 управления, серьга 15 первого 5 плоского золотника, серьга 16 второго 6 плоского золотника, рычаг 14 обратной связи и серьга 17 люльки 13 расположены вдоль продольной оси OZ насоса. Выбором длин плеч рычага 2 и рычага 14 обратной связи от контактных поверхностей серьги 15 первого 5 плоского золотника до оси поворота рычага 2 валика управления и от серьги 20 люльки 13 до оси 8 поворота первого 5 и второго 6 плоских золотников обеспечивается равенство углов поворота первого 5 и второго 6 плоских золотников во всем диапазоне поворота валика 1 управления и углов наклона люльки 13.
На верхней плоскости первого 5 плоского золотника, прилегающего к верхней опорной плите 7 (фиг.1), выполнены гидростатические полости 21, 22 и 23 (фиг.2) отжима первого 5 плоского золотника от верхней опорной плиты 7 (фиг.1), а со стороны его прилегания ко второму 6 плоскому золотнику (фиг.1) на первом плоском золотнике имеется полость 24 (фиг.2) давления гидропитания, сообщенная через отверстие 25 с отжимной гидростатической полостью 23. Для установки первого 5 плоского золотника на ось 8 (фиг.1) в его конструкции предусмотрено отверстие 26 (фиг.4), а также выполнено сквозное окно 27 давления слива, которое дополнительно соединено с внутренней полостью корпуса насоса через пазы 28, расположенные на верхней и нижней сторонах первого плоского золотника. Полости 21 и 22 имеют сквозные отверстия 29 и 30.
На втором плоском золотнике (фиг.3) расположены отверстие 31; сквозные распределительные окна 32, 33 давлений управления; сквозное окно 34 давления гидропитания; сквозное окно 35 давления слива; пазы 36, выполненные на верхней и нижней сторонах плоского золотника, соединяющие окно 35 с внутренней полостью насоса.
1
2
3
4
Взаимное расположение полости 24 давления гидропитания, окна 27 давления слива первого 5 плоского золотника относительно сквозных распределительных окон 32 и 33 давления управления, сквозного окна 34 давления гидропитания второго 6 плоского золотника и отверстий 37, 38 каналов гидропитания и слива, отверстий 39 и 40 каналов 9, 10 (фиг.1) управления распределительного основания 4 показано на фиг.4. При нейтральном положении валика 1 управления и люльки 13 (фиг.1) между полостью 24 давления питания и окном 27 давления слива первого 5 золотника и распределительными окнами 32, 33 давления управления второго 6 плоского золотника имеются перекрытия δ, δ, δ, δ.
1
2
3
4
1-4
1-4
1-4
В зависимости от технических требований к управляющему устройству, по аналогии с известными дросселирующими распределителями с цилиндрическим золотником, перекрытия δ, δ, δ, δ дросселирующих щелей 41, 42, 43, 44 могут быть выполнены нулевыми (при δ=0), положительными (при δ>0) или отрицательными (при δ<0) [1].
Электромеханическое управление плоским двухзолотниковым дросселирующим распределителем (фиг.5) состоит из механической тяги 45; электродвигателя 46; шестерени 47; приборного планетарного дифференциального редуктора 48, состоящего из солнечной шестерни 49, сателлитов 50, эпициклической шестерни 51, водила 52; зубчатой передачи 53. Механическая тяга 45 связана с солнечной шестерней 49 приборного планетарного дифференциального редуктора 48. Вал электродвигателя 46 подключен через шестерни 47 к эпициклической шестерне 51 приборного планетарного дифференциального редуктора 48. Выходной вал водила 52 приборного планетарного дифференциального редуктора 48 через зубчатую передачу 53 соединен с рычагом 2 валика управления.
Работа гидравлического управляющего устройства аксиально-поршневого насоса происходит следующим образом.
ВУ
При отклонении валика 1 управления (фиг.1), например, против часовой стрелки рычаг 2, кинематически связанный с пазом серьги 15 через штырь 18, поворачивает первый 5 плоский золотник вокруг оси 8 на заданный угол β, например, по часовой стрелке.
Первый 5 плоский золотник (фиг.4), установленный на оси 8 относительно второго 6 плоского золотника, соединяет полость 24 давления питания и окна 27 давления слива первого 5 золотника с распределительными окнами 32, 33 давления управления второго 6 плоского золотника, образуя дросселирующие щели 41 и 44.
Рабочая жидкость через отверстие 37 канала гидропитания в распределительном основании 4 и дросселирующую щель 41 поступает в отверстие 39 канала управления, расположенное в распределительном основании 4, и далее по каналу 10 управления (фиг.1), соединяющему гидроцилиндр 12 с распределительным основанием 4, в полость гидроцилиндра 12. При этом полость гидроцилиндра 11 через канал 9 управления, отверстия 40 (фиг.4) в распределительном основании 4, дросселирующую щель 44, отверстие 40 распределительного основания 4 сообщена с каналом слива и с корпусом насоса через пазы 28 и 36 (фиг.2 и 3), соединяющие сквозные окна 27 и 35 первого 5 и второго 6 плоских золотников.
По мере увеличения давления в полости гидроцилиндра 12 (фиг.1) гидроцилиндр 12, перемещаясь, развивает момент, отклоняющий люльку 13 от нулевого положения.
Одновременно с отклонением люльки 13 происходит поворот второго 6 плоского золотника рычагом 14 обратной связи через штыри 19 и 20, соответственно установленные в пазы серьги 16 и 17 второго 6 плоского золотника и люльки 13.
Люлька 13 насоса поворачивается под действием гидроцилиндра 12 до тех пор, пока второй 6 плоский золотник не примет положение, соответствующее углу поворота первого 5 плоского золотника, т.е пока не закроются дросселирующие щели 41 и 44 (фиг.4).
При окончании переходного процесса угол наклона люльки 13 (фиг.1) будет равен углу поворота валика 1 управления. Первый 5 и второй 6 плоские золотники будут повернуты на одинаковые углы. Между полостью 24 (фиг.4) давления питания и окном 27 давления слива первого 5 плоского золотника и распределительными окнами 32, 33 давления управления второго 6 плоского золотника образуются дросселирующие щели 41 и 44, которые будут иметь нулевые перекрытия (т.е. δ=0).
Л
ВУ
При повороте люльки 13 подача регулируемого насоса пропорциональна углу α наклона люльки 13 и, следовательно, углу поворота β валика 1 управления.
Для возвращения люльки 13 (фиг.1) в исходное нейтральное положение необходимо повернуть валик 1 управления в противоположную сторону. Процесс наклона люльки 13 будет выполняться гидроцилиндрами 11 и 12 при управлении потоками жидкости через дросселирующие щели 42 и 43 (фиг.4).
Для исключения заклинивания первого 5 и второго 6 плоских золотников плоского дросселирующего распределителя 3 (фиг.1) при нахождении валика 1 управления в нейтральном положении или во время работы гидравлического управляющего устройства рабочая жидкость через отверстия 25, 29, 30 первого 5 плоского золотника (фиг.2) поступает под давлением в гидростатические полости 24, 29 и 30, отжимает первый 5 плоский золотник от верхней плиты 7 (фиг.1) и прижимает первый 5 и второй 6 плоские золотники к распределительному основанию 4.
В случае попадания механических частиц в зазоры трущихся поверхностей между распределительным основанием 4 и вторым 6 плоским золотником, между первым 5 и вторым 6 плоскими золотниками, между первым 5 плоским золотником и верхней опорной плитой 7 усилие валика 1 управления через серьгу 17 люльки 13 преодолевает увеличение сил трения в зазорах.
Электромеханическое управление плоским двухзолотниковым дросселирующим распределителем 3 (фиг.1) осуществляется следующим образом: при вращении вала электродвигателя 46 (фиг.5) вращающий момент от шестерни 47, установленной на вал электродвигателя 46, передается на эпициклическую шестерню 51 приборного планетарного дифференциального редуктора 48, при заторможенной солнечной шестерне 49 - механической тягой 45. Эпициклическая шестерня 51, кинематически связанная с сателлитами 50 и водилом 52 приборного планетарного дифференциального редуктора 48, отклоняет при вращении рычаг 2 валика управления на заданный угол через зубчатую передачу 53.
При не работающем электродвигателе 46 и заторможенной его магнитной системой эпициклической шестерне 51 приборного планетарного дифференциального редуктора 48 отклонение рычага 2 валика управления происходит через механическую тягу 45, через солнечную шестерню 49 приборного планетарного дифференциального редуктора 48.
При одновременной работе механической тяги 45 и электродвигателя 46 угол поворота рычага 2 валика управления равен алгебраической сумме углов поворота механической тяги 53 и вала электродвигателя 46.
Бесконтактный магнитный электродвигатель имеет внутренний датчик угла его ротора, который может быть использован в качестве датчика электрической обратной связи в комплексе управления гидроприводом.
Предлагаемое гидравлическое управляющее устройство аксиально-поршневым насосом имеет минимальное количество простых в изготовлении узлов, позволяет минимизировать компоновочные и массогабаритные параметры управляющего устройства и регулируемого насоса, обладает высокой надежностью, эффективностью по точности и быстродействию отработки переходных процессов и обеспечивает малую стоимость при изготовлении и эксплуатации насоса.
Предлагаемое управляющее устройство позволяет расширить арсенал гидравлических управляющих устройств регулируемых аксиально-поршневых насосов.
Литература
1. Прокофьев В.Н. и др. «Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод». 1969 М., Машиностроение, стр.28, рис.1.26.
2. Авторское свидетельство RU №2018708.
3. Патент RU №2109167.
4. Гамынин Н.С. «Гидравлический привод систем управления». - Машиностроение, 1972, с.107, рис.4.9.
5. Бесконтактные моментные электродвигатели ДБМ. Справочник. - М.: Акционерное общество «Машиностроение», 1992. - 92 с.