Электрогидравлические сервосистемы

Электрогидравлические (или просто гидравлические) системы в качестве исполнительного устройства используют гидравлические цилиндры и гидравлические двигатели, управление которыми осуществляется в следящем серворежиме с помощью специального задающего клапана-распределителя. По сравнению с электрическими сервомоторами той же массы гидравлические исполнительные устройства позволяют получать значительно больший крутящий момент. В этом заключается их основное преимущество по сравнению с электрическими сервосистемами. Помимо упомянутых исполнительных устройств и задающего сервораспределителя в состав электрогидравлической системы входят сервоусилитель, потенциометр и тахогенератор.

Сервораспределитель реальных электрогидравлических сервосистем имеет достаточно сложное устройство, поэтому детальный анализ работы всей системы оказывается довольно громоздким. В связи с этим рассмотрим кратко структуру, принцип действия и отличительные особенности электрогидравлических сервосистем.

Изложение основных принципов управления гидравлическими приводами с помощью задающего сервораспределителя станет более ясным, если предположить, что система состоит из двух расположенных одна на другой подсистем. Первая из них образована парой гидропровод-золотник, где золотник применяется для изменения направления поступления рабочей жидкости (масла), а вторая представляет собой устройство, называемое сопло-заслонки.

Начнем с анализа процесса перемещения тяжелого груза с помощью гидроцилиндра, управляемого золотниковым механизмом (рис. 3.15). На рис. 3.15, а нож золотникового механизма (золотника) в виде штока с жестко насаженными на него поршневыми кольцами занимает нейтральное положение, при котором оба канала оказываются перекрытыми кольцами, и давление Р рабочей жидкости на поршень не передается. Если теперь чуть-чуть сместить поршневые кольца из нейтрального положения в правую сторону, то, как показано на рис. 3.15, б, блокированная ранее рабочая жидкость под высоким давлением Р по одному из каналов (впускному) ворвется в цилиндр с левой стороны от поршня, связанного с нагрузкой, т. е. в рабочую полость цилиндра. Поскольку при смещении штока из нейтрального положения одновременно смещается поршневое кольцо, блокирующее выпускной канал, а давление в пространстве над кольцом невелико, то рабочая жидкость из выпускного канала немедленно устремляется в образовавшийся между поршневым кольцом и стенкой зазор и начинает поступать к входному отверстию R. При обратном движении шток с поршневыми кольцами проходит через нейтральное положение, а затем чуть-чуть смещается влево. Этой ситуации соответствует рис.3.15, в, на котором показано, как масло под давлением поступает в правую, нерабочую полость цилиндра, а с противоположной стороны оно удаляется через отверстие в рабочей полости. Таким образом, подсистема золотник-гидроцилиндр позволяет с помощью очень незначительного усилия, которое необходимо для смещения штока с поршневыми кольцами из нейтрального положения, например, в правую сторону, заставить перемещаться в ту же сторону тяжелый груз W. Аналогичная ситуация имеет место и при перемещении груза в левую сторону.

Рис. 3.15. Принципы работы гидроцилиндра с золотниковым распределительным механизмом. 1 - нож золотника (шток с поршневыми кольцами); 2 - давление рабочей жидкости Р; 3 - золотниковый механизм; 4 - корпус; 5 - гидроцилиндр; 6 - шток; 7 - неподвижный корпус; 8 - нагрузка; 9 - рабочий поршень

Пользуясь данными, приведенными на рис. 3.16-3.18, проведем исследование рабочих характеристик подсистемы, образованной золотниковым устройством (включая впускной и выпускной клапаны) с гидравлическим цилиндром. На рис. 3.16, а представлен случай нулевого перекрытия, поскольку ширина поршневого кольца в точности совпадает с размерами отверстия в золотниковой втулке. Рабочая характеристика, соответствующая клапану с нулевым перекрытием, приведена на рис. 3.16, б. Как следует из рисунка, на характеристике нет участков, соответствующих состоянию покоя привода, несмотря на перемещение поршневых колец, т. е. при нулевом перекрытии система управления не имеет зоны нечувствительности. Если ширина поршневого кольца несколько превышает размеры блокируемого отверстия (рис. 3.17, а), то говорят, что имеет место положительное перекрытие. Соответствующая такому перекрытию рабочая характеристика приводится на рис. 3.17, б. Как видно, в этом случае появляется зона нечувствительности, размером d₁ + d₂. Совсем иная ситуация представлена на рис. 3.18, а: на этот раз размеры отверстия превышают ширину поршневого кольца и, как говорят, управление осуществляется с отрицательным перекрытием. Характеристика системы управления с отрицательным перекрытием показана на рис. 3.18, б. В этом случае для поддержания номинального давления даже при неподвижном цилиндре приходится расходовать большое количество энергии. Другим недостатком управления с отрицательным перекрытием является очень высокая вероятность возникновения залипания штока с поршневыми кольцами в нейтральном положении.

Рис. 3.16. Система золотник-гидроцилиндр с нулевым перекрытием и ее рабочая характеристика. а - золотниковый механизм с нулевым перекрытием; б - рабочая характеристика системы золотник-гидроцилиндр (зависимость расхода рабочей жидкости от величины смещения штока с поршневыми кольцами из равновесного состояния). 1 - поршневое кольцо: 2 - поверхность скольжения поршневых колец; 3 - нож золотника; 4 - гидропривод. α = x / x_max, где х - смещение ножа из нейтрального положения, x_max - максимальное смещение ножа из нейтрального положения. Величина смещения ножа задается в относительных единицах, и поэтому она не имеет размерности (диапазон ее изменения ±1); Q_C / Q_max - относительный расход рабочей жидкости, где Q_C - потребный расход, Q_max - расход рабочей жидкости при максимальном смещении ножа из нейтрального положения; P_L - давление нагрузки: Q_R - расход рабочей жидкости на выходе; P_S - давление рабочей жидкости на входе; Q_S - расход рабочей жидкости на входе

Рис. 3.17. Система золотник-гидроцилиндр с положительным перекрытием и ее рабочая характеристика. а - золотниковый механизм с положительным перекрытием; б - рабочая характеристика системы золотник-гидроцилиндр (зависимость расхода рабочей жидкости от величины смещения штока с поршневыми кольцами из равновесного состояния). 1 - нож золотника; 2 - поверхность скольжения поршневых колец; 3 - поршневое кольцо; 4 - гидропривод. Предполагается равенство величин перекрытия, т. е. Δ₁ = Δ₂ = Δ₃ = Δ₄

Рис. 3.18. Система золотник-гидроцилиндр с отрицательным перекрытием и ее рабочая характеристика. а - золотниковый механизм с отрицательным перекрытием; б - рабочая характеристика системы золотник-гидроцилиндр (зависимость расхода рабочей жидкости от величины смещения штока с поршневыми кольцами из равновесного состояния). 1 - нож золотника; 2 - поверхность скольжения поршневых колец; 3 - поршневое кольцо; 4 - гидропривод. Предполагается равенство величин перекрытия, т. е. -Δ₁ = -Δ₂ = -Δ₃ = -Δ₄

♦♦♦ Заметим, что если используется любой из рассмотренных выше способов управления гидроцилиндром и при этом требуется перемещение груза с желаемой скоростью или остановка его в желаемой точке, то выполнение этих требований невозможно без усовершенствования конструкции системы управления.

Один из возможных вариантов усовершенствования представлен на рис. 3.19; подсистема золотник-цилиндр и полость гидроцилиндра заключены в общий корпус и, таким образом, являются одним целым. Согласно рис. 3.19, а, при такой конструкции смещение штока с поршневыми кольцами вправо повлечет за собой соответствующее перемещение груза вправо и, наоборот, в результате смещения штока влево груз будет двигаться влево. При этом величина перемещения цилиндра, а значит, и груза находится в точном соответствии с расстоянием, на которое смещается шток.

Рис. 3.19. Система золотник-гидроцилиндр в общем корпусе. а - нейтральное положение; б - смещение ножа вправо; в - смещение ножа влево. 1 - корпус золотникового механизма; 2 - нагрузка; 3 - главная плоскость рабочих перемещений

Во всех рассмотренных выше конструкциях гидравлические силы не оказывают сопротивления движению штока в золотниковой втулке. Поэтому в целях экономии энергий для перемещения штока желательно использовать минимально допустимые усилия. Обычно в системах управления гидроцилиндром (особенно в системах, близких по конструкции к показанной на рис. 3.17) предусматривается механическое сравнение положений, в которых находятся шток с поршневыми кольцами и корпус цилиндра (вместе с грузом). Если эти положения не совпадают, то цилиндр начинает перемещаться так, чтобы свести имеющуюся разницу к нулю. В результате, выполняя перемещения легкого штока, можно передвинуть тяжелый груз почти на такое же расстояние. Очевидно, трудно переоценить практическое значение подобных сервосистем. Тем не менее с помощью приводов, показанных на рис. 3.20, не удается управлять слишком маленькими по величине перемещениями груза (перемещениями штока). Поэтому во всех электрогидравлических сервосистемах применяются подсистемы золотник-цилиндр, построенные исключительно по принципу, показанному на рис. 3.16. В целом для любых конструкций гидравлических сервосистем наиболее острым остается вопрос: каким образом обеспечить удовлетворительную точность перемещения штока? Из выпускаемых в настоящее время сервораспределителей с золотниковыми механизмами в робототехнике обычно используются лишь наиболее высокоточные, у которых погрешность перемещения штока не превышает нескольких микрон. В качестве приводов для штока золотников прецизионных сервораспределителей чаще всего применяют так называемые сопла-заслонки.

Рис. 3.20. Система сопло-заслонка. а - принцип работы системы сопло-заслонка; б - зависимость давления в канале (давления за заслонкой) от величины зазора между торцом сопла и заслонкой; в - гидравлическая сервосистема, использующая подсистему сопло-заслонка; г - симметричная гидравлическая сервосистема с подсистемой сопло-заслонка. х - зазор между соплом и заслонкой; P_S - входное давление; P_C - давление в канале (за заслонкой)

Принцип действия сопла-заслонки иллюстрируется на рис. 3.20, а, а его рабочая характеристика представлена на рис. 3.20, б. Как следует из рис. 3.20, а, сопло-заслонка состоит из трех основных элементов: жестко связанных между собой сопла и жиклера, а также подвижной заслонки. Рабочая жидкость (масло) под постоянным давлением нагнетается в канал сопла-заслонки, где происходит сужение потока за счет жиклера и сопла. Величина давления в канале (давления за заслонкой) регулируется путем изменения величины зазора X между торцом сопла и заслонкой (зазора заслонки). Зависимость давления Р_с в канале от величины X приведена на рис. 3.20, б; она носит обратно пропорциональный характер, т. е. с уменьшением величины зазора X давление Р_с в канале возрастает. Оказывается, что, осуществляя небольшие перемещения сопла относительно заслонки (или наоборот), можно с большой точностью управлять величиной давления масла за заслонкой. Именно этот принцип положен в основу гидравлической сервосистемы сопло-заслонка, структурная схема которой показана на рис. 3.20, в. Как и прежде, основными подсистемами сервосистемы являются сервораспределитель и гидравлический цилиндр. Если к данной структурной схеме присоединить ее зеркальное отражение, то получим схему, показанную на рис. 3.20, г. Соответствующая ей гидравлическая сервосистема сопло-заслонка имеет улучшенную рабочую характеристику.

В приведенной на рис. 3.16, г структурной схеме блок исполнительного устройства образован из подсистемы золотник-гидропривод, в которой по сравнению с рис. 3.15 составляющие элементы поменялись местами, и электромагнитного привода подвижной заслонки, управляемого током или напряжением. Этот блок и представляет собой систему управления гидравлическим приводом, которую обычно называют электрогидравлической сервосистемой. На рис. 3.21 иллюстрируются принципы работы такой электрогидравлической сервосистемы, а на рис. 3.21, б показан пример практической реализации этих принципов в виде конкретного устройства сервосистемы.

Рис. 3.21. Электрогидравлическая сервосистема. а - принцип работы электрогидравлической сервосистемы; б - пример устройства электрогидравлической сервосистемы. 1 - силомоментный двигатель; 2 - постоянный магнит; 3 - обмотка; 4 - подсистема сопло-заслонка: 5 - шток с поршневыми кольцами (нож золотникового распределителя); 6 - фильтр

Электрогидравлическая сервосистема, состоящая из электрогидравлического серводвигателя и гидравлического привода, представлена в виде блок-схемы на рис. 3.22. Обратная связь, показанная на блок-схеме штриховой линией, в данном случае осуществляется за счет механического устройства.

Рис. 3.22. Структурная блок-схема электрогидравлической сервосистемы

Помимо робототехники подобные электрогидравлические сервосистемы находят широкое применение в станкостроении, где используются для управления подачей в металлорежущих станках.