Следящий гидропривод

В рассмотренном ранее гидроприводе возвратно–поступательного движения происходит простое перемещение поршня из одного крайнего положения в другое с преодолением нагрузки Р вдоль штока.

В тракторных, автомобильных системах управления, в гидрокопировальных станках и системах гидроавтоматики применяют следящие гидроприводы (бустеры), в которых шток силового цилиндра должен автоматически следовать за перемещением рукоятки управления.

В таких следящих системах исполнительный шток развивает большее усилие, чем приложено к органу управления. Поэтому следящий гидроприводов еще называют гидроусилителем.

Рассмотрим принцип действия такого привода (рис.13.27) золотникового типа.

Рис.13.27

Двигая ручку управления 1, например, вправо, мы перемещаем командный золотник 2, который через золотниковые окна и каналы 3 (гибкие шланги) направляет жидкость под давлением в левую полость силового цилиндра 4 и соединяет со сливом правую его полость. Под действием давления, создаваемого насосом, поршень 5 перемещается вправо вместе с корпусом золотника 6 до тех пор, пока не перекроются каналы золотника, по которым жидкость подается в цилиндр и отводится от него.

При перемещении ручки с золотником влево давление будет подведено в правую полость цилиндра, и поршень будет перемещаться влево.

Таким образом, исполнительный шток 7, связанный, например, с рулевой тягой трактора, следует за всеми движениями золотника 2, но развиваемое им усилие во много раз превышает то, которое прикладывается к золотнику.

Рассмотрим теперь основные характеристики гидроусилителя как силового привода. Выведем формулы для усилия на исполнительном штоке гидроусилителя, к.п.д. гидроусилителя и развиваемой им мощности.

Давление, подведенное к гидроусилителю р_о, расходуется на преодоление усилия вдоль исполнительного штока и на гидравлическое сопротивление:

,

где , - перепад давления в гидроцилиндре;

,

где Р – усилие на штоке; - площадь поршня, за вычетом площади штока; - суммарная потеря давления на пути движения жидкости от входа в гидроусилитель до выхода.

Гидравлические потери происходят в основном в двух частично перекрытых золотниковых окнах и подчиняются квадратичному закону в функции скорости (расхода):

,

где - коэффициент сопротивления золотникового окна; V – скорость течения жидкости в золотниковом окне.

Считая окно прямоугольным, шириной в, получим уравнение расхода

Q = Vω = Vвх;

,

где V – скорость перемещения поршня гидроцилиндра.

Тогда

, (13.3)

где .

Величину К можно принять постоянной.

Считая давление насоса постоянным и пренебрегая потерями в подводящих трубах, получим

.

При отсутствии нагрузки (Р=0, ) и полном открытии окон (х=х_max) определим К из выражения (13.3)

. (13.4)

Подставив (13.4) в (13.3) и решив относительно , получим

где ; ; ; - степень открытия золотниковых окон; - относительный расход (скорость).

Сила исполнительного штока (нагрузка)

.

Относительная нагрузка

.

Полученное уравнение позволяет построить сетку так называемых статических характеристик гидроусилителя, т.е. для разных значений .

График (рис.13.28) построен для положительных и отрицательных значений , т.е. для движения золотника и штока, следовательно, и жидкости как в одном, так и в другом направлении.

Рис.13.28

Из графика видно, что лишь при малых скоростях V перемещения исполнительного штока усилие на нем приближается к максимально возможному значению: . Чем быстрее перемещается исполнительный шток, тем меньшую нагрузку он преодолевает.

Там, где кривые пересекают ось абсцисс, нагрузка на штоке меняет свой знак, т.е. превращается в силу, тянущую шток в направлении движения. При этом происходит дальнейшее увеличение его скорости, а гидроцилиндр переходит в режим насоса.

Таким образом, на графике (рис.13.28) в квадрантах I и III гидроцилиндр работает в режиме гидродвигателя, совершающего работу преодоления нагрузки, а в квадрантах II и IV – в режиме насоса, нагнетающего жидкость в том же направлении, что и основной насос.

Статические характеристики гидроусилителя можно построить и в другой системе координат (рис.13.29).

Решим уравнение относительно :

и построим зависимость для разных значений . Мы получим ряд прямых, угол наклона которых к оси тем меньше, чем больше нагрузка на исполнительном штоке. При характеристика гидроусилителя совпадает с осью абсцисс, а это значит, что скорость исполнительного штока равна нулю.

Рис.13.29

На характеристики гидроусилителя влияет так называемое перекрытие золотника, т.е. соотношение ширины золотникового поршня h к ширине золотникового окна t (рис.13.30).

В связи с этим различают идеальный золотник, у которого h=t, золотник с положительным перекрытием h>t, золотник с отрицательным перекрытием h<t. За величину перекрытия принимают

.

Характеристика, приведенная на рис.13.28, 13.29, относится к идеальному золотнику (с=0).

Рис.13.30

В случае золотника с положительным перекрытием на его характеристике получается зона нечувствительности размером 2с, что является недостатком, но благодаря этому повышается герметичность.

В проточном золотнике имеют место утечки жидкости из напорной линии в сливную, следовательно, и потери мощности, но зона нечувствительности практически отсутствует, так как даже при очень малом смещении золотника от нейтрального положения в силовом цилиндре возникает перепад давления.

К.п.д. гидроусилителя - отношение секундной работы, совершаемой исполнительным штоком, к мощности потока жидкости, подаваемой на гидроусилитель:

.

Следовательно, к.п.д. гидроусилителя численно равен относительной нагрузке на штоке и меняется по тому же закону, что и .

Полезная мощность гидроусилителя , относительная мощность определяется отношением

.

Используя формулу и учитывая, что , получим

. (13.5)

Наибольшая мощность получается при определенном значении .

Найдем это значение.

При вместо выражения (13.5) получаем

.

После дифференцирования по приравниваем производную нулю:

.

Отсюда оптимальный относительный расход

;

максимальная относительная мощность

При этом максимальная относительная нагрузка на штоке и к.п.д. гидроусилителя равны (при ):

.

Теперь определим максимальную мощность по начальным параметрам

.

Характеристики при различных , построенные по выражению (13.5), представлены на рис.13.31.

Рис.13.31

В следящих системах, кроме гидроусилителей золотникового типа, широко применяют гидроусилители типа сопло-заслонка и со струйной трубкой.