Лекция 8

8.1. Дросселирующие гидрораспределители

Дросселирующим гидрораспределителем называется регулирующий гидроаппарат, предназначенный для изменения величины расхода и направления движения потока рабочей жидкости в нескольких гидролиниях одновременно в соответствии с изменением величины внешнего управляющего воздействия. Чаще всего в качестве дросселирующих гидрораспределителей используются золотниковые гидрораспределители. Функции, близкие к тем, что решают золотниковые дросселирующие гидрораспределители, позволяют обеспечить струйные гидрораспределители и гидрораспределители типа «сопло-заслонка». Такие гидрораспределители часто используются как предварительная ступень гидравлического управления в гидрораспределителях с многоступенчатым управлением.

В отличие от направляющего гидрораспределителя, запорно-регулирующий элемент дросселирующего гидрораспределителя может занимать, кроме характерных, бесконечное множество промежуточных рабочих положений, образуя дросселирующие проходные сечения для потока рабочей жидкости. Обычно площадь рабочего проходного сечения находится в прямо пропорциональной зависимости от величины управляющего сигнала.

Основные правила построения условных графических обозначений направляющих гидрораспределителей, изложенные в параграфе 6.5, распространяются и на дросселирующие гидрораспределители. Признаком дросселирующего гидрораспределителя в его условном обозначении является наличие двух дополнительных параллельных линий (над обозначением и под ним), обозначающих как бы бесчисленное множество промежуточных позиций запорно-регулирующего элемента (см. рис. 6.27,в). При этом квадраты в обозначении соответствуют характерным позициям гидрораспределителя.

На рис. 6.27,а показана конструктивная схема дросселирующего золотникового гидрораспределителя 4/3 с цилиндрическим золотником 2, положение которого относительно корпуса 1 может изменяться при пропорциональном электрическом управлении от двух электромагнитов ЭМ1 и ЭМ2. В корпусе 1 распределителя имеются пять цилиндрических расточек с острыми кромками. Эти расточки внутренними каналами соединены:

центральная – с напорной гидролинией Р, две крайние – со сливом Т, а две рабочие А и В предназначены для подключения к распределителю гидродвигателя, например гидроцилиндра Ц. Золотник 2 имеет три цилиндрических пояска и расположен внутри корпуса 1 с радиальным зазором 4 ... 10 мкм. Рабочие проходные сечения (дросселирующие щели) в распределителе возникают при осевом перемещении золотника между кромками цилиндрических расточек корпуса 1 и кромками цилиндрических поясков золотника 2. По конструкции распределитель является двухщелевым. Это значит, что при осевом смещении золотника в любую сторону из нулевой позиции создаются две дросселирующие щели, одна на входе – в (рис. 6.27,б), другая на выходе – г.

Принцип работы распределителя следующий. При выключенных электромагнитах золотник 2 распределителя находится в исходной нейтральной позиции. При этом все проходные сечения в распределителе перекрыты. При подаче управляющего сигнала на один из электромагнитов, например ЭМ1, золотник перемещается вправо в позицию I (рис. 6.27,б, в), и рабочая жидкость поступает из гидролинии Р в гидролинию А через дросселирующую щель в, расход рабочей жидкости через которую зависит от величины ее открытия, а значит, от величины поданного управляющего электрического сигнала. От распределителя жидкость поступает в бесштоковую полость гидроцилиндра Ц, его поршень перемещается вправо под действием давления, а жидкость, вытесняемая из штоковой полости гидроцилиндра Ц, по гидролинии В поступает в гидрораспределитель, где через вторую дросселирующую щель г направляется по гидролинии Т на слив.

После отключения сигнала управления, поступающего на электромагнит ЭМ1, золотник 2 под действием пружин электромагнитов возвращается в нейтральную позицию.

Аналогично работает гидрораспределитель и при условии подачи управляющего сигнала на электромагнит ЭМ2. Отличие заключается только в том, что золотник при этом смещается влево, значит, и поршень под действием поступающей в гидроцилиндр жидкости будет двигаться влево.

В системах управления один из управляющих сигналов, поступающих на электромагниты ЭМ1 или ЭМ2, принимается положительным, а другой – отрицательным. Таким образом, гидрораспределитель в зависимости от знака управляющего сигнала обеспечивает необходимое направление движения поршня гидроцилиндра, а в зависимости от величины управляющего сигнала – необходимую величину скорости его перемещения.

На рис. 6.28 показаны варианты схем перекрытий рабочих окон в золотниковых дросселирующих гидрораспределителях.

В зависимости от соотношения ширины b2 цилиндрического пояска золотника и ширины b1 цилиндрической расточки в корпусе различают гидрораспределители с нулевым (b1 = b2), положительным (b1 > b2) и отрицательным (b1 < b2) перекрытиями. Распределители с положительным перекрытием (рис. 6.27,б) имеют меньшие утечки рабочей жидкости, но большие зоны нечувствительности δ1 и δ2 к управляющему сигналу. Распределители с отрицательными перекрытиями (проточные) имеют повышенные утечки рабочей жидкости, но более чувствительны к сигналам управления.

Основными преимуществами золотниковых гидрораспределителей являются их компактность и разгруженность от осевых сил давления рабочей жидкости, что значительно уменьшает усилие, необходимое для управления его золотником.

При уточненных расчетах усилия управления дросселирующим гидрораспределителем следует, кроме сил давления, инерции и трения, учитывать осевую гидродинамическую силу, возникающую вследствие дросселирования жидкости и всегда направленную в сторону закрытия дросселирующей щели.

Для уменьшения гидродинамической силы используют специальные конструкции золотников.

Существенным недостатком дросселирующих гидрораспределителей является возможность возникновения в них облитерации (заращивание поляризованными молекулами жидкости) малых дросселирующих щелей и зазоров между золотником и корпусом. При этом течение жидкости через такие проходные сечения с течением времени постепенно уменьшается, а иногда и вообще прекращается. Золотник же с корпусом соединяются, и для управления гидрораспределителем (страгивания золотника) необходимы значительные усилия. Поэтому в системах автоматического управления, где сигналы управления, как правило, маломощные, для уменьшения сил управления и устранения облитерации дросселирующих щелей в золотниковых распределителях золотникам сообщают возвратно-поступательные или поворотные вибрационные колебания высокой частоты (более 50 Гц) с малой амплитудой (10 ... 100 мкм). Явления облитерации при этом не успевают возникать. Обеспечивается это с помощью механических вибраторов или электромеханическими средствами.

6.6.2. Струйные гидрораспределители

Примером струйного гидрораспределителя является гидрораспределитель типа «струйная трубка», принципиальная схема которого представлена на рис. 6.29,а.

К струйной трубке 1, имеющей возможность поворачиваться на некоторый угол, подводится поток жидкости. В сливной полости размещена плата 4 с приемными окнами, к которым подключены гидролинии 2 и 3, связанные с гидродвигателем.

В струйной трубке энергия давления потока жидкости преобразуется в кинетическую энергию струи, которая затем при попадании жидкости в расширяющееся приемное окно платы 4, расположенное напротив струйной трубки, преобразуется опять в энергию давления. При повороте струйной трубки происходит перераспределение энергии жидкости между приемными окнами. В них возникает некоторый перепад давления, который и обеспечивает движение ведомого звена гидродвигателя. Чем больше угол поворота струйной трубки, тем больше перепад давления и тем больше скорость движения ведомого звена гидродвигателя.

К достоинствам гидрораспределителя «струйная трубка» относятся:

малая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и незначительное влияние вязкости на его характеристики.

К недостаткам относятся: конструктивная и технологическая сложность подвода жидкости к поворачивающейся струйной трубке и возможность возникновения вибрации струйной трубки при некоторых значениях давления питания.

Разновидностью гидрораспределителя со струйной трубкой являются распределители с механическим отклонением струи. Их схемы представлены на рис. 6.29,б и в.

На рис. 6.29,б деление струи между приемными окнами осуществляется с помощью подвижного клина 1, который образуется поверхностями двух цилиндрических отверстий в подвижном элементе, просверленных под углом друг к другу.

Получило широкое распространение отклонение струи с помощью подвижного сходящегося насадка 1 (см. рис. 6.29,в). Эта конструкция упрощает и даже решает ряд вопросов, связанных с регулировкой гидрораспределителя.

6.6.3. Гидрораспределитель типа «сопло-заслонка»

В гидрораспределителе типа «сопло-заслонка» распределение жидкости основано на принципах построения гидравлических делителей давления, в которых используются регулируемые и настраиваемые гидродроссели.

На практике широкое распространение получили одно- и двухдроссельные (по числу регулируемых гидродросселей) гидрораспределители типа «сопло-заслонка».

Схема простейшего однодроссельного гидрораспределителя «сопло-заслонка» приведена на рис. 6.30,а. Гидрораспределитель состоит из постоянного гидродросселя 1, сопла 2 и заслонки 3. Поток жидкости с постоянным давлением подводится к гидродросселю 1. Гидролиния, соединяющая постоянный гидродроссель 1 и сопло 2, образует междроссельную камеру. К ней подключена гидролиния 4, связывающая гидрораспределитель с рабочей полостью гидродвигателя. При уменьшении расстояния между соплом и заслонкой за счет поворота заслонки (увеличения сопротивления регулируемого гидродросселя «сопло-заслонка» потоку жидкости) давление p в междроссельной камере увеличивается. Под действием силы от этого давления поршень гидроцилиндра 5 смещается вправо, преодолевая сопротивление пружины. При увеличении расстояния между соплом и заслонкой давление p в междроссельной камере уменьшается. Поршень гидроцилиндра 5 при этом под действием пружины будет двигаться влево до тех пор, пока сила пружины не уравновесится силой давления жидкости в левой полости гидродвигателя.

Принципиальная схема двухдроссельного гидрораспределителя типа «сопло-заслонка» приведена на рис. 6.30,б. Этот гидрораспределитель представляет собой гидравлический мостик, состоящий из двух регулируемых гидродросселей «сопло-заслонка» и двух постоянных (балансных) гидродросселей. В диагональ гидравлического мостика включена нагрузка (гидродвигатель).

Поток жидкости с постоянным давлением подводится к точке между двумя постоянными гидродросселями. При смещении заслонки от нейтрального положения, например влево, давление p1 увеличивается, а давление p2 уменьшается. Под действием возникающего перепада давлений выходное звено гидродвигателя движется со скоростью, пропорциональной смещению заслонки. При смещении заслонки вправо возникает перепад давления противоположного знака, и выходное звено гидродвигателя движется в противоположную сторону.

6.7. Электрогидравлические усилители мощности управляющего сигнала

Часто в гидроприводах с электрическим управлением используются устройства предварительного усиления мощности входного управляющего сигнала. В этом случае применяют устройства, для которых входным является электрический сигнал, а выходным – некоторый поток рабочей жидкости с параметром (расходом или давлением) пропорциональным величине входного сигнала. Направление потока или знак перепада давления при этом соответствует знаку входного электрического сигнала. Такие устройства называются электрогидравлическими усилителями (ЭГУ).

ЭГУ состоит из электромеханического преобразователя (ЭМП), в котором электрический сигнал преобразуется в некоторое механическое перемещение (поворот вала или перемещение толкателя электромагнита), и гидравлического усилителя (ГУ) мощности, в качестве которого используется, как правило, дросселирующий гидрораспределитель.

Одной из проблем, возникающих при этом, является то, что мощности электрического сигнала не достаточно для обеспечения перемещения золотника дросселирующего гидрораспределителя. В этом случае применяют так называемые многокаскадные ЭГУ с двумя и более каскадами усиления входного сигнала.

На рис. 6.31 в качестве примера приведена схема двухкаскадного ЭГУ, в котором в первом каскаде гидравлического усиления используется гидроусилитель «сопло-заслонка».

Этот гидроусилитель представляет собой гидравлический мостик, состоящий из двух регулируемых гидродросселей 2 и 5 «сопло-заслонка» и двух постоянных (балансных) гидродросселей 1 и 6. В диагональ этого гидравлического мостика включен подпружиненный центрирующими пружинами 8 золотник 7 дросселирующего гидрораспределителя, который является гидроусилителем второго каскада усиления ЭГУ.

Итак, электрогидравлический усилитель, схема которого приведена на рис. 6.31,а, можно представить в виде блок-схемы (рис. 6.31,б). Вначале электрический сигнал управления (электрический ток I) поступает на электромеханический преобразователь 3 (ЭМП), который преобразует его в некоторый угол поворота α якоря, пропорциональный величине электрического тока I.

Вместе с якорем поворачивается на угол α жестко связанная с ним заслонка 4, расположенная между двумя соплами 2 и 5, так, что гидравлическое сопротивление одного из регулируемых гидродросселей «сопло-заслонка» возрастает, а другого – уменьшается. В результате образуется некоторый перепад давления Δp = p1 − p2 , величина которого пропорциональна величине угла α. Таким образом, для гидроусилителя «сопло-заслонка», являющегося гидроусилителем первого каскада, входным сигналом управления является угол поворота α заслонки, а выходным – перепад давления Δp.

Так как давления p1 и p2 поступают в торцевые полости дросселирующего гидрораспределителя, то образовавшийся перепад давления Δp создает соответствующее усилие, действующее на золотник 7. Это приводит к тому, что золотник 7 смещается из нейтрального положения на некоторую величину x. Величина этого смещения x определяется жесткостью центрирующих пружин 8 золотника 7, а значит, пропорциональна величине перепада давления Δp на его торцах. Таким образом, центрирующие пружины 8 золотника 7 и его торцевые поверхности выполняют роль гидромеханического преобразователя (ГМП), который преобразует образовавшийся перепад давления Δp на торцах золотника в его перемещение x.

Смещение золотника 7 из нейтрального положения на величину x приводит к тому, что открываются соответствующие проходные сечения дросселирующего гидрораспределителя. Например, если золотник 7 сместится вправо, то гидролиния А соединится с напорным трубопроводом, а гидролиния В – со сливным. Через открывшиеся дросселирующие окна гидрораспределителя начнется движение рабочей жидкости с расходом Q, пропорциональным величине смещения золотника x. Для дросселирующего гидрораспределителя, являющегося гидроусилителем второго каскада, входным сигналом управления является смещение золотника x, а выходным – расход рабочей жидкости Q, поступающий к потребителю.

Под коэффициентом усиления рассмотренного электрогидроусилителя понимается отношение мощности потока рабочей жидкости, поступающей к потребителю, к мощности электрического сигнала управления. Очевидно, что этот коэффициент может иметь значительную величину.