Принцип действия и области применения

Гидроусилитель - совокупность гидроаппаратов и объемных гидродвигателей, в которой движение управляющего элемента преобразуется в движение управляемого элемента большей мощности, согласованное с движением управляющего элемента по скорости, направлению и перемещению.

Следящим называется регулируемый гидропривод, в котором скорость движения выходного звена изменяется по определенному закону в зависимости от задающего воздействия на звено управления. Выходное звено — это обычно шток гидроцилиндра или вал гидромотора, а звено управления — устройство, на которое подается управляющий сигнал. Название такого привода - "следящий Гидроусилитель" или "следящий гидропривод" - обоснованы тем, что выход такого гидроусилителя автоматически устраняет через обратную связь возникающее рассогласование между управляющим воздействием (входным сигналом) и ответным действием (выходным сигналом).

В большинстве случаев использования следящего гидропривода к функциям слежения добавляются также функции усиления управляющего сигнала по мощности, поэтому следящий гидропривод часто называют гидроусилителем. Гидравлические следящие приводы нашли широкое применение в различных отраслях техники и в особенности в системах управл6ения современными транспортными машинами, включая автомашины, морские суда, самолеты и прочие летательные аппараты.

Следящий гидропривод применяют в тех случаях, когда непосредственное ручное управление той или иной машиной является для человека непосильным (на самолетах кораблях тяжелых автомобилях и тракторах, строительнодорожных и других машинах, а такжё в системах гидроавтоматики металлорежущих станков).

Принцип работы следящего привода заключается в следующем. Изменение условий работы машины или параметров технологического процесса вызывает перемещение задающего устройства, которое создает рассогласование в системе. Сигнал рассогласования воздействует на усилитель, а через него и на исполнительный механизм. Вызванное этим сигналом перемещение исполнительного механизма через обратную связь устраняет рассогласование и приводит всю систему в исходное положение.

Блок-схема следящего привода (рис.1) состоит из следующих основных элементов:

задающего устройства ЗУ, которым формируется сигнал управления, пропорциональный требуемому перемещению исполнительного механизма (датчики, реагирующие на изменение условий работы или параметров технологического процесса);сравнивающего устройства СУ, или датчика рассогласования, устанавливающего соответствие сигнала воспроизведения, поступающего от исполнительного механизма, сигналу управления; усилителя У, которым производится усиление мощности сигнала управления за счет внешнего источника энергии ВИЭ;

исполнительного механизма ИМ, которым перемещается объект управления и воспроизводится программа, определяемая задающим устройством;

обратная связь ОС, которой исполнительных механизм соединен со сравнивающим устройством или с усилителем. Обратная связь является отличительным элементом следящего привода.

 

Рис.1. Блок-схема следящего привода

Величина x = f (t) (перемещение или скорость), сообщаемая задающим устройством сравнивающему устройству, называется "входом", а y = φ (t)(перемещение или скорость), воспроизведенная исполнительным механизмом, - "выходом". Разность (x - y) = ε называется ошибкой слежения или рассогласования системы.

Рассмотрим работу следящего привода на примере принципиальной схемы рулевого управления автомобиля (рис.2).

 

Рис.2. Принципиальная схема следящего рулевого привода автомобиля: 1 - насос (внешний источник энергии); 2 - втулка усилителя; 3 - обратная связь; 4 - исполнительный механизм; 5 - золотник усилителя; 6 - винт; 7 - рулевое колесо (задающее устройство)

 

При прямолинейном движении автомашины все элементы системы рулевого управления находятся в исходном положении. Жидкость из насоса 1 поступает к гидроусилителю золотникового типа. Золотник 5 усилителя занимает нейтральное положение, а в обеих полостях исполнительного механизма 4 установилось одинаковое давление. При необходимости изменить направление движения автомобиля водитель поворачивает рулевое колесо 7. Связанный с рулевым колесом винт 6 перемещает золотник усилителя на величину x, вызывая рассогласование в системе. При этом проходные сечения одних рабочих окон усилителя уменьшаются, а других увеличиваются. Это создает перепад давлений у исполнительного механизма, а его поршень приходит в движение, перемещаясь на величину y и поворачивая колеса автомобиля. Одновременно через обратную связь 3 движение поршня передается на втулку 2 усилителя. Совокупность 2 и 3 является сравнивающим устройством. Втулка перемещается в том же направлении, что и золотник 5 до тех пор, пока рассогласование в гидросистеме, вызванное поворотом рулевого колеса, не будет устранено. При непрерывном вращении водителем рулевого колеса поршень со штоком будет также непрерывно перемещаться, вызывая соответствующий поворот колес. При этом небольшие усилия водителя, прикладываемые к рулевому колесу, гидроприводом преобразуются в значительные усилия на штоке поршня, необходимые для управления автомобилем.

Схема простейшёго следящего гидропривода поперечной подачи суппорта копировального токарного станка показана на рас. 3. Суппорт 5 объединен с выходным звеном гидропривода — подвижным корпусом 4гидроцилиндра, в котором размещено также звено управления — золотниковый гидрораспределитель 9. Поршень 7 гидроцилиндра закреплен на корпусе 6 суппорта. Припродольной подаче суппорта щуп 2 скользит по копиру 3и смещает гидрораспределитель, который открывает доступ жидкости из подводящей гидролинии 1 в большую полость 8 гидроцилиндра. Это вызывает смещение корпуса 4 с закрепленным на нем резцом, повторяющее смещение гидрораспределителя. Приэтом щель, соединявшая полость 8 с подводом 1 перекрывается, чем осуществляется прямая обратная связь выходного и задающего звеньев. Она восстанавливает равновесие в системе после исполнения управляющего сигнала. Непрерывное протекание процессов рассогласования и восстановления представляет слежение выходного звена закомандой задающего.

Схема широко распространенного гидроусилителя с рычажной связью между звеньями показана на рис. 3.1. В нем выходному звену, штоку 6, сообщаются движения, согласованные с определенной точностью с перемещением звена управления, Тяги 2, при требуемой усилении входной мощности.

Для обеспечения сложения выходного звена 6 за перемещёнием звена управления 2 обычно применяют отрицательную обратную связь, передающую движения выходного звена на звено управления для уменьшения, управляющего сигнала. Действие этойсвязи сводится к тому, что движение звена управления в сторону открытия расходных окон распределителя - 5 вызывает движение выходного звена, направленное на их закрытие.

Обратная связь в схеме, представленной на рис. 3.1, осуществляется с помощью дифференциального рычага 7, охватывающего распределитель (звено управления) 5 и поршень гидродвигателя 3 со штоком 6 (выходное звено). При перемещении тяги 2, связанной с ручкой управления, перемещается точка 1 дифференциального рычага 7, о которым связаны штоки силового цилиндра 4 и распределителя 5. Так как силы, противодействующие смещению золотника распределителя, несравненно меньше соответствующих сил, действующих в системе силового поршня 3, точку 6 штока можно рассматривать в начале движения тяги 2 как неподвижную, ввиду чего перемещение тяги вызовет через рычаг 7 смещение золотника распределителя 5. В результате при смещении его из центрального положения на величину превышающую перекрытие (m - t)/2 (рис. 3.66, а), жидкость поступит в соответствующую полость цилиндра 4, что вызовет перемещение поршня 3(а, следовательно, и движение точки 8 в ыходного звена б) на некоторое расстояние, пропорциональное перемещению тяги 2.

 

Рис. 3. Схема следящего гидропривода копировального станка,

Рис. 3.1. Схема гидроусилителя с механической обратной связью

 

Если движение тяги 2 прекратится, продолжающий перемещаться поршень 3 сообщит через рычаг 7 золотнику распределителя 5 перемещение, противоположное тому, которое он получал до этого при смещении тяги 2. При атом расходные окна распределителя будут в результате обратного движения его плунжера постепенно прикрываться, скорость поршня 3 будет уменьшаться до тех пор, пока золотник не придет в положение, при котором окна распределителя полностью перекроются и движение поршня прекратиться. При смещении золотника распределителя в противоположную сторону движение всех элементов регулирующего устройства происходит в обратном направлении.

В действительности отдельных (ступенчатых) этапов движения управляющего и выходного звеньев рассматриваемого следящего привода не существует, а оба движения протекают почти одновременно, т. е. имеется не ступенчатое, а непрерывное слежение исполнительным механизмом за перемещением звена управления. После того как выходной сигнал, переданный через обратную связь, становится равным управляющему сигналу, питание гидродвигателя прекращается.

 

Рисунок 3.2

 

Примером использования такого гидроусилителя может служить показанный па рис. 3.2., а механизм управления дляотклонения люльки в крупных регулируемых роторно-поршневых насосах. Гидроусилитель питается по линии 4 от вспомогательного насоса, встроенного в корпус основного насоса. Отклонение и удерживание люльки 1 в отклоненном положении производится поршнями гидроцилиндров и . При отклонении внешнего рычага 8 управления золотник 7 смещается из среднего положения на ход Х и открывает доступ жидкости из линии 4 в один из гидроцилиндров, а другой в то же время соединяет с областью слива 5. Так как люлька 1 связана с золотником 7 и рычагом 8 управления двуплечим рычагом 9 обратной связи, наполнение цилиндра будет происходить только при условии, что скорость смещения золотника, вызываемого поворотом рычага 8, больше скорости перемещения, вызываемого отклонением люльки 1. Если рычаг остановлен при отклонении , то люлька продолжает двигаться, пока не вернет золотник в среднее положение и остановится при угле отклонения , пропорционально . При остановке насоса и прекращении подачи питанияиз линии 4 центрирующая пружина 6 приводит золотник в среднее положение (рис. 3. 2, б). При этом золотник соединяет полости обоих цилиндров с областью слива 5 через щели  и пружины 3 нульустановителя устанавливают люльку также в положение,  подготавливая насос к следующему пуску.

Управление смещением золотника и его обратная связь с люлькой могут быть электрическими. Вэтом случае работа насоса может регулироваться дистанционно и автоматически, например, по командам ЭВМ. Гидроприводы, в которых входным воздействием является электрический сигнал, преобразуемый в перемещение гидрораспределителя называют электрогидравлическими. В них выходное звено отслеживает изменение электрического сигнала, поступающего на звено управления. Рассмотрим простейшие системы для преобразования электрического сигнала в гидравлический.