Интеллектуальная гидравлика: приводы с пропорциональным управлением

Для дистанционного управления перемещением рабочих органов в гидроприводах находят применение гидрораспределители (ГР) с дискретными (включено-выключено) электромагнитами и дросселирующие гидрораспределители (ДГР). Выполняя по существу подобные функции реверса и остановки движения гидродвигателей (ДГР дополнительно с функцией регулирования скорости), эти аппараты имеют кардинальные различия.

Первые отличаются предельной простотой конструкции и, соответственно, низкой стоимостью, способны работать при повышенной степени загрязненности рабочей жидкости, однако для регулирования скорости необходима дополнительная установка дросселей или регуляторов расхода. Вторые отличаются превосходными точностными и динамическими характеристиками, однако они значительно сложнее, требуют сверхпрецизионного изготовления основных деталей и наивысшего качества очистки рабочей жидкости, что многократно увеличивает их стоимость и снижает надежность при эксплуатации.

Естественно возникает вопрос: а нельзя ли создать некоторое промежуточное конструкторское решение, позволяющее объединить преимущества ГР и ДГР, и, возможно исключить присущие им недостатки? Основой для такого решения явилось изобретение пропорционального электромагнита. В этом устройстве (рис. 1) в отличие от дискретных электромагнитов постоянного тока предусмотрена конусная вставка 1 из немагнитного материала, изменяющая форму линий магнитного поля. В результате управляющий ток в катушке 2 создает электромагнитное поле, вызывающее продольное смещение ферромагнитного якоря 3 с силой, пропорциональной силе тока. Якорь взаимодействует с подпружиненным запорно-регулирующим элементом гидроаппарата (золотником, конусом предохранительного клапана, втулкой дросселя), причем наложение линейной характеристики пружины на силовую характеристику магнита показывает, что осевое смещение (ход) якоря пропорционально току управления.

Далее простейшим вариантом является установка пропорционального электромагнита на обычный ГР. В результате мы получаем дополнительную возможность "приоткрывания" золотника, т. е. регулирования скорости движения гидродвигателя, однако практика показывает, что это регулирование очень низкого качества. Причины - недостаточная точность позиционирования, нестабильность расходной характеристики из-за неточности осевого расположения рабочих кромок золотника, повышенный гистерезис в результате сухого трения в подвижных элементах, зависимость расхода от перепада давлений, ограниченные динамические возможности аппарата. Вся последующая история пропорциональной электрогидравлики направлена на борьбу с этими недостатками путем дальнейшего усовершенствования пропорциональных электромагнитов и управляющей электроники, установки дополнительных датчиков обратной связи (ДОС), повышения точности изготовления золотниковой пары, использования ДГР в первом каскаде усиления, введения компенсаторов перепада давлений на рабочих кромках.

При этом пределом целесообразности соответствующих усложнений является сохранение конкурентоспособности по сравнению с ДГР.

Аппараты с пропорциональным электроуправлением применяются в основном для дистанционного управления параметрами гидропривода, возможно также их использование в качестве звеньев замкнутых систем автоматического регулирования. В комплект поставки обычно входит встроенный или расположенный отдельно электронный блок, обеспечивающий согласование с ДОС, стабильность тока управления в обмотке магнита независимо от ее нагрева и колебаний напряжения в сети, пропорциональную зависимость тока управления от входного сигнала, согласование с маломощными управляющими устройствами и стандартными полевыми шинами (CAN-bus, Profibus и др.), возможность линейного нарастания тока управления за время 0,1...5 с при ступенчатом входном сигнале (рампа), регулирования амплитуды осцилляции и установки начального тока (настройка нуля), а также прямого подключения задающих резисторов.

Интенсивное сращивание гидроприводов с электронными системами управления, применение "интеллектуальных" гидрокомпонентов со встроенной электроникой и специальных коммутационных средств (полевых шин) с открытой структурой позволяют успешно сочетать исключительные силовые и динамические качества гидравлики с быстроразвивающимися возможностями микроэлектроники и комплексных систем управления. При этом удается легко выполнить индивидуальные требования заказчика ("припассовку" гидропривода под конкретное техническое решение), открываются перспективы существенного повышения быстродействия, снижения затрат на кабели, повышения помехозащищенности, упрощения калибровки и обеспечения диагностики неисправностей. В электрогидравлических приводах растёт использование цифровых электронных устройств, обеспечивающих быструю обработку данных, простое программирование, повышенную надежность, числовое задание настроек и возможность длительного сохранения информации. Хорошие перспективы и у так называемых ШИМ-усилителей, в которых изменение выходного сигнала достигается за счет широтно-импульсной модуляции. В результате амплитуда и частота генерируемых усилителем импульсов остаются постоянными, а ширина импульса определяется величиной входного сигнала управления.

При этом пульсирующий характер сигнала, поступающего в обмотку пропорционального электромагнита, вызывает соответствующие колебания якоря и, возможно, золотника гидрораспределителя, что позволяет существенно снизить трение и улучшить характеристики аппарата в целом.

Большое значение, особенно в мобильной технике, приобретает существенное уменьшение количества и упрощение трассировки гидролиний. Если при ручном управлении в кабине располагались рукоятки всех гидрораспределителей, соединенных с гидродвигателями (цилиндрами и моторами) многочисленными трубопроводами, то в пропорциональной версии управляющая гидроаппаратура размещена в удобном месте вблизи от соответствующих гидродвигателей, а связь с пультом оператора реализуется электрическими шинами.

Рассмотрим типовые конструктивные решения элементной базы.

На рис. 2 показан двухкаскадный гидрораспределитель с пропорциональным электроуправлением мод. DPZO фирмы Atos, состоящий из гидрораспределителей 3 и 1 первого и второго каскадов, основного золотника 2, позиционных датчиков обратной связи 4 и 5, встроенного микропроцессорного блока управления 6, а также кабелей 8 силового электропитания и 7 - связи с системой управления. Аппарат рассчитан на управление гидроцилиндрами, имеющими равные площади рабочих камер. Существуют специальные исполнения для несимметричных цилиндров, например, РПГП (РУП "ГСКТБ ГА", г. Гомель, Беларусь). Плодотворно работает над созданием пропорциональной техники и ульяновское ОАО "Гидроаппарат".

Поскольку расход рабочей жидкости через пропорциональный распределитель зависит от проходного сечения дросселирующих кромок золотника и перепада давлений Δр на этих кромках, распределители могут комплектоваться модульными приставками (компенсаторами), поддерживающими постоянство Δр. Типовая схема компенсатора показана на рис. 3.

В распределителях с одним пропорциональным электромагнитом могут возникнуть опасные ситуации при отказе системы управления.

Для повышения безопасности в ряде случаев применяют аппараты, в которых пружина в случае отказа устанавливает золотник в крайнюю позицию, обеспечивающую блокировку всех гидролиний. Пропорциональный гидрораспределитель фирмы Parker для мобильной техники показан на рис. 4.

На рынке появляются пропорциональные гидрораспределители, в том числе вставного и ввертного монтажа, с высочайшими характеристиками.

В ряде случаев якорь пропорционального электромагнита может непосредственно воздействовать на запорно-регулирующий элемент гидроаппарата. Такое решение используется в первом каскаде усиления предохранительного клапана непрямого действия типа DBEBE [1] (рис. 5), рассчитанного на давление 35 МПа и максимальный расход до 800 л/мин. На рисунке обозначены: 1 – корпус первого каскада; 2 – пропорциональный электро-магнит; 3 – корпус второго каскада; 4 – надклапанная полость; 5...7 – жиклеры системы управления; 8 – канал управления; 9 – втулка; 10 – запорно-регулирующий элемент (конус); 11 – линия разгрузки; 12 – линия слива управления; 13 – сервоклапан предельного давления (защищает систему от перегрузки при отказе управляющих устройств). Одним из возможных направлений развития пропорциональной техники являются аппараты с управлением от шаговых электродвигателей [2]. В качестве примера на рис. 6 показан разработанный в ЭНИМСе модульный трехлинейный редукционный клапан прямого действия, в котором в качестве задающего устройства использованы шаговый электродвигатель 1, винтовая пара 2 и пружины 3. В линейных электрогидравлических приводах стендов для испытаний гидравлических гасителей колебаний транспортных средств (рис. 7) шаговый электродвигатель ШД через винтовую пару 1 обеспечивает осевое смещение золотника 2, в результате чего шток гидроцилиндра 5 движется в соответствующем направлении и через рейку 4, шлицевое соединение 3 и винтовую пару возвращает золотник в нейтральное положение, после чего движение останавливается. Конечные выключатели КВ1 и КВ2 выдают в систему управления аварийный сигнал при чрезмерном увеличении рассогласования между заданным и фактически отработанным перемещениями штока. В данном случае применение механической обратной связи позволяет существенно упростить систему и обеспечить ее ремонтопригодность в условиях железнодорожных депо. Типичная конструкция двухлинейного регулятора расхода с пропорциональным электроуправлением мод 2FRE [1] ( р = 31,5 МПа, Q = 160 л/мин) представлена на рис. 8. Основные детали и узлы: 1 – корпус; 2 – пропорциональный электромагнит с позиционным ДОС; 3 – втулка-дроссель; 4 – регулятор; 5 – винт ограничения хода; 6 – обратный клапан.

В последние годы появились комбинированные аппараты, обеспечивающие высокоточное пропорциональное регулирование давления и расхода рабочей жидкости. В качестве примера можно указать клапан 4WREQ ( р = 31,5 МПа, Q = 180 л/мин) [1] со встроенной электронной системой управления IAC-P и датчиками давлений в линиях А и В (рис. 9). Магниты имеют быстросменные катушки; предусмотрены возможность быстрого подключения к РС с помощью программного продукта WINPED, а также управление от шин CANopen или Profibus. Аналогичные функции способен выполнять регулятор расхода и давления RPCE07 фирмы Duplomatic (р = 25 МПа, Q = 150 л/мин).

Линейный цифровой серводвигатель (линейная ось) AZP фирмы Atos (рис. 10) содержит сервоцилиндр 1 со встроенным позиционным датчиком, пропорциональный гидрораспределитель 2, цифровой блок управления 3, канал 4 обратной связи по положению штока; разъемы 5 соединения с источником питания, системой управления и сетевой шиной.

Большое влияние развитие техники пропорционального управления оказывает и на современные регулируемые насосы. Одной из новинок фирмы Parker является регулируемый насос с электрогидравлическим р/Q-управлением, в котором регулирование рабочего объема реализовано с помощью встроенного пропорционального распределителя с датчиком обратной связи по положению наклонного диска. В качестве компенсатора давления используется устанавливаемый отдельно предохранительный клапан с пропорциональным электроуправлением. Система управления имеет высокие надежность и быстродействие, она позволяет реализовать управление по давлению, а также электронное ограничение потребляемой мощности. Схема р/Q-управления радиально-поршневым насосом серии RKP фирмы Moog показа на на рис. 11.

В новейшей серии 32 насосов A10VSO фирмы Bosch Rexroth используется система SYDFEC управления от РС, позволяющая бесступенчато регулировать давление и подачу насоса, ограничивать мощность, повысить точность регулирования благодаря использованию датчиков давления и угла поворота наклонного диска, а также повысить быстродействие до уровня, сравнимого с пропорциональными гидроаппаратами.

Возможность высокоточного регулирования основных параметров гидропривода позволяет обеспечить жесткие циклы управления, например в испытательном оборудовании. Вместе с тем для большинства мобильных машин необходимая величина давления в различных переходах рабочего цикла не может быть заранее установлена. Так, при работе экскаватора даже если гарантируется постоянная скорость движения ковша, требуемое усилие определяется свойствами грунта, глубиной погружения, режущими способностями зубьев ковша, климатическими условиями и многими другими факторами. В этих случаях целесообразно использование регуляторов LS (Load Sensing – чувствительность к нагрузке), в которых перепад давлений на дросселе регулирования скорости (возможно пропорциональном) стабилизируется на уровнеΔр = 0,4...1,2 МПа путем изменения фактической подачи насоса в режиме оnline, что обеспечивает минимизацию потерь мощности в гидроприводе.

Насосы с энергосберегающими LS-регуляторами широко используются всеми ведущими инофирмами в гидроприводах мобильных машин. При остановке технологических операций центральный контроллер подает команду на электронный блок двигателя и насосы. В результате снижаются обороты коленвала до частоты холостого хода и устанавливаются подачи насосов, близкие к нулевым. Возобновление технологической операции сопровождается увеличением частоты вращения коленвала и установкой дросселя системы LS в рабочее положение; при этом давление на выходе из насоса стабилизируется на уровне действующего сопротивления нагрузки плюс Δр.

В постсоветском пространстве насосы с пропорциональным электроуправлением предлагают, в частности, РУП "ГСКТБ ГА" (г. Гомель, Беларусь) и ОАО "Пневмостроймашина". Последнее к началу 2009 г. освоило серийное производство гидромашин с наклонным блоком, а к концу 2009 г. — с наклонным диском; создаются также электронные системы управления для всех видов мобильной техники.

В современных гидроприводах техника пропорционального управления широко применяется и для решения простейших задач, например, плавного изменения законов разгона и торможения гидродвигателей, замены группы электрически переключаемых регуляторов расхода или давления одним пропорциональным аппаратом и т. п.

На выставке "Интердрайв-2008" в экспозиции фирмы Thomas Magnete, специализирующейся на пропорциональном управлении мобильной гидравликой, демонстрировалась действующая гидрофицированная модель экскаватора с управлением от джойстиков (специальных рукояток с задающими потенциометрами), которые используются в кабине реальной машины (рис. 12). В модели размещена миниатюрная насосная установка, блок вставных пропорциональных распределителей первого каскада экскаватора и "силовые" гидроцилиндры. Единственным проколом можно считать электрические приводы гусеничного хода и поворота платформы, впрочем, для их гидравлической реализации потребовались бы сверхминиатюрные гидромоторы. В процессе демонстрации модели было наглядно показано, что после небольшого тренинга копать насыпанный в поддон гравий могли даже дети, которых невозможно было оторвать от этой замечательной игрушки, рекламирующей доступность и увлекательность пропорционального электроуправления.

Новейшая система дистанционного управления IQAN фирмы Parker (рис. 13), содержащая системный блок, отдельные модули управления, джойстики, педали, датчики и развитое программное обеспечение, дает возможность существенного расширения функций управления машиной как на стадии ее проектирования, так и в процессе эксплуатации. Дополнительные функции могут быть легко внесены в модули управления при помощи портативного или карманного компьютера, причем для этого не нужно быть программистом.

В заключение хочется отметить, что гидроприводы с пропорциональным электроуправлением находятся в стадии интенсивного развития. Более того, наличие этих изделий в программах поставок свидетельствует о престижности фирм–производителей гидрооборудования.

Более подробные сведения об отечественной и импортной пропорциональной гидроаппаратуре и регулируемых насосах с полной расшифровкой кодовых обозначений и указанием габаритных и присоединительных размеров приведены в работе [3].

Литература:

1. Электронный каталог "Гидравлические компоненты". Bosch Rexroth. RDE00112-CD/11.05.
2. Иванов Г. М., Свешников В. К., Орлик И. В. Цифровая электрогидравлическая автоматика нового поколения // Гидравлика и пневматика. 2006. № 21. С. 3–8.
3. Свешников В. К. Гидрооборудование: международный справочник. Номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость. В 3-х кн. М.: ООО "Изд. центр "Техинформ" МАИ». Кн. 1. Насосы и гидродвигатели. Первое издание 2001. 360 с.; второе издание 2010. 552 с. Кн. 2. Гидроаппаратура. 2002. 508 с. Кн. 3. Вспомогательные элементы гидропривода. 2003. 480 с.

Владимир Свешников, к. т. н., заведующий лабораторией гидросистем станков ЭНИМС

Фотографии предоставлены: Bosh Rexroth, Atos, Moog, Parker