Гідравлічні посилювачі.

Гідравлічними посилювачами (гідропосилювачами) називають пристрої, що забезпечують однонаправлене проходження сигналу від малопотужного керуючого елемента до вихідного гідравлічного виконавчого механізмі великої потужності. Розглянуті посилювачі складаються з двох основних елементів: керуючого та виконавчого. Виконавчий елемент представляє собою поршень, який переміщується у циліндрі та пов’язаний за допомогою штока з регулюючим органом. Керуючий елемент представляє собою дросель змінного перетину, який виконаний у вигляді золотника, сопла з рухомою заслонкою або струйною трубкою.

Під дією малопотужного вхідного сигналу відбувається переміщення керуючого елемента (золотника, заслонки або струйної трубки), що призводить до зміни прохідного перетину канала, по якому рухається робоча рідина в напорної магістралі від насоса до виконавчого елементу. Внаслідок чого змінюється тиск в полості циліндра виконавчого елемента та переміщується поршень. Зусилля на штоці останього визначається тиском робочої рідини, площиною поршня та може бути великим. Коефіцієнт посилювання по потужності: може доходити до (2-3)·10⁵. Тут -потужність на виході та вході посилювача.

Існує багато різних типів гідравлічних посилювачів. Їх класифікація призводиться в залежності від числа каскадів посилення, числа дроселів в посилювачі, їх взаємного розташування, типу застосованих дроселів, характера вимірювання їх прохідного перетину, а також по методу керування, по конструкції виконавчого елемента. Розрізняють наступні типи посилювачів.

По числу каскадів посилення – одно- та багатокаскадні.

По числу дроселів, що використовуються в посилювачі, - двухдросельні та багатодросельні.

По взаємному розташуванні дроселів – з послідовним включенням (рис. 7, а) та з паралельним включенням по диференціальній або мостовій схемі

( рис. 7, б).

На схемах:

Р₀ – тиск рідини на вході;

Р_C – тиск зливу;

ВМ – виконавчий механізм.

По конструкції дроселів – з постійним та змінним проходом перетину. Перші виконуються у вигляді втулок, діафрагм та капілярів, а другі – у вигляді золотників (відсічних та проточних), сопел з заслонкою або струйних трубок. Крім того, розрізняють дроселі з лінійним (пропорціональним) та функціональним зміни площини прохідного перетину.

По методу керування – гідравлічні посилювачі без зворотнього зв’язку (розімкнені) та зі зворотнім зв’язком (замкнуті).

По характеру зворотнього зв’язку – зі зворотнім зв’язком по положенню розподіленого золотника, по навантаженню та по швидкості (витрати рідини).

По виду виконавчого елементу – поршневі односторонні, двухстороньої дії, диференціальні (при великій вихідній потужності) та мембранні.

Посилювач зі струйною трубкою. Дія гідравлічного посилювача зі струйною трубкоюосновано на перетворенні кінетичної енергії швидкодіючого струменю рідини в потенціальну енергію тиску. В струйну трубку подається робоча рідина під тиском (4·10⁵ - 1·10⁶) Н/м² та з постійними витратами (5·10^-5 – 1,5·10^-4) м³/с. На виході трубки є сопло діаметром (1-2)·10^-3 м, через яке струмінь рідини витіка зі швидкостю 30-50 м/с. Він потрапляє в прийомний пристрій. При симетричному розташуванні струйної трубки відносно каналів прийомного пристрою тиск в них буде однаковим, і поршень виконавчого механізму залишається нерухомим.

Вхідною величиною в посилювачі даного типу є переміщення сопла (x_вх), а вихідною – переміщення поршня виконавчого елемента (x_вих) або золотника (в двухкаскадних посилювачах).

Передаточна функція посилювача со струйною трубкою:

Тут та Т – коефіцієнт передачі та постійна часу:

де -загальна маса поршня та золотника, кг; -робоча площа поршня, м²; -площа прийомного сопла, м²; -швидкість струменю, що витіка з сопла, м/с; -плотність рідини, кг/м³; -коефіцієнт зміни площини перекриття; -площа перекриття, м².

Іноді застосовують струйні гідропосилювачі зі зворотним зв’язком. Передаточна функція по переміщенню для струйних гідропосилювачів з жорстким зворотним зв’язком виражається рівнянням:

Постійна часу цього посилювача:

Коефіцієнт відносного затухання:

В залежності від величини коефіцієнта струйний посилювач з жорстким зворотним зв’язком може бути представлен як коливальна ланка ( <1) або у вигляді двох послідовно з’єднаних аперіодичних ланок з передаточною функцією:

де

Гідропосилювач золотникового типу виконується з відсічними та проточними золотниками. У першому випадку ширина буртика золотника більше висоти вікон в гільзі. В другому випадку ширина буртика менше висоти вікон.

Гідропосилювачі з відсічними золотниками дозволяють фіксувати положення виконавчого механізму. Їх недоліком є наявність зони нечутливості, що визначається різницею між широною буртика та висотою вікон.

У гідропосилювачах з проточним золотником чутливість декілька вище, але це пов’язано з утічкою робочої рідини та підвищеною витратою енергії. Окрім того, при зміні навантаження на виконавчому елементі можлива зміна положення рухомих частей останього при незмінному значенні вхідного сигналу, що недопустимо. Цей недолік усувають введенням жорсткого відємного оборотнього зв’язку між виконавчим елементом та регулюючим органом. Вхідною величиною посилювачів золотникового типу є переміщення золотника (x_вх), а вихідною – переміщення поршня (x_вих).

Для простого золотникового посилювача (рис. 8, а) передаточна функція:

На рис. 8, а стрілками показаний напрямок рідини, що создає тиск нагнітання Р_н та зливу Р_З.

Коефіцієнт передачі та постійна часу мають наступні значення:

де -максимальний зсув золотника відносно середнього положення, м;

-площа поршня, м²;

-максимально проводимість щілі золотника, кг^-0,5·м^-3,5;

-навантаження на поршень, Н;

-тиск рідини на вході, Н/м²;

-приведена маса рухомих частин, кг.

Для золотникового гідропосилювача з жорстким ричажним зворотним зв’язком (рис. 8, б) передаточна функція:

У цьому випадку динамічні параметри гідропосилювача мають наступні значення: коефіцієнт передачі:

постійна часу:

коефіцієнт відносного затухання:

де Т та К –постійна часу та коефіцієнт передачі золотникового посилювача без зворотнього зв’язку;

ℓ₁, ℓ₂–довжини плеч ричага зворотнього зв’язку, м.

Іноді застосовуються золотникові гідропосилювачі з одиничним зворотним зв’язком. У динамічному відношенні цеу гідропосилювач еквівалентний зусиллю зі жорстким зворотним зв’язком. Тільки для нього К=1. Якщо прийняти , то значення динамічних параметрів підраховуються за формулами: