Цифровой линейный электрогидравлический привод

Электрогидравлическое пропорциональное и сервоуправление находят все более широкое применение в современном машиностроении, позволяя обеспечить быстрые, мягкие и точные перемещения тяжело нагруженных рабочих органов самых разнообразных машин, надежную защиту от перегрузки, высокую плотность мощности, широкодиапазонное регулирование скоростей, сил и моментов, возможность энергосбережения и аккумулирования энергии, самосмазываемость и исключительную надежность в экстремальных условиях эксплуатации. При этом опережающее развитие получают цифровые технологии, обладающие целым рядом существенных преимуществ перед аналоговыми.

ЭНИМСом в содружестве со СТАНКИНом разработан, изготовлен и испытан новый цифровой линейный электрогидравлический привод Л-100, соответствующий современным мировым тенденциям в данной области техники.

Привод (рис. 1) состоит из следующих основных деталей и узлов: гильзы 1, поршня 2, штока 3, крышек 4 и 5, управляющего гидрораспределителя 6 (Dy = 10 мм), монтажной плиты 7, трубопровода 8 штоковой камеры и линейного позиционного датчика 9. На поршне установлены специальные опорно-уплотнительные элемен- ты с пониженным трением; штоковое уплотнение обеспечивается за счёт малого диаметрального зазора между штоком и бронзовой опорной втулкой 10 и отвода имеющихся утечек в дренажную линию. Управляющий гидрораспределитель содержит цифровой задающий шаговый электродвигатель, который через эксцентрик перемещает управляющий золотник.

При отключении шагового электродвигателя (например, в аварийной ситуации) золотник пружиной возвращается в среднюю (безопасную) позицию, в которой движение штока гидроцилиндра блокируется. Возможна также комплектация привода однокаскадным электрогидравлическим усилителем УГ-134 производства ОАО «Павловский машиностроительный завод «Восход».

Основные параметры привода: рабочее давление р = 16 МПа; размеры гидроцилиндра ∅100∅50х400 мм; развиваемое усилие до 120 кН; максимальная скорость 0,15 м/с; точность позиционирования не хуже 5 мкм; частота (при сдвиге по фазе 90о) 50 Гц; габаритные размеры (длина х ширина х высота) 747х200х298 мм. Присоединительные размеры узла соответствуют международным стандартам.

На основании статического расчета для различных соотношений рабочего давления р и статической нагрузки F построена номограмма (рис. 2), позволяющая по заданным значениям р и F находить соответствующее значение перепада давлений Δр на входной кромке золотника гидрораспределителя.

Зная Δр, МПа, можно определить зависимость между расходом Q масла, поступающего в поршневую камеру гидроцилиндра (или скоростью движения штока, равной Q/А; А – площадь поршня), и смещением золотника х, мм гидрораспределителя по известной формуле:

где f – площадь проходного сечения дросселирующей щели, мм2 (длязолотника с острыми кромками и нулевым перекрытием f =πd3х; d3=16 мм– диаметр золотника).

В качестве примера динамический расчет привода выполнен при следующих начальных условиях: р = 10 МПа; F = 40 кН; приведенная масса подвижных частей m = 1000 кг; угол поворота шагового электродвигателя ± 4,5^°.

В этом случае выражения для фазовой и амплитудной частотных характеристик имеют вид:

где ω – круговая частота задающего гармонического воздействия.

Графики частотных характеристик построены на рис. 3.

Испытания опытного образца привода производились на специальном стенде (рис. 4), в котором в качестве позиционного датчика обратной связи применялся инкрементный угловой фотоэлектрический преобразователь ЛИР-158Б (СКБИС, Санкт-Петербург) с числом импульсов на 1 оборот 2500 и делением на 4, связанный со штоком гидроцилиндра фрикционным роликом ∅15,9 мм (длина развертки 50 мм).

Отработка малых перемещений проверялась при р = 8 МПа и коэффициенте усиления замкнутого привода kу = 200 с-1. Осциллограмма шагания по 10 мкм показана на рис. 5.

Динамические характеристики разомкнутой системы определялись прир = 10 МПа и статической нагрузке F = 40 кН. Как видно из типовой осциллограммы (рис. 6), снятой при частоте 40 Гц, сдвиг по фазе перемещения штока (синяя кривая) от напряжения сигнала управления (красная) составляет 38^о (90^о – начальный сдвиг по фазе перемещения от входного сигнала в разомкнутой системе; ступеньки возникают в результате ограниченного разрешения датчика обратной связи).

Реакция привода на ступенчатое воздействие исследовалась при р = 10 МПа и kу = 100 с-1. Из осциллограммы (рис. 7) видно, что время переходного процесса не превышает 30 мс, а его характер близок к апериодическому.

Для исследования переходных процессов, происходящих при встрече с нагрузкой, был изготовлен специальный нагрузочный гидроцилиндр (рис. 8). В рабочую камеру нагрузочного гидроцилиндра масло подводилось от отдельного насоса Н2 с возможностью разгрузки с помощью гидрораспределителя ГР2 с электроуправлением. В процессе испытаний шток основного гидроцилиндра двигался с определенной скоростью влево при разгруженном насосе Н2, а затем в процессе движения включался электромагнит гидрораспределителя ГР2, и в камере нагрузочного гидроцилиндра появлялось заданное давление нагрузки; при этом записывался переходный процесс изменения скорости движения основного гидроцилиндра.

На рис. 9 показаны переходные процессы в замкнутой и разомкнутой системах при р = 10 МПа и F = 40 кН.

Как видно из результатов исследования, время переходного процесса не превышает 200 мс, а изменения скорости в замкнутой системе не отмечается.

При проверке статической жесткости гидроцилиндр привода устанавливался в определенное положение в замкнутой системе, и поршень нагрузочного цилиндра малым давлением подводился до контакта с его штоком. Далее в нагрузочном цилиндре путём включения электромагнита гидрораспределителя ГР2 (см. рис. 8) резко поднималось давление до 8 МПа (соответствует развиваемому усилию 40 кН) и записывалось перемещение штока основного гидроцилиндра при различных коэффициентах усиления замкнутого привода kу. Полученные осциллограммы показаны на рис. 10.

Из результатов испытаний видно, что при kу = 100 с-1 статическая жесткость привода составляет 200 кН/мм, а при kу = 200 с-1 - 400 кН/мм, причём время переходного процесса не превышает 300 мс.

Точность позиционирования определялась по методике, приведенной в ГОСТ 27843-88 «Станки металлорежущие. Методы проверки точности позиционирования», при одностороннем подходе в заданное положение с нагрузкой 40 кН и без нагрузки. Привод был укомплектован гидрораспределителем УГ-134, р = 12 МПа; kу =200 с^-1. Координата, в которую приходит шток гидроцилиндра, определялась по показаниям позиционного датчика обратной связи. В результате многократного подхода к заданному программой испытаний положению установлено, что разброс показаний не превышает дискретности датчика (5 мкм).

Таким образом, вновь разработанный привод обладает высокими статическими и динамическими характеристиками и может послужить хорошей основой для создания инновационных отечественных технологий со сквозной цифровой формой преобразования управляющих сигналов.

Г.М. Иванов, д. т. н.,
В.К. Свешников, к. т. н., ЭНИМС
И.И. Cазанов, к. т. н., СТАНКИН

Список литературы

1. Свешников В.К. Интеллектуальная гидравлика: приводы с пропорциональным управлением // Конструктор. Машиностроитель. 2011. № 1. С.42–47.

2. Atos. Электрогидравлическое пропорциональное управление: руководство пользователя. F001-8/E.