Гидравлические и пневматические усилители

Эта группа усилителей характеризуется применением в качестве источника энергии жидкости или сжатого воздуха. Гидравлические и пневматические усилители подразделяются по конструкции дросселя, числу дросселей, их расположению, типу дросселей и числу каскадов.
По конструкции дросселя эти усилители бывают золотниковые, струйные, сопло-заслонка и игольчатые.
В зависимости от метода управления исполнительными механизмами гидроусилители можно подразделить на три класса: без обратной связи, с обратной связью и комбинированной схемой управления.

Золотниковый усилитель. Простейший золотниковый усилитель показан на рис. 3.9, а. Он состоит из корпуса 2, поршней 3, штока 5 с пружиной, электромагнитов 1, маслопроводов 4 к гидроцилиндру (на рис. 3.9, а не показан), сливных трубок 6 и маслопровода 7 от гидронасосной станции (на рис. 3.9, а не показана). Принцип работы такого усилителя состоит в том, что при включении одного из электромагнитов он срабатывает и перемещает шток с поршнями 3 вправо или влево. При этом жидкость из маслопровода 7 (входного штуцера), полости корпуса и маслопровода 4 (выходных штуцеров) поступает в одну из полостей исполнительного гидроцилиндра. В этом случае золотник гидроусилителя выполняет распределительную функцию, т.е. подключает определенные полости гидроцилиндра. Однако гидроусилитель является также и усилительным элементом, так как подводимая мощность управления к электромагниту в несколько тысяч раз меньше мощности, развиваемой гидроцилиндром. С этой точки зрения такие усилители являются усилителями мощности, коэффициент усиления которых определяется по формуле

где Рвых, Pвх — выходная и входная мощности.
Основной характеристикой усилителя является зависимость расхода жидкости Q от перемещения штока золотника х с поршнями.
Уравнения расхода Qд в рабочих окнах идеального золотника можно записать (при х > 0) следующим образом:

где μ1, μ2 — коэффициенты расхода; f1, f2 — площади проходных сечений отверстий, см2; P0 — рабочее давление, Па; P1, P2 — рабочие давления в разных полостях цилиндра, Па; Pc — рабочее давление в сливаемой магистрали, Па.
Разность давлений в полостях цилиндра можно записать следующим образом: ΔP = P1 - P2; рабочие давления P1 и P2 выразим через P0 (при равных абсолютных значениях Q1 = Q2 = Qд = Q0; μ1 = μ2; f1 = f2). Разделив Q1 на Q2, получим: 1 = √P0-P1/P2, считая, что Pc = 0, т.е. Р2 = P0 - P1. Решив это уравнение с уравнением ΔP = P1 - P2, получим, что Р1 = Р0+ΔР/2 и Р2 = Р0-ΔР/2. После подстановки в исходное уравнение при условии √Р0-ΔР/2 = 1 получим

где G — гидравлическая проводимость рабочего окна золотника. Гидравлическая проводимость рабочего окна золотника

В общем случае уравнение расхода имеет вид

где sin g x учитывает направление действия нагрузки, которую преодолевает гидроцилиндр или гидромотор.
Графически эта зависимость представлена на рис. 3.9, б. Статическая характеристика имеет аналогичный вид, так как

где F — эффективная площадь гидроцилиндра.
Из характеристики (см. рис. 3.9, б) видно, что при плавном изменении х скорость штока гидроцилиндра возрастает до Vmax.
При полном открытии проходного сечения скорость остается постоянной при увеличении х, т.е. Vmax = const. Как отмечалось ранее, определение статической характеристики производилось для идеального гидроусилителя без обратной связи. Реальный режим работы такого усилителя иной, так как управление перемещением штоком золотника происходит при помощи электромагнита. Приняв за входную величину ток управления, а точнее ампер-витки катушки электромагнита (Iw)y, а за выходную величину скорость перемещения штока гидроцилиндра V, получим следующую характеристику, представленную на рис. 3.9, в.
При увеличении тока управления Iy увеличивается тяговое усилие электромагнита, так как оно является функцией Pэ = f(Iw)2. Ток управления Iy, достигнув определенного значения, создает необходимое усилие притяжения, и электромагнит релейно срабатывает при (Iw)сраб. При этом происходит скачкообразное изменение скорости V гидроцилиндра. При уменьшении тока управления электромагнит отпускает при (Iw)отп и пружины штока золотника устанавливают его в нейтральное положение, а поршни золотника перекрывают исходные сечения входного штуцера 7 и сливных трубок 6. Как видим, этот усилитель работает в релейном режиме включено—выключено, т.е. скорость перемещения штока гидроцилиндра изменяется скачкообразно. Однако в некоторых случаях требуется плавное изменение этой скорости, например при управлении стрелами гидроманипулятора. В этом случае применяются гидрозолотники плавного действия, у которых шток с поршнем золотника может занимать любое устойчивое положение относительно проходного сечения входного штуцера.
На рис. 3.9, г приведена схема такого гидрозолотника, который состоит из корпуса 10, регулировочного винта 8, штока 12 с поршнями 13, пружин штока, удерживающих шток и поршни в нейтральном положении, клапанов 21 с пружинами 16, сливных маслопроводов 17, дросселей 18, 20, клапана 21. Работа такого золотника сводится к следующему. Жидкость от насосной станции под давлением P0 через дроссель 20 проходит в камеру 19, из нее — в камеру 15, приподнимая клапан 21, прижимаемый к своему седлу пружиной 16. Этот клапан насажен на шток якоря электромагнита 9, и его усилие прижатия к седлу определяется не только усилием пружины 16, но и усилием притяжения якоря электромагнита. Если оба электромагнита обесточены, то в левой и правой частях камер 15 устанавливается одинаковое рабочее давление P1, зависящее от жесткости пружины 16, которая прижимает клапаны 21 к седлам. Если подключать один из электромагнитов 9 к источнику питания, то усилие прижатия одного из клапанов возрастет за счет магнитного усилия притяжения якоря с насаженным на него клапаном. Соответственно увеличивается и рабочее давление P1, в результате чего шток золотников с поршнями переместиться на расстояние Д, зависящее от жесткости пружин 14.
Рассматривая систему в равновесии, можно записать, что

где P1 — рабочее давление; D — диаметр поршня золотника; с — жесткость пружины; d — диаметр седла клапана 21 (см. рис. 3.9, г); F — усилие, развиваемое электромагнитом.
Из этих уравнении получаем, что Δ = F 1D2/cd2, т. е. смещение золотника Δ пропорционально тяговому усилию электромагнита, которое зависит от тока управления Iу.
Теперь определим зазор 8 между клапаном 21 и его седлом. Расход жидкости, подаваемой в камеру 15 через дроссель 18, составит

а расход жидкости, протекающей из камеры 15 через клапан 21 в камеру 19, составит

где f2 — площадь сечения зазора между тарелкой клапана и седлом, f2 = δπd.
Очевидно, что Q1 = Q2. Тогда, приравняв правые части равенства, подставив значение f2 и решив равенства относительно 8, получим, что

Если подставить численные значения величин в эту формулу, то получаемые значения 8 будут составлять десятые и сотые доли миллиметра, в то время как воздушный зазор между якорем электромагнита и его сердечником в десятки и сотни раз больше, т. е. при перемещении якоря на величину δ этот зазор практически остается постоянным, т.е. перемещением якоря можно пренебречь и, следовательно, сила прижатия клапана к седлу может быть принята прямо пропорционально току управления Iy катушки электромагнита, т.е.

где k — коэффициент пропорциональности.
В этом случае перемещение штока 12 золотника будет пропорционально току управления. При различных значениях тока управления (Iy = Var) положение золотника будет различным, что обеспечит различные значения расхода Q в зависимости от значений ампер-витков (Iw)y катушки электромагнита 9 золотника. Таким образом, обеспечивается плавное изменение скорости штока гидроцилиндра. Характеристика такого гидроусилителя плавного действия показана на рис. 3.9, д. В некоторых случаях при автоматическом управлении механической системой возникает необходимость синхронизации движений, задаваемых оператором, и рабочих органов машины. В этом случае применяются так называемые следящие системы.
Простейшая гидравлическая следящая система (рис. 3.9, е) гидропривода с гидроусилителем золотникового типа имеет рукоятку 22, рычаг 23, золотник 24, гидроцилиндр 26, поршень 27 и маслопроводы 25 и 28. К золотнику 24 подключены линия высокого давления и слива. Золотник соединен двумя маслопроводами 25 и 28 с гидроцилиндром 26. При повороте рукоятки 22 вправо рычаг 23, повернувшись относительно точки а по часовой стрелке, сместит золотник 24 вправо и жидкость начнет поступать по маслопроводу 25 в правую полость гидроцилиндра, а из левой полости вытекать по маслопроводу 28 в сливную линию. Поршень 27 под давлением жидкости пойдет влево и начнет поворачивать рычаг 23 тоже по часовой стрелке относительно точки а. При этом золотник сместится влево, перекроет маслопроводы 25 и 28 и поршень 27 остановится. Здесь поршень 27 «следит» за движением золотника 24 при помощи рычага обратной связи 23. Благодаря обратной связи поршень все время стремится уменьшить рассогласование между своим положением и положением золотника 24. В этом и заключается одна из важнейших особенностей следящей системы. Имеются и другие гидравлические следящие системы.
При расчете гидравлического золотника задаются расходом жидкости Q, давлением в магистрали P0, перепадом давления в окне золотника ΔР, видом жидкости и углом входа жидкости в золотник.
По этим данным определяют диаметр золотника:

где Q — максимальный расход жидкости, см3/с; Vд — допускаемая скорость жидкости (Vд = 3...4 м/с).
Полученный диаметр округляют до стандартной величины. Затем определяют сечение окна золотника:

Струйный усилитель. Струйный усилитель (рис. 3.10, а) состоит из струйной трубки 2, проходных сечений 3 и 3'. На рис. 3.10, а показан также шток 1 гидроцилиндра 4. Работа такого усилителя сводится к следующему. При среднем положении струйной трубки 2 относительно проходных сечений 3 и 3' жидкость, нагнетаемая в сопло, распределяется равномерно по прежним отверстиям 3 и 3' и давления в полостях цилиндра будут одинаковыми (P1 = P2). При смещении трубки на αвх, например вправо, проходные сечения изменятся,станет больше f (заштрихованные участки) и давление в правой части гидроцилиндра увеличится по сравнению с давлением в левой части, гак как упрощенно можно считать, что

где р0 — рабочее давление, т.е. P2 ≥ P1 и шток гидроцилиндра начнет смещаться влево.
При максимальном смещении струйной трубки, когда струя полностью направлена в одно проходное сечение, развиваемое максимальное давление определяется по формуле

где ξ — коэффициент, учитывающий потери, ξ = 0,9...0,95; ρ — плотность жидкости; v — выходная скорость струи; α — угол между осью трубки и входной плоскостью приемного сечения (обычно а =90°).
Статическая характеристика такого усилителя показана на рис. 3.10, б.

Усилитель сопло-заслонка. Усилитель сопло-заслонка (рис. 3.10, в) состоит из корпуса 5, дросселя 10 с постоянным гидравлическим сопротивлением, дросселя 8 с переменным гидравлическим сопротивлением и заслонки 9.
Работа такого усилителя происходит следующим образом: при подаче жидкости в корпус 5 под давлением P1 при определенном положении заслонки 9 относительно сопла хвх (дросселя 8) на выходе возникает давление P2вых, которое воздействует на сильфон 6; при этом перемещается его шток 7 (результирующий выходной сигнал). P2вых а следовательно, и перемещение штока 7 зависит от положения заслонки 9 относительно дросселя 8, т.е. от хвх, Зависимость P2 от хвх выражается формулой

где P1 — давление перед сильфоном 6, k — коэффициент пропорциональности.
Коэффициент пропорциональности определяется по формуле

где d1, d2 — диаметр дросселей 8 и 10 (см. рис. 3.10, в) соответственно. Статическая характеристика такого усилителя приведена на рис. 3.10, г.
Игольчатый усилитель. Игольчатый усилитель (рис. 3.10, д) состоит из платы 11 с проходным сечением и иглы 12. При перемещении иглы хвх изменяется площадь дросселя f проходного сечения, что вызывает изменение скорости расхода жидкости Qвых. В результате этого изменяются скорости движения исполнительного элемента (гидроцилиндра).
Для увеличения коэффициента усиления, повышения чувствительности, улучшения динамических свойств гидравлические или пневматические усилители выполняются многокаскадными с различными обратными связями. Усилители — струйный, сопло-заслонка и игольчатый — в гидравлических или пневматических системах являются первым каскадом усиления.