РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОГИДРОУСИЛИТЕЛЯ «СОПЛО – ЗАСЛОНКА»1 / Диплом

ВВЕДЕНИЕ

Многие промышленные системы автоматического управления имеют в своей структуре элементы, принцип действия и устройство которых основаны на использовании основных законов гидравлики. Эти элементы входят и схемы различных автомати­ческих управляющих устройств, регуляторов, следящих систем, систем дистанционного управления, автоматической защи­ты и так далее.

Из функциональных элементов гидравлического типа наибольшее распространение получили гидравлические усилители, исполнительные механизмы, обратные связи. Различные гидравлические элементы, объединенные в единое целое, образуют гидравлическую систему. В общем виде такая система состоит, рисунок 1, из источника энергии 1, линии передачи 2 и потребителя энергии 3.

Рабочим агентом, переносящим энергию в гидравлической системе от источника к потребителю, являются различные жидкости и их смеси, получившие название рабочих жидкостей. Физико-химические свойства этих жидкостей оказывают значительное влияние на качествен­ные показатели работы отдельных гидравлических эле­ментов и всей гидросистемы в целом. Эти свойства при­ходится учитывать, рассмат­ривая те или иные гидравли­ческие элементы. Источником энергии в гидросистемы служит насос, преобразующий механи­ческую энергию электрического или иного двигателя в кине­тическую и потенциальную энергию рабочей жидкости. Линии передачи представляют собой трубопроводы, по которым транс­портируется рабочая жидкость. Потребителем энергии служит гидравлический двигатель (исполнительный механизм), преобразующий энергию потока рабочей жидкости вновь в механическую энергию.

Гидравлические элементы обладают рядом преимуществ, способствующих широкому применению этих элементов. Основными преимуществами являются следующие:

1. Возможность получения на выходе элементов больших мощностей (или сил и скоростей) при малых габаритах и весе элементов.

2. Возможность изменения скорости перемещения подвижных частей элементов по ходу их работы.

3. Возможность быстрого изменения направления движения (реверс) вне зависимости от числа таких переключений и характера движения (возвратно-поступательного или вращательного).

4. Малая инерционность гидравлических элементов по сравнению с другими элементами, аналогичными по назначению и мощности.

5. Большой срок службы, обусловленный в значительной мере наличием самосмазываемости элементов рабочей жидкостью и простым устройствами, предохраняющими систему и ее элементы от перегрузок.

6. Простота конструкции и удобства в эксплуатации.

Из сравнительного сопоставления гидравлических элементов с механическими, электрическими, пневматическими и другими элементами можно выявить и некоторые отрицательные стороны работы гидравлических устройств, такие, как:

1) непостоянство расходов жидкости при изменении ее температуры и вязкости;

2) наличие потерь энергии на трение жидкости о внутреннюю поверхность трубопроводов и на преодоление местных сопротивлений;

3) возможность образования внутренних и наружных утечек жидкости;

4) возможность образования воздушных подушек (воздушных объемов) вследствие проникновения воздуха в жидкость.

Применением специальных мер можно устранить или суще­ственно ослабить влияние перечисленных недостатков.

ЭГУ типа "сопло – магнитожидкостная заслонка" можно применять в системах автоматиче­ского управления различ­ного назначения, в самых разнообраз­ных отраслях промышлен­ности, на железнодорожном и водном транспорте в авиации, связи и строитель­стве.

В связи с существованием тенденции автоматизации автомобильного транспорта возник вопрос о модернизации системы управления топливоподачей дизельного двигателя. Была поставлена задача, оснастить электронным регулятором топливоподачи дизельный двигатель автомобиля КамАЗ. В решении поставленной задачи был выбран электрогидравлический регулятор, воздействующий на рейки ТНВД. Электронный регулятор имеет электрогидравлический исполнительный привод, который включает в себя двухкаскадный усилитель типа сопло-заслонка.

Целью работы дипломного проекта является разработка системы автоматического управления электрогидроусилителя типа "сопло – магнитожидкостная заслонка", который отличается простотой конструкции, надежностью в работе и быстродействием. К нему можно подводить жидкость с большим давлением питания. В устройстве сопло-заслонка отсутствуют трущиеся пары, что обеспечивает его высокую чувствительность.

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Описание конструкции электрогидроусилителя

Электрогидравлический усилитель типа “сопло-заслонка”, относится к двухкаскадным гидравлическим усилителям. Гидравлический усилитель такого типа является наиболее подходящим для включения в его первый каскад гидравлического усиления гидрораспределителя “сопло-магнитожидкостная заслонка” и представляет собой миниатюрный дроссельный гидропривод с параллельно включенным двигателем, выполненным в виде золотника 1. Гидравлическую схему такого усилителя можно представить в виде гидравлического моста представленного на рисунке 1, в котором R₁ и R₂ – постоянные гид­равлические сопротивления, а R₃ и R₄ – регулируемые гидравли­ческие сопротивления.

Нагрузкой моста является золотник 1, а давлением нагрузки можно считать перепад давлений на торцах этого золотника. Этот перепад р = р₄ – p₃ возникает на торцах золотника при смещении заслонки 2 от нейтрального положения. Например, при повороте заслонки против часовой стрелки сопротивление сопла R₄ и дав­ление р₄ увеличиваются, а сопротивление сопла R₃ и давление р₃ уменьшаются. Образовавшийся перепад давлений p = р₄ – p₃ заставит золотник переместиться справа налево. Перемещение золотника синхронизируется при помощи пружин 3 с перемещением заслонки. Чем больше отклонение заслонки, тем больше перемещение золотника. При смещении конца за­слонки на величину h=h₀ сопло R₄ полностью закрывается, а золотник, переместившись на x=x₀, полностью открывает свои дросселирующие щели. Направление движения золотника изменяют реверсированием движения заслонки.

Гидравлический элемент “сопло-заслонка” представленный на рисунке 2 следует рассматривать как регулируемое дроссельное устройство, проходное отверстие которого изменяется в результате смещения заслонки.

Рисунок 2 – Схема гидравлического моста

dc – внутренний диаметр сопла; z – расстояние заслонки до торца сопла; Q₃ – расход сопла; R₃ – реакция струи на заслонку; h₀ – максимальный ход заслонки; p₃ – давление перед соплом

Рисунок 3 – Схема элемента “сопло-заслонка”

Корпус, выполненный из оргстекла, состоит из двух частей, соединенных между собой при помощи клея “Момент”, каждая из которых является одним из двух каскадов гидравлического усиления. Верхняя часть состоит из корпуса с высверленными в нем отверстиями под сопла и расходную камеру, двух сопел 6 и заслонки 7 выполненной в виде тонкостенной оболочки из эластичной маслостойкой резины, заполненной магнитной жидкостью. Нижняя часть корпуса включает золотник 1 с центрирующими пружинами, которые при отсутствии управляющего сигнала удерживают золотник в нейтральном положении. В отверстие в корпусе устанавливают постоянные дроссели 5 для снижения давления в элементе “сопло-МЖ-заслонка”. Для регулировки центрального положения золотника используется регулировочный винт 4. Для контроля давления в междроссельных камерах усилителя предназначены заглушки для присоединения манометров.

Рисунок 4 – Конструкция электрогидравлического усилителя типа “сопло-МЖ-заслонка” с пружинной синхронной связью

Для управления МЖ-заслонкой на корпусе закреплены катушки индуктивности, которые подключаются к системе управления.

Для соединения каналов усилителя с трубопроводом экспериментального гидростенда применяются втулки, выполненные из латуни или

пластмассы. Во избежание протечек рабочей жидкости из гидроусилителя через крышки применяются резиновые прокладки.

Рисунок 5 – Конструкция экспериментального гидростенда

Поток рабочей жидкости (масло) подается в ЭГУМ через два канала.

В один канал под давлением р_в в усилитель подается управляющий поток рабочей жидкости к элементу “сопло-МЖ-заслонка” через постоянные дроссели 5.

При подаче с микропроцессора на одну из катушек индуктивности управляющего напряжения возникает электромагнитное поле, которое воздействует на МЖ-заслонку. При перемещении заслонки возникает перепад давлений на торцах золотника, что приводит к его перемещению. Золотник, перемещаясь, открывает канал снизу, из которого поступает давление нагрузки р_н и направляет его в один из двух выходных каналов. Расход жидкости в усилителе постоянный, жидкость выходит из ЭГУМ через сливные каналы.

Давление в системе измеряется датчиком давления, установленном на выходном каскаде. Датчик осуществляет обратную связь.

Рисунок 6 – Функциональная схема системы управления ЭГУ

З – задатчик; СУ – система управления; У – усилитель; ИМ – исполнительный механизм (катушки); ЭГУ – электогидроусилитель типа «сопло – магнитожидкостная заслонка»; ДД – датчик давления.

1.2 Сравнительный анализ современных систем автоматического регулирования

В зависимости от характера изменения управляющего воздействия САР могут быть подразделены на следующие три основных класса: автоматической стабилизации, программного ре­гулирования и следящие системы.

В системах автоматической стабилизации, или собственно в си­стемах автоматического регулирования, управляющие воздействия представляют собой заданные постоянные величины.

В си­стемах программного регулирования задающие воздействия яв­ляются известными функциями времени (изменяются по программе);

В следящих системах задающие воздействия представляют собой заранее неизвестные функции времени.

Прямое и непрямое регулирование.

Всякая САР состоит из объекта регулирования и регулятора. Регу­лятор имеет чувствительный элемент, который измеряет отклонение регулируемой величины от требуемого закона изменения. Чувстви­тельный элемент воздействует на регулирующий орган, изменяющий параметр таким образом, чтобы значение регулируемой величины стало равно заданному. В простейших регуляторах чувствительный элемент непосредственно осуществляет перемещение регулирующего органа. Такие САР, где чувствительный элемент воздействует непо­средственно на изменение положения регулирующего органа, назы­ваются системами прямого регулирования, а регуляторы — регуля­торами прямого действия. В этих регуляторах энер­гия, необходимая для изменения положения регулирующего органа, поступает непосредственно от чувствительного элемента. Следует отметить, что реакция регулирующего органа на чувствительный элемент снижает чувствительность этого элемента, в результате чего ухудшается качество регулирования.

В системах непрямого регулирования для перемещения регули­рующего органа используются вспомогательные устройства, кото­рые работают от дополнительного источника энергии. При этом чув­ствительный элемент воздействует на управляющий орган вспомога­тельного устройства, а вспомогательное устройство осуществляет перемещение регулирующего органа.

Системы непрямого регулирования необходимо применять в тех случаях, когда мощность чувствительного элемента недостаточна для перемещения регулирующего органа и необходимо иметь высо­кую чувствительность измерительного элемента.

Одноконтурные и многоконтурные САР.

Современные САР, помимо главных обратных связей, часто имеют местные обратные связи или параллельные корректирующие устройства. САР с одной регулируемой величиной, имеющие только одну главную обратную связь и не имеющие местных обратных связей (системы с одним контуром регулирования), называют одноконтурными. В этих системах воздействие, приложенное к какой-либо точке системы, может обойти систему и вернуться в первоначальную точку, следуя только по одному пути обхода.

САР, которые помимо одного контура главной обратной связи имеют еще главные обратные связи или местные обратные связи, называют многоконтурными. В многоконтурных системах воздейст­вие, приложенное к какой-либо точке, может обойти систему и вер­нуться в эту точку, следуя по не­скольким различным путям обхода.

Системы несвязанного и свя­занного автоматического регули­рования. Системы с несколькими регулируемыми величинами подразделить на системы несвязанного и связанного регулирования. Системами несвязанного регу­лирования называют такие, в кото­рых регуляторы, предназначенные для регулирования различных величин, не связаны друг с другом и могут взаимодействовать через общий объект регулирования. Систе­мы несвязанного регулирования можно подразделить на зависимые и независимые.

В зависимых системах несвязанного регулирования на изменение одной из регулируемых величин влияют изменения остальных. Поэтому в таких системахпроцессы регулирования различных ре­гулируемых параметров нельзя рассматривать изолированно друг от друга.

Примером зависимой системы несвязанного регулирования яв­ляется самолет с автопилотом, который имеет самостоятельные каналы управления рулями. Предположим, что самолет отклонился от заданного курса. При этом автопилот вызовет отклонение руля поворота. При возвращении к заданному курсу угловые скорости обеих несущих поверхностей самолета, а следовательно, и действую­щие на них подъемные силы будут неодинаковыми. Это вызовет крен самолета. Автопилот отклонит элероны. В результате отклонения руля поворота и элеронов лобовое сопротивление самолета возрастает. Самолет начинает терять высоту и его продольная ось отклонится от горизонтали. При этом автопилот отклонит руль высоты. Таким образом, процессы регулирования трех регулируемых величин — курса, бокового крена и тангажа нельзя считать независимыми друг от друга, несмотря на наличие самостоятельных каналов управления.

В независимых системах несвязанного регулирования изменение каждой из регулируемых величин не зависит от изменения остальных. Поэтому процессы регулирования различных величин можно рассматривать изолированно друг от друга.

Примером независимых систем несвязанного регулирования является САР угловой скорости гидротурбины и САР напряжения генератора, который вращает эта турбина. Процессы регулирования в этих системах независимы.

Процесс регулирования напряжения протекает во много раз быстрее, чем процесс регулирования угловой скорости гидротурбины.

В системах связанного регулирования регуляторы различных величин имеют друг с другом взаимные связи, которые осуществляют взаимодействие между ними вне объекта регулирования.

Следует отметить, что систему связанного регулирования называют автономной, если связи между входящими в ее состав регуляторами таковы, что изменение одной из величин в процессе регулирования не вызывает изменения остальных величин.

Статическое и астатическое регулирование.

САР подразделяются на статические и астатические в зависимости от того, имеют они или нет ошибку в установившемся состоянии при определенного рода воздействиях.

Характерные особенности статической системы регулирования: равновесие системы статического регулирования может быть при различных значениях регулируемой величины; каждому значению регулируемой величины соответствует единственное определенное значение регулирующего органа; контур регулирования системы должен состоять из статических звеньев.

Характерные особенности астатической системы регулирования:

- равновесие системы астатического регулирования имеет место при единственном значении регулируемой величины, равном заданному;

- регулирующий орган в астатической системе должен иметь возможность занимать различные положения при одном и том же значении регулируемой величины.

В реальных астатических системах первое условие выполняется с некоторой погрешностью, так как чувствительный элемент обладает разрешающей способностью (нечувствительностью). Для осуществления указанной связи между чувствительным элементом и регулирующим органом в контур регулирования должно быть введено астатическое звено. В данном случае таким звеном является электродвигатель. При отсутствии напряжения вал электродвигателя неподвижен в любом положении, при наличии напряжения он непрерывно вращается. Астатическое звено находится в состоянии безразличного равновесия при отсутствии на него внешнего воздействия и выходит из равновесия при наличии воздействия.

Следует различать системы статические и астатические по отношению к возмущающему и управляющему воздействиям. В системах, статических по отношению к возмущающим воздействиям, не одинаковым по постоянной величине, возмущающим воздействиям соответствует различное значение регулируемой величины. В астатических системах по отношению к возмущающим воздействиям значение регулируемой величины не зависит от величины возмущающего воздействия. Значение регулируемой величины остается постоянным, равным заданному.

В системах, статических по отношению к управляющим воздействиям, постоянным значениям этого воздействия соответствует постоянная ошибка системы, величина которой зависит от величины управляющего воздействия.

В астатических системах по отношению к управляющему воздействию после окончания переходного процесса ошибка равна нулю.

Линейные и нелинейные САР.

САР подразделяют на линейные и нелинейные в зависимости от того, какую математическую модель выбирают при их исследовании (являются ли линейными или нелинейными дифференциальные, интегральные, дифференциально-разностные уравнения, которые применяют при их математическом описании).

Линейные и нелинейные системы подразделяют на следующие три класса: непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные. Непрерывные системы описываются дифференциальными уравнениями; дискретные—дифференциально-разностными, а дискретно-непрерывные — обоими видами уравнений. Каждый из этих трех классов подразделяют на подклассы:

стационарные системы с сосредоточенными параметрами;

стационарные системы с сосредоточенными и распределенными параметрами;

нестационарные, или переменные, системы с сосредоточенными параметрами;

нестационарные, или переменные, системы, с сосредоточенными нераспределенными параметрами.

Кроме того, системы (или их математические модели) каждого из классов и подклассов могут быть подразделены на детерминированные или статистические.

Математическую модель системы называют детерминированной, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются постоянными или детерминированными функциями переменных состояния и времени. Математическую модель системы называют статистической, если приложенные к ней воздействия и параметры модели являются случайными функциями или случайными величинами.

В зависимости от прохождения и характера сигналов системы автоматического регулирования могут подразделяться на непрерывные и дискретные, или прерывистые.

Если в процессе регулирования структура всех связей в системе остается неизменной, то такая система является системой непрерывного регулирования. Сигналы на выходе элементов такой системы являются непрерывными функциями воздействий и времени. Между элементами на входе и выходе системы существует непрерывная функциональная связь.

Системы прерывистого регулирования отличаются тем, что в них через дискретные промежутки времени происходит размыкание или замыкание цепи воздействий.

Системы прерывистого действия подразделяют на импульсные и релейные. В импульсных системах размыкание цепи воздействий производится принудительно и периодически специальным прерывающим устройством. В течение передачи импульсов процессы в этих системах протекают так же, как и в непрерывных САР. Импульсные системы содержат импульсные элементы и осуществляют квантование сигнала по времени. В системах релейного действия размыкание или замыкание цепи воздействия производится одним из элементов системы при непрерывном значении входного воздействия. Размыкание или замыкание осуществляется с помощью реле или элемента, имеющего релейную характеристику. Реле срабатывает при определенном значении воздействия на его чувствительный орган.

Релейные системы осуществляют квантование сигнала по уровню. Следует отметить, что существуют релейно-импульсные, или кодово-импульсные системы, в которых происходит квантование как по времени, так и по уровню.

К кодово-импульсным системам относятся системы, содержащие в контуре управления цифровые вычислительные машины (ЦВМ), или их элементы. Такие кодово-импульсные системы называют цифровыми. В зависимости от конструктивного выполнения САР подразделяют на электронные, электрические, электромеханические, пневматические, электрогидравлические и гидравлические.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ГИДРОПРИВОДОВ.

Жидкость гидропривода — его рабочий элемент, поэтому к ней предъявляются требования обеспечения прочности и долговечности. Она, как и всякий иной конструктивный элемент, подвержена механическому и химическому разрушению (деструкции), имеет ограниченный срок службы, причем последний во многом зависит от типа жидкости, условий и режима эксплуатации. Помимо этого жидкость служит смазывающим материалом (должна обеспечивать смазку мехнизмов гидропривода), а также охлаждающей средой.

В качестве рабочих жидкостей в гидросистемах станков применяют минеральные масла, изготовленные на нефтяной основе как с присадками, так и без них, а также синтетические жидкости, основу которых составляют эфиры, кремний- и фтороуглеродистые полимеры. Иногда, в частности для гидроприводов кузнечно-прессовых машин, используют масляно-водные эмульсии.

Существуют два вида присадок для жидкости: 1) изменяющие химические свойства основы — антиокислители и ингибиторы коррозии; 2) изменяющие физические свойства — вязкость, температуру застывания, смазочные способности и др.

Контроль за состоянием жидкости в процессе эксплуатации ведут по стабильности химического состава и вязкости, по уровню загрязнения.

Стабильность состава характеризуется постоянством содержания водорастворимых кислот, осадков, соответствующим кислотным числом. Под кислотным числом подразумевают количество КОН (едкого кали) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации свободных кислот в одном грамме масла. Само по себе кислотное число о пригодности жидкости к дальнейшей эксплуатации не свидетельствует. Чтобы оценить работоспособность жидкости, надо знать величину, на которую оно изменилось. В свежем минеральном масле, например, кислотное число составляет 0,1...0,2 мг КОН. Жидкость считается непригодной к эксплуатации, если кислотное число достигнет значений 4... ...5 мг КОН.

Окисление масел кислородом воздуха, молекулярно-структурные изменения в них от воздействия меняющихся давлений и температур, электрогальванические процессы, возникающие из-за различия электрических зарядов на смачиваемых поверхностях деталей, изготовленных из разнородных материалов, и ряд других факторов являются причинами старения жидкости. Этот процесс сопровождается изменением вязкости и однородности жидкости, ухудшением ее смазывающей способности, образованием осадков, а также усиливает коррозионные процессы деталей элементов гидропривода. В практике принято заменять рабочую жидкость в гидросистеме, если ее вязкость в процессе эксплуатации изменилась по сравнению с первоначальной на 20... ...25%.

Загрязнение масла частицами органического и неорганического происхождения размерами более 200 мкм не допускается.

В гидроприводах машин, предназначенных для работы в ста­бильных температурных условиях, обычно применяют рабочие жид­кости минерального происхождения с диапазоном вязкости при темпе­ратуре 50 °С примерно 10—40 сСт, а именно: трансформаторное, веретенное АУ, индустриальное, тур­бинное и другие масла. Применение ме­нее вязких жидкостей приводит к уве­личению утечек, а более вязких — к увеличению гидравлических потерь.

Для работы в условиях широкого температурного диапазона от 333 до 213 К (±60 °С) применяют специаль­ные смеси минеральных масел, обеспе­чивающих вязкость в диапазоне темпе­ратур от 320 до 220 К (±50 °С) в пре­делах от 10 до 1200 сСт. Этим требованиям отвечает масляная смесь АМГ-10.

Для работы при температурах около 450—500 К (180—230 °С) применяют синтетические жидкости на кремнийорганической основе. Последние годы из-за увеличивающегося дефицита нефтепродуктов " и стремления к использованию негорючих материалов все более широкое применение в гидросистемах находят водомасляные эмульсии и синтетические негорючие жидкости на водяной основе. Используя такие материалы, надо учитывать их повышенную склонность к де­струкции, коррозионную и кавитационную активность. Как пра­вило, при этом следует снижать рабочие давления р и частоту вра­щения п гидромашин в 1,5—2 раза.

В практике часто используют понятия относительный удельный вес и относитель­ная плотность, являющиеся безразмерными величинами. Первая характеризует отношение удельного веса жидкости, взятой при определенной температуре, к удельному весу ди­стиллированной воды при температуре около 4 °С и нормальном атмос­ферном давлении, вторая — отношение плотностей исследуемой жи­дкости и дистиллированной воды.