Распечатать

Гидравлика & Пневматика

Цифровая гидравлика эффективнее аналоговых решений

10.01.2019

Источник: ЭНИМС

Энергоэффективность и качество работы предохранительных клапанов существенно повысит управление на базе задающих шаговых электродвигателей

Предохранительные клапаны широко используются в гидросистемах для защиты от давления, превышающего установленную величину. Они могут работать в переливном или аварийном режимах. В первом случае через клапан постоянно возвращается в бак часть потока рабочей жидкости (РЖ), нагнетаемой насосом, причем в этом режиме имеют место значительные потери мощности Р = рQ/60 кВт, где р – давление настройки, МПа; Q - расход РЖ, л/мин, проходящей через клапан. В аварийном режиме клапан срабатывает только при перегрузке.

В серийно выпускаемых предохранительных клапанах непрямого действия, например, типа МКПВ [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, например, в испытательных стендах, 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, что плохо согласуется с общей мировой тенденцией опережающего развития сквозных цифровых технологий и имеет ряд принципиальных технических и экономических ограничений, указанных в работе [2].

Создание в ЭНИМСе новой гаммы предохранительных клапанов с управлением от задающих шаговых электродвигателей (ШД) — чисто цифровых электрических машин — является, по нашему мнению, одним из перспективных направлений развития этой группы аппаратов.

В качестве примера на рис. 1,а показан двухкаскадный предохранительный клапан с задающим эксцентриком. Здесь ШД 1 через втулку 2 с эксцентричным шипом и подшипником 3, входящим в поперечный паз ползуна 4, перемещает последний в осевом направлении и изменяет натяжение пружины 5 конусного запорно-регулирующего элемента (далее — конуса) 6, а, следовательно — давление настройки предохранительного клапана. Максимально возможный угол поворота втулки 2 (90о) ограничен стопором 7. При отключении предварительно сжатая пружина 8 возвращает ползун в исходное положение, в котором пружина 5 полностью

Рис. 1

разгружается. Таким образом, обеспечиваются условия безопасности и исключается необходимость в устройстве поиска исходного положения.

В некоторых условиях эксплуатации (например, в зависимости от размеров присоединительных линий или частоты пульсации насоса) клапан может терять динамическую устойчивость (клапан «свистит»). Для исключения автоколебаний необходимо увеличить демпфирование конуса, которое можно обеспечить в конструкции, показанной на рис. 9,б. Здесь РЖ поступает в систему управления не через демпфер в клапане второго каскада, а через малое отверстие 9 в корпусе, причем надклапанная (пружинная) полость этого клапана соединена с системой управления через отдельный демпфер 10, диаметр которого может быть выбран исключительно из соображений устойчивости, т.к. через этот демпфер не проходит поток управления.

Описанный метод демпфирования успешно применяется в двухкаскадных аппаратах (например, мод. DB фирмы Bosch Rexrоth) — предохранительных клапанах непрямого действия, в которых первый (управляющий) каскад рассчитан на весьма ограниченные расходы (1…1,5 л/мин). Создание однокаскадных аппаратов с таким типов запорно-регулирующего элемента (конуса) невозможно из-за возникновения интенсивных автоколебаний при увеличении расхода РЖ. В этих случаях применяют специальные элементы с демпфирующим хвостовиком (рис.2), в которых в процессе движения конуса 3 в отверстии гильзы 2 масло проходит в правую торцовую полость через

Рис. 2

диаметральный зазор между этими деталями, обеспечивающий демпфирование колебаний. На рисунке также обозначены: 1 – корпус; 4 – пробка, 5 – шайба, 6 – колпачок, 7 – пружина, 8 – регулировочный винт, 9 – шарик, 1012 – уплотнения. Недостатком этой конструкции является необходимость установки мощной пружины 7, воспринимающей усилие от давления РЖ на правый торец конуса. Это обстоятельство не позволяет использовать для управления маломощные ШД.

В новой версии однокаскадного цифрового предохранительного клапана (рис. 3) конус 1 разгружен от действия больших осевых нагрузок путем введения специального разгрузочного колпачка 2, который опирается на неподвижный штырь пробки 3 и имеет внутреннюю камеру 4, соединенную с напорной линией. Диаметр этой камеры (d = 4 мм) равен диаметру демпфирующего хвостовика, а диаметр седла клапана, взаимодействующего с конусом, d1 = 4,8 мм.

Рис. 3

Принцип действия аппарата иллюстрируется расчетной схемой рис. 4.

Рис. 4

Основными деталями являются корпус 1, конус 2, шайба 3, пружина 4 и колпачок 5. Масло из напорной линии Р подводится к конусу 2, через отверстие 6 — в полость 8 колпачка 5 и через зазор δ — в торцовую полость 7. Таким образом, рабочее давление воздействует на одинаковые площади торцовых поверхностей π·d2/4 конуса 2 и дополнительно слева — на кольцевую поверхность

Последняя составляющая усилия деформирует пружину 4 и смещает конус 2 вправо, перепуская масло в сливную линию Т под давлением , где Fпр – усилие пружины. В процессе движения конуса масло из линии Р подсасывается и вытесняется в полость 7 через зазор δ, оказывающий сопротивление этому потоку и, следовательно, демпфирующий колебания клапана.

Запорно-регулирующий элемент (конус) предохранительного клапана в динамических расчетах представляется в виде колебательного звена с уравнением движения:

и передаточной функцией:

, где F – действующее усилие, кгс; х – перемещение, см; m – масса подвижных частей + ⅓ массы пружины, кгс·с2/см; β – коэффициент вязкого трения, кгс·с/см; С – жесткость пружины, кгс/см; t – время, с; Т – постоянная времени, с;  - коэффициент демпфирования; k – статический коэффициент усиления; s – оператор Лапласа.

Коэффициенты характеристического уравнения:

При ступенчатом воздействии качество переходных процессов в колебательном звене определяется коэффициентом ξ. В случае, если ξ=0 , имеем незатухающие колебания. При 0‹ξ‹1 выходной сигнал совершает затухающие колебания, причем логарифмический декремент затухания возрастает по мере увеличения. В случае ξ=1 переходный процесс близок к апериодическому при приемлемой величине постоянной времени Т. При ξ›1 имеет место апериодический процесс с увеличенной постоянной времени. Таким образом, для разрабатываемого предохранительного клапана наиболее приемлемо условие ξ=1, поэтому при расчете динамики аппарата возникает задача определения величины диаметрального зазора δ, обеспечивающей это условие.

Течение масла через кольцевую эксцентричную щель описывается уравнением [1]:

где q – расход утечки, см3/мин; d – диаметр поверхности утечки, см; δ – диаметральный зазор, мкм; Δр – перепад давлений на щели, кгс/см2; - кинематическая вязкость масла, мм2/с (сСт); – длина поверхности утечки, см.

Учитывая, что

(где V –скорость движения), получаем выражение для демпфирующего усилия:

Коэффициент вязкого трения:

.

По заданию и, следовательно

откуда получаем:

и окончательно:

Испытания клапана проводились на макете, показанном на рис. 5.

Рис. 5

Макет состоял из крышки 1, корпуса 2, конуса 3, шайбы 4, ползушки 5 со штифтом 12, упора 6, колпачка 7, пружины 8, винтов 9, 10 и шарика 11. К напорной линии Р  подводилось масло от шестеренного насоса с подачей 6,5 л/мин. Клапан настраивался на давление 200 кгс/см2, после чего для различных величин диаметрального зазора δ в пределах от 15 до 110 мкм осциллографировалось изменение давления при включении насоса; зазор δ1 = 15 мкм. Типовые осциллограммы переходных процессов показаны на рис. 6.

Рис. 6

Наличие пиков давления рп при малых значениях диаметрального зазора δ свидетельствует о недостаточной скорости открывания дросселирующей щели между конусом и седлом. Зависимость показана на рис. 7.

Рис. 7

Произведены лабораторные испытания опытного образца клапана (рис. 8). В процессе испытаний клапан по программе изменял давление РЖ в камерах нагрузочного цилиндра испытательного стенда, причем для изменения направления действия силы был установлен гидрораспределитель с электроуправлением. В соответствии с заданной программой нагружения предусматривалась возможность изменения рампы (скорости нарастания и сброса усилия). Две типовые осциллограммы со временем переходных процессов 0,1 и 1 с показаны на рисунке. Можно отметить стабильность работы и отличное качество переходных процессов.

Рис. 8

Разработанный в ЭНИМСе модуль управления предохранительным клапаном (рис. 9) 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 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.

Рис. 9

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. (электронное издание).
  2. Г. М. Иванов, В. К. Свешников. Цифровые технологии гарантируют безопасность // Конструктор. Машиностроитель. 2015. № 4. С. 51-55.
Автоматизация 30.04.2019 С 27 по 31 мая в столичном комплексе «Экспоцентр» будет работать 20-я юбилейная выставка «Оборудование, приборы и инструменты для металлообрабатывающей промышленности» – «Металлообработка-2019».
Гидравлика & Пневматика 26.03.2019 Редчайшую операцию - подъем 670-тонного экскаватора - выполнили сотрудники компании «Карельский окатыш» во время его ремонта. Для этого управлением ремонтов предприятия совместно с МЗ "Энерпром" с нуля был создан проект тысячетонного гидравлического подъемника. Он герметичен и оснащен маслостанцией.
Гидравлика & Пневматика 01.03.2019 Первым интеллектуальным полевым устройством от Schmalz с интерфейсом Ethernet стал компактный терминал SCTMi. Он способен осуществлять связь в режиме реального времени через промышленные Ethernet-стандарты: EtherCat, EtherNet / IP, а также ProfiNet.
Гидравлика & Пневматика 21.02.2019 Новый адаптивный захват DHEF от компании Festo действует как язык хамелеона, настигающий насекомых. Захват способен собирать, комплектовать, складывать предметы разнообразных форм без необходимости ручного управления.
Гидравлика & Пневматика 29.01.2019 Водная гидравлика – относительно небольшая, но важная область гидравлики, учитывая специфические сферы ее применения. Перспективы развития водной гидравлики в России журнал «Конструктор. Машиностроитель» обсудил со специалистами, обладающими большим опытом работы в этом сегменте рынка.
Гидравлика & Пневматика 22.01.2019 Создатели отечественных гидрофицированных машин и оборудования активно ищут гидрокомпоненты с приемлемым соотношением цена-качество-сроки поставки. Реальной альтернативой Европе становится рынок Юго-Восточной Азии (ЮВА) — Китай, Тайвань, Япония. Что же это такое - азиатская гидравлика?
Гидравлика & Пневматика 21.01.2019 Компания SMC представила цилиндры MWB-серии - устройства со стяжными шпильками с блокировкой. Это усовершенствованная конструкция цилиндров серии MNB - с улучшенным удобством обслуживания и разделением конструкций цилиндра и стопора.