Проектирование гидравлических усилителей следящих приводов

 

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