Типовые схемы гидравлических следящих приводов c дроссельным регулированием
13.1. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ C ДРОССЕЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ
Гидравлические следящие приводы с дроссельным регулированием (ГСП (Д)) широко применяются в различных областях техники, там, где требуются высокое быстродействие, малые масса и размеры (системы управления летательными аппаратами, мобильными машинами различного назначения, много степенные моделирующие стенды и т. д.). Во многих случаях применение ГСП (Д) обусловлено простотой их конструкции и сравнительно низкой стоимостью в серийном производстве (станкостроение, металлургия и т. п.). Простота конструкции и высокое быстродействие определили применение ГСП (Д) в качестве механизмов управления для гидравлических следящих приводов с объемным регулированием (ГСП (O)).
Рис. 139. Принципиальная схема ГСП (ДМ)
Современные ГСП (Д) работают при давлениях нагнетания до (20 ... 30) МПа и при выходной мощности силовой части до 150 кВт. При выходной мощности до 5 кВт ГСП (Д) могут обеспечивать частоту среза следящей системы до 200 ... 300 с-1, а при мощности до 150 кВт—до 30...40 с-1. Как правило, ЗГР в ГСП (Д) управляется электрическими сигналами, хотя в различных областях техники применяются ГСП (Д), у которых ЗГР управляется механически (ГСП (ДМ)), например, приводы копировальных станков, систем управления тяжелых транспортных машин, морских судов и самолетов. В качестве примера на рис. 139 приведена принципиальная схема ГСП (ДМ), предназначенного для управления рулями самолета. Принцип работы такого привода следующий.
Если летчик через систему механической проводки, соединяющей штурвал с золотником, переместит тягу управления в точке A (при неподвижной точке C) на отрезок у, то золотник 2 сместится вправо на отрезок x (точка B переместится в точку В1). При этом линия нагнетания соединится с полостью Д гидроцилиндра 8, а его полость E соединится с линией слива. Поршень 4 гидроцилиндра начнет перемещаться по направлению стрелки L. Перемещение поршня вызовет перемещение рычажного механизма 1 вокруг точки A1. Точка C поршня гидроцилиндра, перемещаясь по направлению стрелки L, вызовет перемещение точки B1 по направлению стрелки K. Движение поршня происходит до тех пор, пока точка B1 не совместится с точкой B. Золотник займет нейтральное положение.
14.1. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ ПРИВОДОВ C ОБЪЕМНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ
Гидравлические следящие приводы с объемным регулированием — ГСП (O) — широко применяют в различных областях техники там, где ГСП (Д) или следящие электроприводы не удовлетворяют требованиям по основным характеристикам. ГСП (O) используют в металлорежущих станках, на судах* в качестве приводов рулей и приводов вращения лебедок, кранов, в подъемно-транспортных машинах, автомобилях, тракторах и в сельскохозяйственных машинах, авиации (приводы бортовых электрогенераторов), военно-морском флоте (приводы орудийных башен и винтовых движителей) и т. д.
По сравнению с ГСП (Д) ГСП (O) обладают следующими преимуществами: более высоким КПД и, как следствие, меньший нагрев рабочей жидкости; ГСП (O) позволяют управлять не только скоростью выходного звена ГИУ, но и ускорением.
ГСП (O) различаются и по типу гидромашин, типу механизмов управления (МУ) и по принципу управления (механическое ГСП (OM) и электрическое - ЭГСП (O)).
В качестве примера рассмотрим ГСП (OM) с ручным механическим управлением, которое применяется в системах небольшой мощности (рис. 147). С этой схеме управляющее воздействие обеспечивается с помощью ручки управления, угол ? поворота которой алгебраически суммируется с углом ?ОС отрицательной обратной связи на механическом дифференциале (МД).
B ГСП (OM) о гидравлическим усилителем в канале управления (рис. 148) рассогласование между управляющим воздействием (угол ?) и углом ?ОС отрицательной обратной связи, вырабатываемое на МД, воздействует на управляющий золотник, который управляет ГИУ в виде ГЦ, который, в свою очередь, управляет регулирующим органом насоса Н. Причем угол ? поворота регулирующего органа пропорционален смещению x золотника за счет механической обратной связи между выходным звеном ГЦ и золотником.
Рис. 147. Схема ГСП (OM) с механическим управлением: а — принципиальная; б — структурная
В ЭГСП (O) применяются и другие типы (МУ). В качестве примера рассмотрим принципиальную схему МУ с электрическим управлением, с двухкаскадным ЭГУ сопло-заслонка с синхронизирующими пружинами, которые используются и для реализации механической обратной связи от поворотного ГИУ (рис. 149).
Классификация приведена на рис. 140. Следует отметить, что в различных областях техники наибольшее распространение получили ЭГСП (Д) с непрерывным управляющим сигналом и ЭГСП (Д) с импульсным сигналом управления постоянной длительности и с постоянными амплитудой и частотой импульсов. Применение других видов дискретных управляющих сигналов ограничивается усталостной прочностью отдельных элементов конструкции (релейные, АИМ, ЧИМ, ШИМ) или чрезмерной сложностью схемы и, как следствие, снижением надежности работы (цифровые).
Учитывая изложенное выше, ограничимся рассмотрением схем ЭГСП (Д) с непрерывным управляющим сигналом и импульсным сигналом постоянной длительности и с постоянными амплитудой и частотой.
Принципиальная схема типичного ЭГСП (Д) с непрерывным управляющим сигналом с двухкаскадным ЭГУ сопло-заслонка приведена на рис. 141, а. При поступлении на вход операционного усилителя ОУ управляющего сигнала UУПР происходит алгебраическое суммирование этого сигнала с сигналом обратной связи Uoc. Сигнал рассогласования ?U поступает на вход преобразующего устройства ПУ, которое преобразует этот сигнал. Например, сигнал рассогласования переменного тока преобразуется в сигнал постоянного тока или уменьшается уровень электрических помех. Иногда ПУ обеспечивает формирование составляющих, пропорциональных производной или интегралу от ?U. Последние операции выполняются в последовательном корректирующем устройстве (ПКУ), которое входит в состав ПУ. Далее преобразованный сигнал ошибки ?U1 поступает на вход усилителя мощности УМ, в котором осуществляется усиление сигнала ?U1 по напряжению и мощности до значений, необходимых для управления ЭГУ.
Рис. 141. Принципиальные схемы ЭГСП (Д)
В соответствии со знаком и уровнем сигнала U на входе в ЭГУ его выходной каскад (золотниковый гидрораспределитель) смещается от своего нейтрального положения на определенную величину в ту или иную сторону, обеспечивая при этом движение выходного звена ГИУ со скоростью, в общем случае зависящей от нагрузки на ГИУ.
При движении выходного звена перемещается жестко соединенная с ним подвижная часть электрического датчика обратной связи (ДОС) (например, потенциометра или индукционного датчика), сигнал OC с которого через согласующую аппаратуру CA (например, фазочувствительный выпрямитель, фильтр, иногда операционный усилитель) поступает на вход ОУ. Движение выходного звена ГИУ будет происходить до тех пор, пока сигнал отрицательной ОС Uoc не сравняется по модулю с управляющим сигналом Uупр. Сигнал рассогласования ?U станет равным нулю. Выходной каскад ЭГУ займет нейтральное положение и перекроет магистрали, идущие от ЭГУ к ГИУ.
При использовании в качестве ГИУ гидромотора может быть сформирована следящая система по скорости. В этом случае в качестве датчиков угловой скорости используются тахогенераторы ТГ (рис. 141, б). Возможна и комбинированная схема, когда ЭГСП (Д) кроме обратной связи по скорости имеет обратную связь по углу поворота вала гидромотора или углу поворота объекта регулирования OP, соединенного с валом через редуктор P.
Известны ЭГСП (Д) с механической обратной связью (гидроприводы дорожно-строительных машин, некоторые уникальные приводы ракетных систем управления). Принципиальная схема такого привода, приведена на рис. 141, в. Структурные схемы рассмотренных выше ЭГСП (Д) (см. рис. 141) приведены на рис. 142.
Примечания: 1. Ha структурной схеме 142, б индексами 1 обозначены параметры передаточной функции силовой части для ГИУ в виде ГМ. Формулы для вычисления коэффициентов k01, A1, B1, C1, m1, и п1 могут быть получены по аналогии с формулами для коэффициентов k0, A, B, C, m и n [см. формулы (100)]. Угол ? — угол выходной координаты ГМ (угол поворота вала ГМ); MВ— внешний, возмущающий момент.
2. Ha структурной схеме 142, в
Принцип работы ЭГСП (Д) с импульсным управляющим сигналом постоянной длительности и с постоянными амплитудой и частотой с ИУ в виде ГМ [4] заключается в следующем (рис. 143, а).
Рис. 142. Структурные схемы ЭГСП (Д)
При отработке одного управляющего импульса вал шагового двигателя 1' (ШД) через редуктор 2 повернет золотник 3 на определенный угол. Ha этот же угол переместится винт 4 в гайке 5, жестко соединенный с ротором 6 ГМ. При неподвижном роторе ГМ поворот винта 4 в гайке 5 вызывает осевое перемещение золотника 3, например, вправо от нейтрального положения, в результате чего магистраль 7, идущая от золотника к распределительному узлу ГМ, соединится с линией нагнетания, а магистраль 8 — с линией слива. Под действием крутящего момента ротор ГМ начнет поворачиваться. Одновременно начнет вращение и гайка 5, которая через винт 4 приведет в движение золотник 3 по направлению к его нейтральному положению (влево). При непрерывной подаче управляющих импульсов вал ГМ будет вращаться со скоростью, пропорциональной частоте следования импульсов.
Принципиальная схема ЭГСП (Д) с импульсным управляющим сигналом постоянной длительности и с постоянными амплитудой и частотой с ГИУ в виде ГЦ и с механической обратной связью приведена на рис. 143, б.
Рис. 143. Принципиальные схемы импульсных ЭГСП (Д)
При отработке одного управляющего импульса вал шагового двигателя 1 поворачивает зубчатое колесо 9 механического редуктора-сумматора 10. Колесо 9 через сателлиты 8 и обойму 6 приводит во вращение золотник 5, который, смещаясь от своего нейтрального положения, соединяет одну полость ГЦ 4 с линией нагнетания, а другую — с линией слива. При движении выходного звена ГЦ через рейку 3 приводится во вращение зубчатое колесо 2, которое, вращая внешнее колесо 7 редуктора-сумматора, через сателлиты 8 и обойму 6 возвращает золотник 5 в нейтральное положение. При непрерывной подаче управляющих импульсов шток ГЦ будет перемещаться со скоростью, пропорциональной частоте следования импульсов.
Рис. 144. Структурные схемы импульсных ЭГСП (Д):
а — с ГИУ в виде ГЦ (см. рис. 144, б); б — с двухкаскадным ЭГУ (см. рис. 144, в); K — коммутатор, подающий управляющий сигнал на обмотки ШД; Wшд(р) - передаточная функция ШД; ?шд— координата, характеризующая поворот вала ШД; kр — коэффициент передачи редуктора; kМОС — коэффициент обратной связи; W2(p) — передаточная функция второго каскада ЭГУ сопло-заслонка.
Принципиальная схема ЭГСП (Д) с двухкаскадным ЭГУ с импульсным управляющим сигналом приведена на рис. 143, в. При отработке одного управляющего импульса вал шагового двигателя 7 через редуктор-сумматор 5 поворачивает заслонку 4. При смещении заслонки от нейтрального положения в рабочих полостях A и Б второго каскада возникает перепад давлений, под действием которого золотник второго каскада 2 поворачивается в том же направлении, что и заслонка. При отклонении золотника 2 от его нейтрального положения начинает движение выходное звено ГЦ 1, которое через рейку 9 и зубчатое колесо 8 приводит в движение механизм главной обратной связи (от ГЦ на редуктор-сумматор), аналогичный по принципу действия механизму обратной связи (см. рис. 143, б).
Структурные схемы ЭГСПД (Д) с импульсным управлением приведены на рис. 144.
Назад | Содержание
| Вперед
Механизм работает следующим образом. При поступлении управляющего сигнала на вход усилителя мощности 1 этот сигнал усиливается до определенной величины и подается на ЭМП, якорь 2 которого жестко связан с заслонкой 3 гидравлического мостика «сопло-заслонка». Под действием управляющего момента, развиваемого ЭМП, его якорь отклоняется на угол, пропорциональный величине тока в управляющих обмотках в ту или иную сторону в зависимости от знака управляющего сигнала. Ha управляющих торцах золотника 4 развивается управляющий перепад давлений, который смещает этот золотник, например, налево. При этом поршень 7 поворотного ГИУ соединяется с линией нагнетания вспомогательного насоса, а поршень 6 соединяется с линией слива. Под действием возникшего перепада давлений (пропорционального нагрузке на регулирующем органе 8 гидромашины) поворотный ГИУ поворачивает регулирующий орган вокруг оси 5 по часовой стрелке. При движении регулирующего органа гидромашины через тягу 9 обеспечивается движение поршней 10 направо. При таком движении синхронизирующие пружины ЭГУ будут деформироваться так, что вдоль оси золотника будет создаваться усилие обратной связи, направленное в противоположную сторону по сравнению с усилием от управляющего перепада давлений. Движение поворотного ГИУ и, следовательно, поворот регулирующего органа гидромашины будут продолжаться до тех пор, пока указанные усилия (усилие управления и усилие обратной связи) не сравняются, и золотник не займет нейтральное положение.
Рис. 148. Схемы ГСП (OM) с гидравлическим усилителем:
а - принципиальная; б - структурная
Принципиальная и структурная схемы ЭГСП (O) с рассмотренным выше МУ изображены на рис. 150, а, б соответственно.
Для обеспечения высокой точности управления ЭГСП (O) по угловой скорости OP в ЭГСП вводится дополнительный (внутренний) контур обратной связи по скорости, реализуемый с помощью датчика угловой скорости (рис. 151). Чаще всего в качестве такого датчика применяется тахогенератор. Тахогенератор ТГ приводится во вращение от вала ГМ через редуктор P1, а датчик угла через редуктор P2. Электрическая обратная связь от выходного каскада ЭГУ обеспечивается с помощью индукционного датчика линейного движения ИД1, якорь которого кинематически связан с золотниковым гидрораспределителем.
Электрическая обратная связь от ГИУ МУ реализуется с помощью индукционного датчика ИД2 поворотного движения, якорь которого кинематически связан с осью вращения регулирующего органа насоса H.
Рис. 149. Схемы МУ с электрическим управлением: а — принципиальная; б — структурная
Следует отметить, что кроме рассмотренных выше принципиальных схем ЭГСП (O) в технике известны ЭГСП (O), включающие и обратную связь по скорости ГИУ МУ, что позволяет управлять ускорением объекта регулирования; для компенсации влияния внешнего возмущения применяются обратная связь (положительная) по перепаду давлений в трубопроводах ГПО, действующая в полосе малых частот и изменяющая свой знак на высоких частотах для обеспечения необходимых запасов устойчивости (за счет увеличения относительного коэффициента демпфирования ?0 передаточной функции силовой части ГПО), и целый ряд других устройств, которые описаны в специальных работах по ЭГСП (О) (см., например [8, 15]). Здесь ограничимся только теми схемами ЭГСП (O), которые были рассмотрены выше.
Рис. 150. Схемы ЭГСП (O)
Рис. 151. Схемы ЭГСП (О) с дополнительной ОС по скорости: а – принципиальная; б – структурная.
Назад | Содержание
| Вперед
