Понятие следящего гидропривода
Во время ручного или автоматического управления оборудованием нередко требуется обеспечить точное перемещение рабочего узла и возможность его остановки в любом выбранном промежуточном положении. Для решения таких задач применяются следящие приводы. Они позволяют передавать движение от оператора или управляющей системы к рабочему элементу машины, сохраняя заданное соотношение между входным и выходным воздействием, а также обеспечивают значительное усиление по усилию, крутящему моменту и мощности.
где у – перемещение выходного звена (ВЗ) привода;
kx – передаточный коэффициент СП;
х – входное управляющее воздействие;
Pвых/Mвых и PВХ/MВХ – силы (момент сил) выходного и входного воздействий;
Kp – коэффициент усиления по силе и моменту сил;
Ny и Nx – мощность выходного и входного воздействий;
kN – коэффициент усиления по мощности.
Коэффициент усиления по мощности СП kN можно приближенно представить в виде kN=kxkp
Входным сигналом в следящих приводах может служить перемещение, давление рабочей среды или электрическое напряжение. В зависимости от этого различают приводы с механическим, гидравлическим, пневматическим или электрическим способом управления.
Следящие приводы нередко используются как часть более крупных гидравлических или пневматических систем, выполняя в них обслуживающие функции. В этом случае такие устройства называют сервоприводами, гидроусилителями либо приборными следящими приводами. Приборные следящие приводы обычно обладают мощностью в пределах 1–2 кВт. Приводы с дроссельным управлением, как правило, работают в диапазоне 2–10 кВт. А более мощные системы, управляющиеся от машинных устройств, могут достигать мощности до 200 кВт.
Основной принцип работы следящих систем основан на постоянном сопоставлении управляющего входного сигнала с положением выходного элемента. Поток рабочей среды регулируется пропорционально разности этих величин, что позволяет добиться высокой точности движения. Чтобы лучше понять, как работает такая система, рассмотрим конкретный пример следящего привода.
На рис. ZSK.10.1 представлен следящий гидропривод приборного типа (гидроусилитель), который применяется для регулирования подачи мощного объемного насоса. Конструктивно в общем корпусе размещены три основные узла: исполнительный механизм, дросселирующий гидрораспределитель и объемный гидродвигатель.
Дросселирующий распределитель включает в себя золотник 4, который удерживается в центральном (нейтральном) положении при помощи фиксатора 6, а также распределительную втулку 5, обеспечивающую формирование рабочих каналов для прохода жидкости.
Объемный гидродвигатель состоит из цилиндра 2 с торцевыми крышками и дифференциального поршня 3, создающего усилие в соответствии с подачей рабочей жидкости в соответствующие полости.
Управляющий сигнал подается посредством перемещения тяги 7, соединенной с золотником 4. При смещении золотника относительно втулки изменяются проходные сечения рабочих каналов, что вызывает перераспределение потоков жидкости и, как следствие, движение дифференциального поршня. Благодаря этому обеспечивается плавное и точное регулирование подачи насоса, а также возможность работы гидропривода в следящем режиме с обратной связью.
Рис. ZSK.10.1. Следящий гидропривод приборного типа
В данной конструкции выходным звеном следящего привода приборного типа выступает вилка 8, соединённая с цилиндром 2. Через цапфу она передаёт усилие на поворотный блок цилиндров регулируемого объёмного насоса (сам насос на рис. ZSK.10.1 не показан). Таким образом, именно вилка обеспечивает непосредственное воздействие на исполнительный механизм регулируемой машины.
Рабочая жидкость в систему подаётся от вспомогательной насосной установки (также отсутствующей на схеме). Поток жидкости поступает во входной канал А, откуда направляется в подпорную полость цилиндр Б, обеспечивая предварительное давление для корректной работы исполнительных элементов. Далее поток проходит в межпоясковую камеру В золотникового распределителя.
Золотник 4 имеет три пояска (буртика). При его смещении в одну или другую сторону средний буртик открывает или перекрывает каналы, соединяя рабочую полость цилиндра Г либо с напорной камерой В, либо со сливной полостью корпуса 1. Таким образом, осуществляется управление движением дифференциального поршня, а вместе с ним – и выходного звена (вилки 8).
Следует отметить, что принцип работы остаётся общим для большинства приборных следящих приводов: управляющий сигнал вызывает смещение золотника, что изменяет гидравлический баланс в цилиндре, и, как результат, приводит в действие выходное звено.
Вне зависимости от конструктивного исполнения, функциональная схема следящего привода может быть представлена в обобщённом виде (см. рис. ZSK.10.2). Комбинируя различные элементы – насосы, гидрораспределители, дроссели, обратные связи, – можно получить разнообразные типы следящих гидроприводов, которые будут различаться по:
- характеру передачи движения (поступательное, поворотное или вращательное);
- методу управления (механическое, электрогидравлическое, электромеханическое и т. д.);
- точности работы (обычные, высокоточные, приборные);
- быстродействию и диапазону регулирования.
Рис. ZSK.10.2. Структура следящих приводов:
ВП – входная передача; ДР – дросселирующий распределитель; ОД – объемный двигатель; ИП – источник питания; СП – силовая передача; ОС – обратная связь
Следящие приводы подразделяются на гидравлические и пневматические, при этом наибольшее распространение получили именно гидравлические исполнения. В состав таких систем входят различные элементы и схемы построения, обеспечивающие точное управление движением рабочих органов машин.
В гидравлических следящих системах применяются:
- регулируемые насосы с возможностью изменения давления, дополнительно оснащённые предохранительными клапанами;
- нерегулируемые насосы в комплекте с гидроаккумулятором и разгрузочным клапаном;
- схемы с нерегулируемыми насосами, оснащённые перепускным клапаном и регулятором расхода жидкости;
- дроссельные распределители непрерывного действия, различных конфигураций: четырёх-, двух- и однощелевые. Управление в них может быть механическим, электрическим, гидравлическим, пневматическим или комбинированным;
- распределительные элементы золотникового или кранового типа. Золотниковые, в свою очередь, делятся по конструкции на цилиндрические и плоские. Они могут иметь закрытый центр (с положительным перекрытием), открытый центр (отрицательное перекрытие), а также дросселирующие щели в центральной зоне (незначительное отрицательное перекрытие).
Также в состав привода входят объёмные гидродвигатели различных типов:
- с односторонним штоком и дифференциальной конструкцией;
- с двухсторонним штоком;
- поворотные двигатели (в том числе поршневые и шиберные);
- моторы аксиально-поршневого типа с наклонной шайбой или наклонным блоком цилиндров;
- радиально-поршневые, шестерёнчатые и пластинчатые (лопастные) модели.
Входная передача в следящем гидроприводе играет ключевую роль, так как именно через неё осуществляется передача управляющего воздействия от командного звена (задатчика) к исполнительным органам дросселирующего распределителя – будь то золотник, втулка с прорезями или иной регулирующий элемент. В ряде конструктивных решений входная передача дополнительно выполняет функцию сравнения входного управляющего сигнала с обратной связью, например, при использовании дифференциального рычага. Такой подход позволяет упростить схему управления и повысить точность согласования входа и выхода.
Силовая передача соединяет объёмный гидродвигатель с выходным звеном привода. В зависимости от требований к приводу и особенностей его применения она может быть реализована различными способами:
- винтовая передача – используется в приводах, где необходимо преобразование вращательного движения в поступательное;
- зубчатая передача – применяется для передачи вращения при необходимости увеличения момента или изменения частоты вращения;
- рычажная система – обеспечивает простую и надёжную кинематическую связь при относительно небольших нагрузках.
В конструкциях приборного типа силовая и входная передачи иногда могут отсутствовать как отдельные элементы. Их функции тогда берут на себя простые соединительные узлы – муфты, опорные валы, подшипники, которые выполняют роль базовых механических связей между основными частями привода.
Обратная связь (ОС) является обязательным элементом следящей системы, так как именно она обеспечивает сам принцип слежения. Кинематическая связь между выходным звеном и подвижным элементом дросселирующего распределителя (ДР) реализуется различными способами:
- механическая ОС (наиболее распространённая) – реализуется рычагами, зубчатыми и винтовыми передачами, а в упрощённых случаях – муфтами или валами прямого соединения;
- гидромеханическая ОС – сочетает элементы механической передачи и гидравлических каналов, что позволяет повысить плавность работы и точность регулирования;
- гидравлическая и пневматическая ОС – используется в системах, где предпочтительно уменьшить количество механических звеньев, а также снизить инерционность системы;
- непосредственная ОС – выходное звено напрямую соединено с органом дросселирующего распределителя, что обеспечивает компактность и высокое быстродействие.
Несмотря на то, что конкретные исполнения следящих гидроприводов могут сильно различаться – от простейших устройств до сложных многозвенных систем, – все они обладают общими свойствами: наличие управляющего воздействия, исполнительного органа, механизма передачи усилий и канала обратной связи. Именно эти универсальные признаки позволяют применять единый методический подход к проектированию и расчёту, что облегчает выбор параметров и упрощает унификацию конструкций для различных областей применения – от станков с ЧПУ и робототехники до авиационных и судовых систем управления.