10. Проектирование и расчет гидравлического следящего привода подъемной установки с гидромеханическим управлением

Гидравлические следящие приводы с дроссельным регулированием широко применяются в различных областях техники, там, где требуется высокое быстродействие, малые масса и габариты и простота конструкции.

На рис. 6 показана одна из принципиальных схем гидромеханических системы управления с цилиндрическим распределительным золотником, которая может быть положена в основу разработки системы управления гидроприводом передвижной проходческой подъемной установки.

Рис. 6. Принципиальная схема системы управления гидравлическим приводом передвижной проходческой подъемной установки

Следящая гидравлическая система с механическим управлением состоит из дроссельного гидропривода, охваченного жесткой механической обратной связью. Сигнал рассогласования, как разность сигналов управления и обратной связи, изменяется с помощью рычажного дифференциала или непосредственно золотниковым механизмом. Входное звено системы управления соединяется системой механических тяг, рычагов и тросов, образующих проводку управления, со штурвалом или рукояткой управления. Выходное звено системы управления (гидроцилиндр) соединяется с органом управления силовой системы безредукторного гидропривода (с блоком цилиндров регулируемого насоса). Проводка управления, золотниковый гидроусилитель, исполнительный гидроцилиндр, силовая проводка гидроцилиндра с органом управления (блоком цилиндров регулируемого насоса), образуют систему управления гидравлическим приводом.

Основное назначение гидромеханической системы управления заключается в обеспечении слежения статора регулируемого насоса Н за управляющим движением рукоятки управления подъемной машины задаваемым машинистом проходческой подъемной установки.

Важнейшими обязательными элементами следящей гидромеханической системы управления являются распределительное устройство золотникового типа и исполнительный механизм в виде силового гидроцилиндра.

С помощью рукоятки управления подъемной машины ПМ осуществляется подача к золотнику сигнала управления через проводку управления, образованную системой механических тяг, рычагов и канатов. Сигнал рассогласования , измеряемый с помощью рычажного дифференциала, как разность сигналов управления и обратной отрицательной механической связи , поступающей от штока поршня цилиндра, управления производительностью насоса, подается на золотник.

В результате смещения плунжера золотника на величину жидкость поступает в соответствующую полость цилиндра и смещает поршень (вместе со статором регулируемого насоса Н) до тех пор, пока он с помощью рычага не вернет золотник в нейтральное положение. Смещение поршня гидроцилиндра (статора насоса) пропорционально отклонению управляющего сигнала , причем коэффициент пропорциональности определяется размерами плеч рычажного дифференциала между точками шарнирного крепления золотника точкой крепления тяги проводки управления и точкой штока гидроцилиндра.

Динамическая модель исполнительного устройства гидромеханической следящей системы управления высокомоментным гидравлическим приводом передвижной проходческой подъемной установки может быть представлена в виде, показанном на рис. 7.

Рис. 7. Скорректированная динамическая модель исполнительного устройства гидромеханической следящей системы управления

Из этой динамической модели (рис. 7) видно, что рукоятка управления машиниста подъемной установки с массой перемещается под действием управляющего усилия , вызывая изменение входной координаты исполнительного устройства следящей системы управления.

Следящее движение штока гидроцилиндра исполнительного устройства с координатой передается посредством силовой проводки с жесткостью на рабочий орган (статор регулируемого насоса силовой системы привода) с массой и координатой перемещения . Рабочий орган нагружен упругой нагрузкой с коэффициентом жесткости и вязким трением .

Скорректированная динамическая модель (см. рис. 7) исполнительного устройства гидромеханической следящей системы управления может быть представлена следующей системой уравнений:

Уравнения сил, действующих на рукоятку управления машиниста подъемной установки,

(54)

причем параметры , , - приведены к входному звену исполнительного устройства .

Уравнения рассогласования исполнительного устройства

, (55)

где - коэффициент передачи по входному сигналу (входу) для гидромеханической системы управления с кинематической обратной связью с отрицательным коэффициентом передачи (рис. 7);

- коэффициент обратной связи;

а и b – плечи рычага передачи входного сигнала и обратной связи.

Уравнения расхода дроссельного гидропривода исполнительного устройства гидромеханической системы управления

, (56)

где - расход золотника.

Эффективный расход дроссельного устройства управления

, (57)

где - коэффициент сжимаемости рабочей жидкости

Перемещение гидроцилиндра

. (58)

Расход жидкости, обусловленный скольжением исполнительного устройства управления

. (59)

Уравнения сил, действующих на массу нагрузки (статор регулируемого насоса силовой системы безредукторного привода подъемной установки)

, (60)

где - управляющее усилие рукоятки управления;

, - массы эквивалентная проводки управления, нагрузки, поршня и гидроцилиндра соответственно;

- коэффициенты жесткости проводки управления, силовой проводки, опоры крепления гидроцилиндра и рабочего органа нагрузки;

- координаты входная системы управления, перемещения нагрузки, поршня, гидроцилиндра и золотника гидрораспределителя;

- коэффициенты вязкого трения (демпфирования) проводки управления, нагрузки, золотника и трения поршня;

- коэффициент усиления по расходу;

- коэффициент скольжения по расходу;

- рабочие площади поршня и гидроцилиндра;

- перепад давления на гидроцилиндре;

- модуль упругости рабочей жидкости;

- усилие поршня;

- усилие поршня исполнительного гидроцилиндра.

Учитывая, представленные выше, уравнения их можно записать в виде следующей системы:

(61)

П реобразуя систему дифференциальных уравнений (64) по Лапласу, представив ее в изображениях можно записать данную систему в виде:

;

;

; (62)

;

,

где ; .

Система уравнений (65) позволяет рассчитать динамические характеристики и оценить динамическую устойчивость линейной модели следящей системы управления гидравлического привода передвижных проходческих подъемных установок с безредукторным гидроприводом.

В наиболее простом, частном случае, , , , , преобразование структурной схемы (рис.5) как системы с обратными связями, дает передаточную функцию гидромеханической системы управления в таком виде:

(63)

где - коэффициент передачи гидромеханической системы управления; - обобщенная жесткость упругих элементов системы управления; - постоянная времени гидромеханической системы управления.

Следует заметить, что гидромеханические устройства управления с отрицательным коэффициентом передачи обратной связи обладают способностью парировать силовые возмущения, действующие со стороны нагрузки. Это объясняется тем, что при просадке штока и корпуса исполнительного гидроцилиндра за счет деформации жидкости и его основания под действием внешнего силового возмущения, корпус исполнительного гидроцилиндра перемещается на величину, большую, чем золотник, формируя такой сигнал рассогласования и перепада давления в исполнительном гидроцилиндре, который стремится запереть управляющий дроссель и поставить золотник в положение «гидравлического замка» без отдачи энергии в направлении нагрузки. Это важное свойство гидромеханической системы управления с отрицательным коэффициентом передачи имеет большое значение для подавления автоколебаний нагрузки (блока цилиндров регулируемого насоса силовой системы гидропривода подъемной установки).