Цифровые технологии гарантируют безопасность гидросистем

Предохранительные клапаны защищают гидросистемы от давления, превышающего установленное значение. Они могут работать в аварийном режиме, пропуская рабочую жидкость (РЖ) из напорной линии в сливную только при перегрузке, или в переливном, поддерживая заданное давление путём непрерывного перепуска части потока РЖ в бак во время работы. Следует иметь в виду, что в последнем случае имеют место значительные потери мощности P_пот = р∙Q/60, кВт, где р – давление настройки клапана, МПа; Q – расход рабочей жидкости, проходящей через клапан, л/мин.

В серийно выпускаемых предохранительных клапанах непрямого действия, например, типа МКПВ (РУП "Гомельский завод "Гидропривод") [1], предусматривается исполнение с электроразгрузкой, позволяющее сбрасывать заранее настроенное вручную давление до 0,2...0,3 МПа с помощью соответствующего электрического сигнала управления. Таким образом, в гидросистеме возможны два уровня давления: рабочее (в пределах технической характеристики клапана) и давление разгрузки.

Вместе с тем, в современных гидроприводах требуется интеллектуальное управление основным параметром (рабочим давлением) с целью повышения их энергоэффективности и качества работы. В частности, ставятся задачи программного или дистанционного изменения давления настройки, регулирования рампы (скорости изменения давления) с целью исключения нежелательных гидроударов, высокоточной стабилизации давления, надёжной связи с шинным сетевым интерфейсом. Для решения этих задач широко применяются гидроаппараты, укомплектованные пропорциональными электромагнитами (ПЭМ) со штатным аналоговым сигналом управления ± 10 В [2], что плохо согласуется с общей мировой тенденцией опережающего развития сквозных цифровых технологий и имеет ряд принципиальных технических и экономических ограничений.

• При работе ПЭМ трудно обеспечивается линейность характеристики и для получения высокого качества регулирования требуется установка прецизионного датчика обратной связи и подходящего согласующего электронного драйвера. Большую нестабильность вносят в аналоговый элемент также дрейфы сигнала управления.
• Аналоговый ПЭМ существенно ограничивает точность регулирования давления из-за того, что предельно малые сигналы управления буквально "тонут" в электрических шумах особенно при наличии длинных соединительных линий. Защита от интерференции и электрических шумов требует тщательной экранизации электрокабелей и чаще всего не даёт 100%-го эффекта.
• ПЭМ является весьма сложным и дорогим прецизионным линейным двигателем, имеющим значительные габаритные размеры и массу подвижных частей при ограниченном тяговом усилии.
• ПЭМ в комплекте с электронным драйвером, как правило, - оригинальная разработка фирмы, поставляющей пропорциональные гидроаппараты, поэтому в эксплуатации ремонт ПЭМ и драйвера чрезвычайно затруднителен.
• Имеющиеся технологические сложности изготовления ПЭМ и электронных драйверов существенно увеличивают стоимость пропорциональных гидроаппаратов, затрудняют освоение серийного производства высококачественных моделей отечественными предприятиями.

Таким образом, наличие аналогового элемента (ПЭМ) в цифровых приводах делает их лишь "условно цифровыми".

С целью устранения вышеуказанных недостатков в ЭНИМСе разработана новая гамма предохранительных клапанов (Патент РФ RU 2517951) с управлением от серийно выпускаемых задающих шаговых электродвигателей (ШД), являющихся цифровыми электрическими машинами.

Предохранительный клапан ПК10 (рис.1) состоит из первого каскада 1, полностью унифицированного с соответствующим каскадом серийно выпускаемого аппарата МКПВ 10/3С, и оригинального сервоклапана 2 с задающим ШД 10 и устройством поиска исходного (нулевого) положения.

Рис. 1

Сервоклапан содержит седло 3, конусный запорный элемент 4, пружину 5, винт 6 с левой резьбой, закреплённый на валу ШД, гайку 7, шпонку 8 и уплотнительную втулку 9; устройство поиска исходного положения - плату 19, винт 16, сухарик 18, рычаг 15 с плоской пружиной 13, микровыключатель 14, стойку 17, исключающую возможность поворота сухарика, штепсельный разъём 11, ведущий штифт 20 и кожух 12.

Поскольку винты 6 и 16 имеют разнонаправленные резьбы, при вращении вала ШД гайка 7 и сухарик 18 одновременно приближаются к ШД или удаляются от него. В исходном положении гайка и сухарик находятся в некотором промежуточном положении. При запуске гидропривода в работу микровыключатель активирован рычагом 15 и на ШД поступают импульсы в направлении сближении гайки и сухарика до тех пор, пока сухарик не встретится с рычагом и не отключит микровыключатель 14 в исходном положении. Далее ШД реверсируется и поворачивается на определённый угол, соответствующий требуемому давлению (или на угол, определяемый сигналом уставки датчика давления в системе, замкнутой по давлению). При этом смещающаяся влево гайка 7 сжимает пружину 5 и через запорный элемент изменяет давление настройки клапана. Возможно также программирование цикла включения и без возврата в исходное (нулевое) положение, впрочем, запуск насоса при низком давлении чаще всего предпочтителен. Имеется исполнение аппарата с бесконтактным выключателем (БВК) контроля исходного положения.

Установленный на испытательном стенде предохранительный клапан показан на рис. 2 (на переднем плане - датчик давления).

Рис. 2

Статическая характеристика клапана (зависимость давления настройки от угла поворота вала ШД) показана на рис. 3, а динамическая - изменение давления настройки во времени - на рис. 4.

Из последней характеристики видно, что минимальное время изменения давления от 1 до 19 МПа не превышает 0,2 с (при необходимости переходные процессы нарастания и сброса давления могут изменяться в широких пределах в сторону увеличения времени срабатывания путём соответствующего программирования ШД).

Рис. 3

Рис. 4

При работе предохранительного клапана в разомкнутом режиме (без датчика давления) давление настройки р существенно изменяется при изменении проходящего через клапан расхода Q рабочей жидкости. Типовые кривые зависимостей р = f(Q) показаны на рис. 5.

Рис. 5

В замкнутой системе отклонение давления от настроенной величины не превышает ± 0,02 МПа в диапазоне расходов от 68 л/мин (подача насоса испытательного стенда) до 0,7 л/мин.

При использовании предохранительного клапана в гидросистеме, замкнутой по давлению, необходимо провести анализ его работы в случае снижения давления по причине, независящей от функционирования этого клапана (например, из-за уменьшения нагрузки на гидроцилиндре). В результате датчик давления будет выдавать сигнал на увеличение давления настройки клапана до максимально возможной величины, а после подхода гидроцилиндра к жёсткому упору возможен резкий пик давления.

В процессе экспериментальной проверки программой устанавливалось максимальное давление 14 МПа и давление настройки клапана 5 МПа, после чего насос отключался и включался вновь. Из осциллограммы изменения давления после повторного включения насоса (рис. 6) видно, что пик давления достигает 9 МПа, после чего давление уменьшается до настроенной величины (5 МПа).

Рис. 6

Рис. 7

С целью исключения этого явления программно был установлен максимально допустимый порог увеличения давления Δр от давления настройки. На рис. 7 показана осциллограмма, снятая при Δр = 1 МПа, из которой видно, что пик давления снизился до 1,9 МПа, что вполне допустимо.

Разработано исполнение клапана (рис. 8) с встроенным датчиком давления (преобразователем давления измерительным типа БД ПД-Р, И, (0...250 бар), 0.5, 0...10 VDC, М12×1,5). Появляется возможность комплектной поставки аппарата для работы в замкнутой системе с обратной связью по давлению.

Дальнейшим развитием конструктивного ряда цифровых предохранительных клапанов явилось создание аппарата с задающим эксцентриком (рис. 9). В этом варианте ШД 1 через втулку 2 с эксцентричным шипом и подшипником 3 перемещает в осевом направлении подпружиненный ползун 4, изменяющий натяжение пружины 5 конусного запорного элемента 6 и, следовательно, - давление настройки предохранительного клапана. Максимально возможный угол поворота втулки 2 (90^о) ограничен стопором 7.

Рис. 8

Рис. 9

Учитывая, что количество импульсов, соответствующее углу поворота 90^о, составляет 1600 (при количестве импульсов на один оборот вала 6400), можно сделать вывод о возможности тонкого регулирования давления. При отключении ШД предварительно сжатая пружина 8 возвращает ползун в исходное положение, в котором пружина 5 полностью разгружается. Таким образом, исключается необходимость в устройстве поиска исходного положения, а если необходим его электрический контроль, на заднем валу ШД может устанавливаться рычажок, воздействующий на микровыключатель или БВК. Испытания опытного образца дали положительные результаты.

Рис. 10

Модуль управления предохранительным клапаном (рис. 10) обеспечивает программирование от компьютера параметров работы (заданное давление, время набора максимального давления - рампа, начальное давление, допустимый порог увеличения давления, зона нечувствительности аналого-цифрового преобразователя сигналов датчика и др.). Предусмотрены режимы работы модуля в замкнутой по давлению или разомкнутой системе. Разработанное для работы с модулем программно-математическое обеспечение позволяет изменять давление во время работы оборудования по программе, задаваемой компьютером.

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

Список литературы

1) Станочные гидроприводы: Справочник / В. К. Свешников. - 6-е изд. перераб. и доп. - Спб.: Политехника, 2015. - 627 с.: ил.

2) Свешников В.К. Гидрооборудование: Международный справочник. Книга 2. Гидроаппаратура: Номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость. ООО "Издательский центр "Техинформ" МАИ", 2002. - 508 с.: ил.

В статье использованы фото авторов