Проектирование гидравлических усилителей следящих приводов
Покупка
Новинка
Тематика:
Усилительные и импульсные устройства
Автор:
Фомичев Владимир Михайлович
Год издания: 2009
Кол-во страниц: 44
Дополнительно
Изложены материалы, в которых отражен практический опыт промышленности в области проектирования электрогидравлических усилителей мощности, составляющих основу электрогидравлических следящих приводов. Рассмотрены двухкаскадные усилители с соплом-заслонкой и струйной трубкой в предварительном каскаде, цилиндрическим золотниковым распределителем в выходном каскаде, механической и электрической обратной связью по положению золотника. Представлены математические модели, изложена методика проектных расчетов параметров и характеристик, рассмотрены вопросы выбора конструкционных материалов и обоснования конструкции усилителей. Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» и другим машиностроительным специальностям.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 15.03.03: Прикладная механика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана В.М. Фомичев ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 150800 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника» специальности 150802 «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» М о с к в а Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2 0 0 9
УДК 62-82(075.8) ББК 34.447 Ф766 Рецензенты: В.И. Пыриков, С.Е. Семенов Фомичев В.М. Проектирование гидравлических усилителей следящих приводов: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. — 44 с.: ил. ISBN 978-5-7038-3268-4 Изложены материалы, в которых отражен практический опыт промышленности в области проектирования электрогидравлических усилителей мощности, составляющих основу электрогидравлических следящих приводов. Рассмотрены двухкаскадные усилители с соплом-заслонкой и струйной трубкой в предварительном каскаде, цилиндрическим золотниковым распределителем в выходном каскаде, механической и электрической обратной связью по положению золотника. Представлены математические модели, изложена методика проектных расчетов параметров и характеристик, рассмотрены вопросы выбора конструкционных материалов и обоснования конструкции усилителей. Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» и другим машиностроительным специальностям. УДК 62-82(075.8) ББК 34.447 Учебное издание Фомичев Владимир Михайлович ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ Редактор С.А. Серебрякова Корректор Г.С. Беляева Компьютерная верстка С.А. Серебряковой Подписано в печать 29.11.2008. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,56. Уч.-изд. л. 2,03. Изд. № 123. Тираж 100 экз. Заказ . Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5 ISBN 978-5-7038-3268-4 © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 Ф766
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АФЧХ — амплитудно-фазовая частотная характеристика ГУ — гидроусилитель ГУ-СЗ — гидроусилитель «сопло-заслонка» ГУ-СТ — гидроусилитель «струйная трубка» МОС — механическая обратная связь ЦЗР — цилиндрический золотниковый распределитель ЭГП — электрогидравлический привод ЭГУ — электрогидравлический усилитель ЭМП — электромеханический преобразователь сигналов ЭОС — электрическая обратная связь
ПРЕДИСЛОВИЕ В высокоточных электрогидравлических следящих приводах (ЭГП) наиболее широкое применение находят двухкаскадные электрогидравлические усилители (ЭГУ) с гидроусилителями «сопло-заслонка» (ГУ-СЗ) или «струйная трубка» (ГУ-СТ) в предварительном каскаде усиления и цилиндрическим золотниковым распределителем (ЦЗР) в выходном каскаде. Такие ЭГУ имеют механическую обратную связь по положению золотника (МОС), выпускаются серийно и при соответствующей культуре производства и эксплуатации обеспечивают наработку на отказ более миллиона часов [1]. Также начинают широко внедряться ЭГУ суперкласса [2] c электрической обратной связью (ЭОС), применение которой позволяет получить технические и эксплуатационные характеристики наивысшего уровня. ЭГУ определяют уровень технических возможностей приводов и являются их основным компонентом. Разработчики непрерывно ведут работу по дальнейшему совершенствованию схем, конструкций, технологии изготовления и методов обоснования параметров усилителей, что позволяет существенно улучшить их технические характеристики и показатели надежности. В пособии излагается современный подход к обоснованию схем, параметров, характеристик и конструированию ЭГУ с учетом выбора материалов элементов конструкций и возможностей технологии производства. В первом разделе рассмотрены вопросы проектирования усилителей с СЗ-МОС, во второй — с СТ-МОС, в третьей — с СТ-ЭОС, в четвертой дается информация о конструкционных материалах и конструировании ЭГУ.
1. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ С СОПЛОМ-ЗАСЛОНКОЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ Исходными данными при проектировании являются: – схема ЭГУ (рис. 1); – номинальный ток управления упр нI ; – схема соединения и активное сопротивление обмоток управления электромеханического преобразователя сигналов (ЭМП); – давление подачи рп, давление слива рс, плотность ρ, вязкость ν и температура жидкости Tж; – номинальный расход Qн, расход насыщения Qнас, коэффициент усиления по расходу в области нуля 0 qx K , предельная нелиней ность расходной характеристики N; – максимальная допустимая суммарная утечка жидкости ЭГУ ут ; Q – постоянная времени Tу и коэффициент демпфирования ζу эквивалентного динамического звена (усилителя) или фазовый сдвиг на характерной для привода частоте. При обосновании схемы и параметров ЭГУ необходимо обеспечить выполнение следующих критериев качества: – устойчивость ЭГУ (отсутствие автоколебаний); – надежную работу при возможном загрязнении жидкости (обеспечение силы срезания стружки дросселирующими кромками ЦЗР); – демпфирование подвижной системы «якорь ЭМП — заслонка», обеспечивающее защиту от внутренних и внешних динами- ческих возмущений; – помехозащищенность характеристик при эксплуатационных изменениях давлений подачи и слива, а также температуры жидкости; – минимальные габариты и массу; – учет технологической реализуемости ЭГУ.
Рис. 1. Схема ЭГУ с соплом-заслонкой и механической обратной связью по положению золотника: 1 — ЭМП; 2 — заслонка; 3 — сопло; 4 — нерегулируемый дроссель; 5 — золотник; 6 — исполнительный механизм; 7 — сливной дроссель; 8 — консольная пружина механической обратной связи; α — угол поворота заслонки; X — смещение золотника; рп — давление подачи; рс — давление слива; I — ток управления При проектировании необходимо обосновать параметры ЭГУ: – гидравлическую проводимость канализации ЭГУ σк; – параметры ЦЗР (диаметр золотника dз, номинальный ход золотника Xн, максимальный ход золотника — ход насыщения Xнас, ширину окон гильзы b, число окон на дросселирующей кромке n, радиальный зазор между золотником и гильзой δ, радиус дросселирующих кромок R; перекрытия дросселирующих кромок S, наружный диаметр гильзы Dг, длину золотника Lз, минимальную толщину стенки гильзы в области дросселирующих окон m);
– номинальный момент Mн на заслонке ЭМП; – расстояние r от центра вращения заслонки до оси сопел; – расстояние R от центра вращения заслонки до оси шарнира механической обратной связи; – жесткость Cо.с консольной пружины обратной связи; – зазор h0 между торцом сопла и заслонкой при ее нейтральном положении; – диаметр dc отверстия сопла; – диаметр dд отверстия балансного дросселя; – диаметр dсл отверстия сливного дросселя; – давление pт.з 0 на торцах золотника при отсутствии тока управления; – давление pс.п в сливной полости сопел. При проектировании необходимо выполнить расчетные оценки статических и динамических характеристик ЭГУ: – расходной характеристики без нагрузки Q(I); – давлений в исполнительном механизме без расхода жидкости pA(I), pB(I); – перепадной характеристики н ( ) ( ) = − = A B p p p f I без расхода жидкости; – характеристики непроизводительной утечки ЭГУ ут ( ); Q I – амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ). Обоснование схемы и давлений настройки гидроусилителя «сопло-заслонка» предварительного каскада при Iупр = 0 осуществляется с учетом условий применения ЭГУ. В гидросистемах большинства мобильных объектов с ЭГП используется высокое давление подачи pп = 18…28 МПа, при котором в приводах обеспечиваются наивысшие показатели качества: отношение мощность/масса, точность управления, быстродействие. При проектировании ЭГУ для работы в широком диапазоне условий эксплуатации, характерном для ЭГП мобильных объектов, необходимо обеспечить: – максимальные значения коэффициентов усиления усилителя предварительного каскада по давлению Kpα и расходу Kqα, определяющие безотказность и быстродействие ЭГУ; – отсутствие автоколебаний в ЭГУ (устойчивость); – помехозащищенность характеристик ЭГУ.
При работе ЭГУ в составе комплексных систем с несколькими ЭГП, как правило, возникают значительные вариации давления pc вследствие неустановившихся режимов и неодновременности работы приводов. Изменения давления pc могут вызвать дрейф статических характеристик ГУ, влекущий за собой снижение статической точности приводов, а также привести к автоколебаниям в системе. Для защиты от внешних возмущений в виде pc = var на выходе усилителя устанавливают нерегулируемый сливной дроссель в виде цилиндрического насадка с относительной длиной L/d = 3…5, обеспечивающий давление в сливной полости pc.п. Этот насадок в соответствии с рис. 2 [3] должен работать в режиме запирания потока жидкости при условии с с.п 0,4. ≤ p p (1) При этом условии изменение pc не приводит к изменению pc.п. Рис. 2. Граница области течений с запиранием потока в цилиндрическом насадке с L/d = 3…5: сл с.п с т 2( ) Re d p p − = ν ρ — число Рейнольдса; ν — кинемати ческая вязкость жидкости; ρ — плотность жидкости В реальных гидросистемах с ЭГП величина pc зависит от протяженности гидравлических линий, определяемой размерами объекта, и связывающих приводы и насосную установку. При большой протяженности (десятки метров) давление pc ≤ 1 МПа, при малой (несколько метров) pc ≤ 0,3 МПа.
Так как ЭГУ являются устройствами многократного применения, целесообразно разрабатывать их для наиболее тяжелых условий применения, т. е. полагать pc = 1 МПа. Для уменьшения энергетических потерь в ГУ, приводящих к уменьшению Kqα и Kpα, необходимо выбирать минимальное значение pc.п. Следовательно, в соответствии с (1) min max с.п с.п с 2,5 2,5 МПа. = = = p p p (2) В рабочем зазоре устройства «сопло-заслонка» возможны различные формы течений, которым соответствуют разные коэффициенты расхода и формы эпюр давлений, нагружающих заслонку [4]. На плоскости параметров «относительное противодавление на рабочем зазоре — число Рейнольдса» области разных форм течений разделяет граница, положение которой также зависит от относительного зазора c 2 / ∗ = h h d и относительного наружного диа метра торца сопла * н н с / = d d d (рис. 3). Рис. 3. Границы областей отрывных течений в зазоре устройства «сопло-заслонка»: h — зазор между соплом и заслонкой; * * * 1 2 3 , , h h h — относительные зазоры между соплом и заслонкой; т.з0 с.п т 2( ) 2 Re p p h − = ν ρ — число Рейнольдса Если относительные параметры гидроусилителя при его работе попадают на границу, то возникают неустойчивые и автоколебательные режимы. Для качественной работы усилителя необходимо
обеспечить отрывные формы течения в зазоре (рис. 4), область существования которых лежит выше границы. При этом должно выполняться условие с.п т.з 0 0,5, p p ≥ (3) а для получения максимально возможных значений Kqα и Kpα принимают т.з 0 с.п 2 5 МПа. = = p p (4) Максимальные значения Kqα и Kpα достигаются при равенстве гидравлических проводимостей балансных дросселей и соплазаслонки. При этом п т.з 0 т.з 0 с.п. − = − p p p p (5) Однако при больших значениях pп, как следует из (3), соотношение (5) невыполнимо в соответствии с условием обеспечения устойчивой работы сопла-заслонки. Рис. 4. Отрывное течение в зазоре устройства «сопло-заслонка»: dс — диаметр отверстия сопла, dн — наружный диаметр торца сопла Следует также отметить, что при повышении pт.з 0 для ограничения расхода жидкости через сопло необходимо уменьшать диаметр сопла и соответственно рабочий зазор при нейтральном по