2.2. Электрогидравлические следящие приводы объемного управления

Следящие гидроприводы объемного управления имеют высокие энергетические и жесткую нагрузочную характеристики, хорошие динамические свойства и конструктивно выполняются, как правило, в виде единого автономного блока. Такие приводы широко применяются в объектах авиационной техники и в металлорежущих станках. В промышленных роботах гидроприводы объемного управления широкого применения пока не находят. Объясняется это тем, что существует устаревшее мнение о целесообразности применения объемного управления в приводах, полезная мощность которых более 5 кВт. Такую мощность имеют приводы для промышленных роботов сверхбольшой грузоподъемности (более 100 кг). В настоящее время эти роботы широкого развития не получили. Этим и объясняется недостаточно широкое применение гидроприводов объемного управления в промышленной робототехнике. Однако для объектов авиационной техники разработаны следящие гидроприводы объемного управления на полезную мощность 3 кВт и 1 кВт. Эти разработки убедительно доказали, что объемное регулирование в гидроприводах целесообразно при некоторых условиях применять и на полезных мощностях 1 кВт. При этом достаточно хорошо проявляются их энергетические преимущества и окупается высокая стоимость изготовления гидроприводов с объемным управлением.

Основным недостатком гидропривода объемного управления является высокая стоимость изготовления из-за наличия в системе двух плунжерных гидравлических машин, гидроусилителя с золотником для управления производительностью гидронасоса, подпитывающей системы с постоянным расходом, электродвигателя. Стоимость следящего гидропривода объемного управления в 2-3 раза выше стоимости следящего гидропривода дроссельного управления.

Обобщенная функциональная схема и ее особенности. На рис. 2.15 представлена обобщенная функциональная схема гидропривода объемного управления. Особенность ее состоит в том, что отсутствуют дроссельные золотниковые регуляторы для управления положением и скоростью гидроцилиндров и моторов.

Рис. 2.15. Обобщенная функциональная схема гидропривода объемного управления: 1 - бак; 2 - насос подпитки; 3 - фильтр тонкой очистки; 4 - электродвигатель; 5 - гидронасос переменной и реверсируемой производительности; 6 - сервоустройство для управления производительностью гидронасоса по командам управления; 7 - клапаны подпитки; 8 - предохранительные клапаны; 9 - гидромотор; 10 - гидроцилиндр

Каждое исполнительное устройство (цилиндр или мотор) имеет гидронасос переменной и реверсируемой производительности, при этом регулирование положения и скорости подвижного элемента исполнительного устройства осуществляется изменением производительности гидронасоса по соответствующим командам управления. Давление в магистрали высокого давления мотор - насос, а также момент сопротивления на насосе и потребляемый ток на электродвигателе устанавливаются пропорционально действующей нагрузке. Именно за счет этого процесса самонастройки потребляемой энергии в зависимости от полезной нагрузки на исполнительном механизме привода и обеспечивается высокое значение теоретического КПД и его незначительные динамические изменения от полезной нагрузки.

Подпитывающая вспомогательная система, в которую входит гидронасос постоянной производительности, клапаны и фильтр тонкой очистки, обеспечивает подпитку основной системы через магистрали низкого давления для безкавитационной работы основного гидронасоса переменной производительности. Кроме того, эта система питает гидроусилитель рабочей жидкостью для управления производительностью основного гидронасоса.

Для предохранения системы от разрушения при нагружении привода сверхрасчетной полезной нагрузкой служат предохранительные клапаны.

Гидроприводы объемного управления обычно выполняют в виде законченной агрегатно-модульной автономной конструкции. Все элементы помещаются в едином корпусе, который одновременно служит баком для рабочей жидкости. В связи с малым нагревом системы количество рабочей жидкости в ней минимально, и для температурной компенсации изменения ее объема служат простейшие сильфонные устройства. Все гидравлические магистрали выполняются в виде отверстий в корпусе. Число герметизирующих элементов для подвижных частей по внешнюю среду минимально.

Система управления производительностью гидронасоса представляет собой следящий микрогидропривод дроссельного управления с автономным гидронасосом постоянной производительности. Нагрузкой на микропривод служит инерционный и силовой моменты поворотных частей механизма изменения производительности.

Как и гидропривод дроссельного управления, гидропривод объемного управления можно использовать для непрерывных и дискретных сигналов управления. Однако в связи с более сложной конструкцией гидропривод объемного регулирования еще более чувствителен к ударным явлениям (особенно гидронасос переменной производительности).

Энергетические характеристики гидропривода объемного управления. Энергетический анализ, как и для систем дроссельного управления, проводится по нагрузочной характеристике, которая для гидропривода объемного управления с гидроцилиндром имеет вид

где - коэффициент усиления гидропривода объемного управления по скорости; Q_max - максимальная производительность гидронасоса; γ, γ_max - соответственно текущее и максимальное значения параметра регулирования производительности гидронасоса; V⁰ - текущее значение скорости подвижного элемента гидроцилиндра объемного управления; - коэффициент эластичности нагрузочной характеристики; Р - текущее значение нагрузки; r_у - коэффициент утечки в насосе; r_ск - коэффициент, учитывающий скольжение в электродвигателе.

Электродвигатель для гидропривода объемного управления выбирается с достаточно жесткой нагрузочной характеристикой, так что скорость его во всем диапазоне изменения нагрузки меняется от 2 до 5%.

Утечки в гидронасосе увеличиваются с возрастанием давления нагнетания и для современных гидромашин не превышают 3-5% от производительности. Таким образом, нагрузочная характеристика гидропривода объемного управления представляет собой наклонную линию с падением скорости от утечки и нежесткости механической характеристики электродвигателя при увеличении нагрузки на 5-10%.

На основании изложенного нагрузочная характеристика гидропривода объемного управления представляется в следующем виде:

где V⁰_max - скорость холостого хода (без нагрузки); Р_тр - условно тормозная нагрузка (тормозная нагрузка эквивалентного гидропривода дроссельного управления).

Примем за эквивалентные гидроприводы дроссельного и объемного управления такие, у которых равны скорости при Р = ²/₃ Р_тр дроссельного привода (рис. 2.16). Тогда скорость ненагруженного гидропривода объемного управления составит 0,63 от скорости гидропривода дроссельного управления при равной полезной мощности обоих приводов:

Рис. 2.16. Нагрузочные характеристики эквивалентных гидроприводов дроссельного и объемного управления

Для гидропривода объемного управления скорость во всем диапазоне принятых нагрузок можно считать постоянной и в 1,5 раза меньшей, чем у гидропривода дроссельного управления, при равной полезной мощности.

Коэффициент полезного действия гидроцилиндра можно принять приблизительно равным 90% (потери на трение и потери давления в подводящих магистралях).

Коэффициент полезного действия гидронасоса примем равным приблизительно 85%. Затраты на управление производительностью гидронасоса обычно составляют около 10%. Тогда коэффициент полезного действия гидропривода объемного управления составит

Энергетические соотношения гидропривода объемного управления представлены на рис. 2.17. Коэффициент полезного действия гидропривода объемного управления в 1,7 раза выше, чем гидропривода дроссельного управления с насосом переменной производительности. Динамические изменения η⁰ в зависимости от неодновременности прохождения команд управления по различным степеням подвижности робота теряют смысл, так как для каждой степени подвижности гидропривод объемного управления полностью автономен. Динамические изменения η⁰ при изменении нагрузки осуществляются в приводе объемного управления автоматически за счет самонастройки давления по нагрузке. Очевидно, что при уменьшении нагрузки значение η⁰ снижается. Понятия динамического и статического η⁰ тождественны.

Рис. 2.17. Энергетические характеристики гидропривода объемного управления: N_у - затраты на управление; N_н - потери в гидронасосе; N_ц - потери в гидроцилиндре

Кроме того, гидропривод объемного управления, обладая обратимостью и самонастройкой давления по нагрузке, при некоторых условиях может осуществлять режим рекуперации энергии. Так, при нагрузке, сопутствующей направлению движения исполнительного органа, давление в полостях нагнетания уменьшается, а в полостях слива увеличивается. Момент нагрузки на электродвигатель от гидронасоса изменяет знак, превращаясь из тормозящего в разгоняющий. Разгоняющий момент нагрузки, складываясь с действующим электромагнитным моментом, увеличивает скорость электродвигателя постоянного тока и переводит его в генераторный режим работы.

При статическом изменении нагрузки рекуперативный режим гидропривода объемного управления реализован в практике тяжелого машиностроения.

При динамическом изменении нагрузки реализация рекуперативного режима работы затрудняется недостаточным быстродействием изменения скорости электродвигателя и практического применения в настоящее время не имеет. Однако теоретические предпосылки для реализации рекуперативного режима работы гидропривода объемного управления при динамическом изменении нагрузки сохраняются.

Таким образом, энергетические характеристики привода объемного управления почти в 2 раза превышают энергетические характеристики привода дроссельного управления, выполненного по энергетически оптимальной схеме. При этом возможно и дальнейшее повышение η_max за счет конструктивных мер по снижению затрат энергии на управление, утечек и падения давления в элементах привода. Схема гидропривода объемного управления оптимальна по энергетике.

Статические характеристики. Среди статических характеристик гидропривода объемного управления наибольшее применение имеют нагрузочная и скоростная характеристики. При этом нагрузочная характеристика [см. (2.35), (2,36)] выявляет зависимость между установившейся скоростью подвижного элемента гидроцилиндра и внешней нагрузкой при различных значениях параметра регулирования. В безразмерных величинах нагрузочная характеристика гидропривода объемного управления с гидроцилиндром представляется в виде

где - относительная скорость объемного гидропривода; - относительный параметр регулирования производительности гидронасоса; - относительная нагрузка.

Нагрузочная характеристика гидропривода объемного управления в безразмерных величинах представлена на рис. 2.18, а.

Рис. 2.18. Статические характеристики гидропривода объемного управления в безразмерных величинах

Сравнительный анализ нагрузочных характеристик гидроприводов дроссельного и объемного управления (см. рис. 2.6 и 2.18) свидетельствует о том, что гидропривод объемного управления имеет более жесткую нагрузочную характеристику и малое скольжение, что улучшает быстродействие и динамические характеристики при действии нагрузки. По существу, скорость выходного элемента гидропривода объемного управления практически инвариантна по отношению к нагрузке в расчетном ее диапазоне. Кроме того, имеющееся некоторое влияние нагрузки в гидроприводе объемного управления на его скорость имеет линейный характер в отличие от гидропривода дроссельного управления, где оно нелинейно.

Скоростная характеристика гидропривода объемного управления представляет собой частный случай нагрузочной характеристики и устанавливает зависимость между скоростью подвижного элемента гидроцилиндра привода на холостом ходу и параметром регулирования производительности гидронасоса.

Полагая в выражении (2.35) усилие нагрузки равным силе трения при холостом ходе (Р = Р_т) и для упрощения полагая Р_т = 0, получаем уравнение скоростной характеристики гидропривода объемного управления в размерных и безразмерных величинах с учетом зоны нечувствительности:

Скоростная характеристика гидропривода объемного управления представлена на рис. 2.18, б. Практика показывает, что в связи с малым значением γ(γ_max = 10) для инженерных расчетов скоростную характеристику можно считать линейной, а

Сравнительный анализ скоростных характеристик гидроприводов дроссельного и объемного управления (см. рис. 2.6, а и 2.18, б) показывает, что для инженерных расчетов скоростные характеристики обоих видов приводов можно считать линейными.

Динамическая модель. Для получения линейной динамической модели гидропривода объемного управления вводятся следующие допущения:

- динамические процессы рассматриваются в малых изменениях регулируемого параметра без учета влияния зоны насыщения по расходу и давлению;

- зона чувствительности и сухое трение отсутствуют;

- температура, вязкость рабочей жидкости, а также конструктивные параметры привода постоянны;

- усилие нагрузки - величина постоянная;

- не учитываются сопротивления и гидравлические удары в магистралях, связывающих гидронасос с гидроцилиндром.

В линейной динамической модели учитывается: сжимаемость жидкости, вязкое трение, утечка рабочей жидкости, снижение скорости электродвигателя под нагрузкой, инерционные свойства элементов привода.

При учете изложенных допущений линейное дифференциальное уравнение гидронасоса с электродвигателем - гидроцилиндра с нагрузкой может быть получено следующим образом [1].

Располагаемая производительность гидронасоса переменной производительности при учете утечек и скольжения электродвигателя

где К_н = Q_max/γ_max - коэффициент усиления насоса по расходу; r_у, r_ск - коэффициенты, соответственно учитывающие влияние утечек и скольжения электродвигателя на снижение производительности гидронасоса; р_н - перепад давления на гидронасосе.

Потребный расход в гидроцилиндре с учетом сжимаемости рабочей жидкости в полости нагнетания, пренебрежения утечками в гидроцилиндре и потерями давления в магистрали насос-цилиндр

где z - координата перемещения подвижного элемента гидроцилиндра привода объемного управления; w - объем жидкости в полости нагнетания; Е_ж - объемный модуль упругости рабочей жидкости; р_в - давление в полости нагнетания (высокое), приравниваемое для упрощения в дальнейших преобразованиях к р_н.

Уравнение расхода гидропривода исходя из условия неразрывности потока рабочей жидкости (Q_н = Q_ц) определяется из совместного решения уравнений (2.40) и (2.41):

где r = r_y + r_ск.

Уравнение давления гидравлического привода

где m_пр - приведенная масса инерционной нагрузки; f - коэффициент, учитывающий вязкое трение.

Из уравнения (2.43) следует, что

Подставляя значения р_н и dp_н/dt из уравнений (2.43) и (2.44) в уравнение (2.42), получим

Введем обозначения:

- механическая постоянная времени, определяющая влияние инерционных свойств и скольжения гидропривода;

- гидравлическая постоянная времени, характеризующая запаздывание из-за сжимаемости и утечки рабочей жидкости;

- постоянная времени, учитывающая вязкое трение;

так как r << 0 и f << 0, а F² >> 0;

- коэффициент усиления по скорости гидропривода объемного управления;

- коэффициент жесткости нагрузочной характеристики.

С учетом введенных обозначений уравнение (2.44) представляется в виде

В пределах принятых допущений и упрощений выражение (2.46) можно считать линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами.

В окончательном виде уравнение динамики гидронасос - гидроцилиндр может быть представлено в виде

где - обобщенная постоянная времени; - коэффициент относительного демпфирования.

Преобразовав по Лапласу при нулевых начальных условиях и Р = 0 уравнение (2.47), передаточную функцию гидропривода объемного управления при учете сжимаемости жидкости можно представить в виде интегрирующего и колебательного звеньев:

Сравнительный анализ передаточных функций ненагруженных гидроприводов дроссельного (2.27) и объемного (2.48) управления свидетельствует о том, что динамическая структура обоих приводов практически одинакова. Однако при учете нагрузки динамические структуры обоих приводов резко изменяются. Для нагруженного гидропривода объемного управления динамика гидронасоса - гидроцилиндра с учетом сжимаемости рабочей жидкости представляется линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами (2.46), при этом коэффициент жесткости нагрузочной характеристики (2.44) практически постоянен во всем диапазоне изменения нагрузки.

Для нагруженного гидропривода дроссельного управления динамика золотникового распределителя - гидроцилиндра без учета сжимаемости рабочей жидкости выражается существенно нелинейным уравнением (2.26) в основном из-за коэффициента эластичности |dQ/dp| - обратной величины коэффициента жесткости нагрузочной характеристики золотникового распределителя, которая является сложной функцией давления нагрузки и открытия золотника. Эта величина значительно изменяется под действием нагрузки.

Жесткость нагрузочной характеристики и практическое постоянство ее крутизны предопределяют для гидропривода объемного управления квазилинейную динамическую структуру нагруженного привода, естественно, с учетом принятых допущений. Инженерные расчеты динамики гидропривода объемного управления в связи с этим значительно упрощаются.

Для управления производительностью гидронасоса в гидроприводе объемного управления может быть использован следящий микрогидропривод дроссельного управления (см. рис. 2.15).

Современные гидроприводы объемного управления разрабатываются по замкнутой схеме как следящие гидроприводы. При этом в качестве обратных связей, как и в следящих гидроприводах дроссельного управления, используются электрические обратные связи и соответствующие элементы.

На рис. 2.19 представлена структурная динамическая схема следящего гидропривода объемного управления, составленная с использованием полученных ранее передаточных функций (2.48) и (2.34). Такая схема имеет несколько каскадов усиления: электронный усилитель, электромеханический преобразователь, гидравлический усилитель сопло - заслонка, золотниковый распределитель, вспомогательный сервоцилиндр, гидронасос переменной производительности - основной гидроцилиндр. Она имеет огромный коэффициент усиления и может применяться при мощности нагрузки в несколько сотен киловатт. В промышленной робототехнике в ближайшей перспективе такие мощные приводы не потребуются.

Рис. 2.19. Структурная динамическая схема следящего гидропривода объемного управления большой мощности

Для ПР большой и сверхбольшой грузоподъемности необходимы приводы на несколько киловатт полезной мощности. Такие приводы могут быть построены по схеме следящего гидропривода объемного управления с однокаскадным гидравлическим усилителем типа сопло - заслонка или струйная трубка с обратной связью. В таких гидроусилителях вместо золотника (см. рис. 2.9) используется вспомогательный сервоцилиндр, управляющий механизмом изменения производительности гидронасоса, а пружинная обратная связь сохраняется. На рис. 2.20 представлена структурная динамическая схема следящего гидропривода объемного управления малой мощности, составленная с использованием передаточных функций (2.48) и (2.30). Эта схема не может иметь лучшие динамические свойства, чем схема следящего гидропривода дроссельного управления, так как инерционные и силомоментные нагрузки в механизме изменения производительности больше, чем в золотниковом распределителе.

Рис. 2.20. Структурная динамическая схема следящего гидропривода объемного управления малой мощности

Таким образом, структурно линейные динамические модели следящих ненагруженных гидроприводов дроссельного и объемного управления практически идентичны. Их конкретные частотные свойства зависят от конструктивных возможностей выполнения коэффициентов усиления и постоянных времени.

Нелинейная модель следящего гидропривода объемного управления отличается от соответствующей модели привода дроссельного управления тем, что нелинейные характеристики золотникового распределителя не оказывают существенного влияния на систему, так как он используется только в предварительном каскаде усиления для управления производительностью гидронасоса.

Имеющиеся нелинейности в силовом каскаде управления объемного привода (ограничения по расходу и давлению, сухое трение в основном гидроцилиндре), как и в гидроприводе дроссельного управления, могут оказывать влияние на систему, вызывая автоколебания.

Метод гармонической линеаризации дает хорошие результаты при исследовании нелинейностей следящего гидропривода объемного управления в связи с тем, что в таком приводе имеется два высокочастотных фильтра: насос переменной производительности и основной гидроцилиндр с нагрузкой.

Следящий гидропривод объемного управления, хотя и имеет нелинейности в динамической структуре, в целом линейнее гидропривода дроссельного управления, особенно при учете нагрузки. Это означает, что линеаризованная модель гидропривода объемного управления имеет меньшую степень идеализации по сравнению с реальным приводом, чем это имеет место в гидроприводе дроссельного управления. Инженерные расчеты нелинейной модели гидропривода объемного управления малой мощности значительно проще, чем аналогичной модели гидропривода дроссельного управления.

Перспективы развития и применения в промышленной робототехнике гидроприводов объемного управления. Следящий гидропривод объемного управления чрезвычайно перспективен для применения в стационарных и мобильных промышленных роботах большой и сверхбольшой грузоподъемности.

Широкую перспективу применения обеспечивают наилучшие энергетические и статические характеристики гидропривода объемного управления по сравнению с аналогичными характеристиками гидропривода дроссельного управления. При этом динамические характеристики обоих типов приводов приблизительно одинаковы.

Сдерживающим фактором широкого применения гидроприводов объемного управления является недостаточная отработанность элементов привода, в результате чего не оптимизированы преимущества его энергетических и статических характеристик, неоправданно усложнена конструкция и, как следствие, завышена стоимость.

В первую очередь необходимо создание быстроходных, малогабаритных и высокопроизводительных гидронасосов переменной производительности на большие ресурсы. При этом механизм регулирования производительности должен быть разгружен от силомоментных и инерционных нагрузок, с тем чтобы мощность на управление производительностью была минимальна. В этом случае создание экономичных, быстродействующих и простых гидроусилителей с обратной связью для управления производительностью гидронасоса не представляется проблемой.

Повышение точности изготовления и снижение износа трущихся деталей при больших ресурсах является важной задачей при создании гидроприводов объемного управления, так как точность определяет зазоры, а следовательно, утечки рабочей жидкости, мощность подпитывающей системы и КПД привода.

Важной задачей является повышение жесткости нагрузочной характеристики электродвигателей постоянного тока, так как она определяет в динамике потребляемый ток при изменении значения нагрузки и предопределяет возможность рекуперативного режима работы привода. Рекуперативный режим работы привода особенно важен для мобильных промышленных роботов, так как существенно снижает потребную энергоемкость и массу аккумуляторных батарей.

Развитие гидропривода объемного управления по перечисленным направлениям обеспечит дальнейшее повышение КПД привода и приблизит его значение к 90%, ужесточит нагрузочную характеристику до 95% и снизит нелинейность скоростной характеристики до 3%.

Снижение стоимости гидроприводов объемного управления является, по-существу, основной проблемой, которую необходимо решить для широкого применения этих приводов в промышленной робототехнике. Решается эта проблема, с одной стороны, упрощением конструкции привода объемного управления, а с другой - за счет автоматизированного изготовления и контроля изготовления агрегатов, узлов и деталей привода.

Одним из путей упрощения конструкции гидропривода объемного управления является создание автономного гидропривода объемно-дроссельного управления. В таком приводе используется автоматизированный гидронасос переменной нереверсируемой производительности, с обратной связью по давлению и мягкой характеристикой изменения производительности от давления. Реверсирование направления потока жидкости и управление движением исполнительного органа осуществляются золотниковым распределителем. При этом автоматически устанавливается такое давление на входе в золотниковый распределитель, при котором потери давления на дресселирование принимают минимальное значение, но поддерживается требуемый расход рабочей жидкости.

В объемно-дроссельном гидроприводе отсутствует подпитывающий гидронасос. Управление производительностью основного гидронасоса осуществляется с помощью простейшего устройства, отбирающего часть потока рабочей жидкости от основного гидронасоса. Конструктивные особенности автоматизированного гидронасоса обеспечивают пониженное потребление энергии на управление производительностью (8-10%). Подпитка быстродействующего автоматизированного гидронасоса осуществляется повышением давления всасывания сильфонно-поддавливающим устройством. КПД объемно-дроссельного гидропривода составляет около 60%.

Однако объемно-дроссельный гидропривод не обладает свойствами обратимости и не может работать в режиме рекуперации энергии.

Стоимость в серийном производстве следящего гидропривода объемно-дроссельного управления для средств авиационной техники на выходную полезную мощность около 1 кВт составляет 5 тыс. руб. Для широкого применения в промышленной робототехнике стоимость гидропривода объемно-дроссельного управления должна быть дополнительно снижена в 1,5-2 раза за счет автоматизированного изготовления.

Другим путем упрощения конструкции гидропривода объемного управления является перевод его с аналоговых сигналов управления на дискретные с конструктивной переработкой элементной базы привода. Однако, как и для гидропривода дроссельного управления, основными проблемами перевода привода на дискретное управление являются устранение ударных явлений при переключении элементов привода и обеспечение долговечности привода.

Значительное упрощение конструкции рассматриваемого гидропривода обеспечит замена золотниковых распределителей в системе управления производительностью гидронасоса на струйные регуляторы, использующие высокое давление на входе. Бесспорным упрощением конструкции гидропривода является также применение в качестве двигателей гидроцилиндров вместо гидромоторов. Создание ряда гидроприводов объемного управления на базе типовых элементов позволит существенно снизить стоимость его.

Таким образом, реализация мер по совершенствованию элементной базы и снижению стоимости следящего гидропривода объемного управления обеспечит создание привода, имеющего оптимальные энергетические, статические и динамические характеристики при невысокой стоимости.