CC BY
88
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МЕТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. КБМ 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Сравнение статических характеристик электрогидравлических усилителей с пропорциональным и сервоуправлением
# 07, июль 2013
Б01: 10.7463/0713.0579738
Салман М. И., Сосновский Н. Г.
УДК 62-522
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана sosn@bmstu.ru Salman.73@mail.ru
Введение
Электрогидравлический усилитель (ЭГУ) является важнейшим элементом гидравлического привода [1]. ЭГУ преобразует управляющий электрический сигнал в расход рабочей жидкости под давлением, подаваемой в исполнительный гидродвигатель. От его статических и динамических характеристик во многом зависят характеристики всего привода. В гидроприводах чаще всего применяют ЭГУ с серво- и с пропорциональным управлением золотниковым распределителем [2]. Конструктивно ЭГУ с пропорциональным управлением проще, чем ЭГУ с сервоуправлением, кроме того в ЭГУ с сервоуправлением больше потери мощности за счет расхода жидкости в первой ступени усиления, что приводит к лишнему расходу насосной станции, питающей жидкостью под давлением гидравлический привод. Последнее особенно заметно, когда от одной насосной станции питается несколько приводов, как например, в мобильных машинах [3, 4].
Цель исследований, которые рассмотрены в данной статье, состоит в определении и сравнении экспериментальных, а так же расчетных статических характеристик указанных выше типов ЭГУ. Результаты сравнения характеристик ЭГУ позволяют определять область их рационального применения на практике.
Научной новизной публикуемого материала является то, что в нем представлены экспериментальные данные, полученные для ЭГУ с пропорциональным управлением золотником с подводом и без подвода к нему рабочей жидкости. Это дает возможность оценить влияние гидродинамических сил на статические характеристики такого ЭГУ. При наличии подвода жидкости к золотнику его смещение существенно уменьшается
вследствие действия гидродинамических сил. Компьютерное моделирование показало, что при уравновешенных гидродинамических силах статические характеристики ЭГУ с пропорциональным управлением золотником не отличаются от характеристик ЭГУ с сервоуправлением.
1. Экспериментальные исследования статических характеристик ЭГУ с пропорциональным управлением
В качестве объекта исследований выбран двухступенчатый ЭГУ с соплом-заслонкой в первой ступени усиления типа УЭГ.С-100 Харьковского завода «Теплоавтомат», у которого отключена первая ступень усиления и увеличена жесткость стержня, связывающего якорь электромеханического преобразователя и золотник. Внешний вид такого ЭГУ с пропорциональным управлением приведен на рисунке 2, а его схема на рисунке 1.
1- электромеханический преобразователь, 2-жесткий стержень, 3- гидроусилитель, 4-гильза, 5- золотник, 6- датчик положения золотника, 7- стержень с якорем 8, 9- обмотка
датчика
Рисунок 1 - Схема пропорционального ЭГУ
Рисунок 2 - Внешний вид ЭГУ
Схема стенда для определения характеристик ЭГУ показана на рисунке 3. В эксперименте при различных уровнях входного сигнала определялись положение золотника и скорость вращения вала гидромотора, пересчитываемая затем в расход жидкости, протекающий через золотниковый распределитель.
1 - ЭГУ; 2 - датчик положения золотника; 3 - манометр; 4 - насос; 5 - предохранительный клапан; 6 - фильтр; 7 - гидромотор; 8 - тахогенератор Рисунок 3 - Схема стенда для испытаний ЭГУ
На рисунке 4 представлены расходные характеристики ЭГУ, полученные при давлении питания 5 МПа.
Рисунок 4 - Статические характеристики ЭГУ
Расход ЭГУ с пропорциональным управлением в несколько раз меньше чем у ЭГУ с сервоуправлением. Это объясняется тем, что гидродинамическая сила препятствует смещению золотника [5]. Если гидродинамическую силу значительно уменьшить, спрофилировав соответствующим образом золотник, то расчеты показывают, что расходы обоих типов ЭГУ будут близки друг к другу [6, 7]. Так же была определена зона нечувствительности золотника: ЭГУ с сервоуправлением - 7 %, ЭГУ с пропорциональным управлением - 17 %, ЭГУ с пропорциональным управлением без учета
гидродинамической силы, действующей на золотник - 4,4 %, ЭГУ с пропорциональным управлением с гидродинамически разгруженным (профилированным) золотником - 10 %.
2. Расчет гидродинамических сил, действующих на золотник
Для расчета гидродинамических сил определены размеры золотникового распределителя: диаметр золотника с13 — 10 ММ, диаметр шейки золотника
= 5,5 ММ, расстояние между поясками I = '1?.о давление питания рабочей жидкости Рп = 5 Мпа, давление слива = 0.2 Мпа, рабочая жидкость АМГ-10 [8], коэффициент расхода золотника Щ = 0,7, смещение золотника Х3 = 0 ДО 0,062 ММ и построены модели потоков рабочей жидкости в соответствии с рисунком 5.
Рисунок 5 - Продольный разрез золотникового распределителя
Расчётная сетка метода конечных элементов (МКЭ) 3D модели потока рабочей жидкости для каждой полости золотника содержит 132538 элементов и 27125 узлов в соответствии с рисунком 6.
После расчета гидродинамических осевых и радиальных сил, действующих на золотник, для каждой полости построены графики, представленные на рисунке 7. Эти графики показывают зависимости осевых (X) сил, возникающих в каждой полости от смещения золотника, при отсутствии разности давлений в выходных каналах золотникового распределителя.
Рисунок 6 - 3D модель расчётной сетки распределения рабочей жидкости
Рисунок 7 - Графики зависимости гидродинамических сил от смещения золотника
С помощью МКЭ рассчитано распределение давлений на поверхности поясков золотника в полости-1 и в полости-2, в соответствии с рисунком 8. Кроме того, получено распределение осевых гидродинамических сил, действующих на золотник в полости-1 и в полости-2 при смещении золотника на значение, равное 0,06 мм, в соответствии с рисунком 9.
Рисунок 8 - Распределение давления на поверхности поясках золотника в полостях 1(а) и
2(б) при смещении золотника 0,062 мм
Рисунок 9 - Распределение осевых гидродинамических сил, действующих на поясках золотника в полостях 1(а) и 2 (б), при смещении золотника 0,062 мм
Рассчитанные таким образом значения гидродинамических сил в зависимости от положения золотника представлены на рисунке 7.
Заключение
Статические характеристики ЭГУ с пропорциональным управлением при использовании гидродинамически уравновешенного (профилированного) золотника практически такие же, как и характеристики ЭГУ с сервоуправлением.
При использовании в гидроприводе ЭГУ с пропорциональным управлением вместо ЭГУ с сервоуправлением, функции увеличения мощности сигнала в первой (предварительной) ступени передаются электронному усилителю. При этом потери мощности в электронном усилителе во много раз меньше, чем потери гидравлической мощности в первой ступени ЭГУ с сервоуправлением. Вследствие этого, с точки зрения затрат энергии, гидропривод с пропорциональным управлением выглядит предпочтительнее по сравнению с гидроприводом с сервоуправлением.
Использование электрической обратной связи по положению золотника позволит улучшить характеристики ЭГУ с пропорциональным управлением и в том числе уменьшить зону нечувствительности.
Список литературы
1. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: учебник для вузов. М.: МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2002. 320 с.
2. Попов Д.Н., Асташев В.К., Густомясов А.Н. и др. Машиностроение: энциклопедия. В 40 т. Т. IV-2 : Электропривод. Гидро- и виброприводы. Кн. 2 : Гидро- и виброприводы / под ред. В.К. Асташева, Д.Н. Попова. М.: Машиностроение, 2012. 303 с.
3. Дёрр Х., Эвальд Р., Хуттер Й., Кретц Д., Лидхегенер Ф., Шмитт А. Учебный курс по гидравлике. Т. 2. Пропорциональная техника и техника сервоклапанов. Маннесманн Рексрот ГмбХ, 1986. 258 с.
4. Christoph Boes. The advantages of new proportional and servo valves with integrated digital electronics. Moog GmbH, Boblingen, Germany. 2009. 12 p.
5. Смельницкий С.Г., Калашников A.A., Миндрин В.И. Исследование гидродинамических усилий на золотниках систем регулирования // Теплоэнергетика. 1972. Вып. 1. С. 68 -72.
6. Салман М.И., Попов Д.Н. Компьютерное исследование и расчет гидродинамических нагрузок на золотник // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана Электрон. журн. 2012. № 10. DOI: 10.7463/1112.0491484
7. Салман. М.И. Попов. Д.Н. Уравновешивание гидродинамических сил путем профилирования поверхности золотника // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 11. DOI: 10.7463/1112.0491497
8. Шадрина Е.М, Волкова Г.В.. Определение теплофизических свойств газов, жидкостей и водных растворов веществ. Иваново: Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2009. 80 с.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Comparison of static characteristics of electro-hydraulic amplifiers with proportional and servo control
# 07, July 2013
DOI: 10.7463/0713.0579738
Salman M.I., Sosnovskii N.G.
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
sosn@bmstu.ru
Salman.73@mail.ru
The authors consider results of experimental studies of static characteristics of amplifiers with proportional and servo valve control. A comparison of characteristics that were recorded in a specially created complex allows to evaluate the accuracy of an amplifier with a proportional valve control and determine the impact of hydrodynamic forces applied to the spool on these characteristics. Experimental results prove flow characteristics and dependence of hydrodynamic forces on displacement of the spool; these results were obtained with the use of a computer model of a hydraulic amplifier. It was shown that if the spool has profiled surface, static characteristics of amplifiers with a proportional and servo valve control become approximately the same due to the balance of hydrodynamic forces. Thus, the authors established a possibility of application of simpler amplifiers with less power consumption and with a proportional valve control instead of a servo one. This statement is important for designing hydraulic drives.
Publications with keywords: hydrodynamic force, static characteristics, proportional control, servo control
Publications with words: hydrodynamic force, static characteristics, proportional control, servo control
References
1. Popov D.N. Mekhanika gidro-ipnevmoprivodov [The mechanics of hydro-and pneumatic
drives]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2002. 320 p.
2. Popov D.N., Astashev V.K., Gustomiasov A.N., et al. Mashinostroenie: entsiklopediia. V
40 t. T. 4-2 : Elektroprivod. Gidro- i vibroprivody. Kn. 2 : Gidro- i vibroprivody [Mechanical Engineering: Encyclopedia. In 40 vols. Vol. 4-2: Electric drive. Hydraulic and vibro drives.
Book 2: Hydraulic and vibro drives]. Moscow, Mashinostroenie, 2012. 303 p..
3. Ewald R., Hutter J., Kretz D., Liedhegener F., Schenkel W., Schmitt A., Reik M.
Hydraulic Trainer. Vol. 2: Proportional and Servo Valve Technology. Mannesmann Rexroth
GmbH, 1986. (Russ. ed.: Derr Kh., Eval'd R., Khutter Y., Kretts D., Lidkhegener F., Shmitt A. Uchebnyy kurs po gidravlike. T. 2. Proportsional'naya tekhnika i tekhnika servoklapanov. Mannesmann Reksrot GmbKh, 1986. 258 p.).
4. Christoph Boes. The advantages of new proportional and servo valves with integrated digital electronics. Moog GmbH, Boblingen, Germany. 2009. 12 p.
5. Smel'nitskii S.G., Kalashnikov A.A., Mindrin V.I. Issledovanie gidrodinamicheskikh usilii na zolotnikakh sistem regulirovaniia [Investigation of hydrodynamic efforts on the spool valve of systems of regulation]. Teploenergetika [Thermal Engineering], 1972, no. 1, pp. 68 -72..
6. Salman M.I., Popov D.N. Komp'yuternoe issledovanie i raschet gidrodinamicheskikh nagruzok na zolotnik [Computer study and calculation of hydrodynamic loads on the valve]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU],
2012, no. 10. DOI: 10.7463/1112.0491484
7. Salman. M.I. Popov. D.N. Uravnoveshivanie gidrodinamicheskikh sil putem profilirovaniya poverkhnosti zolotnika [Balancing hydrodynamic forces by shaping valve’s surface]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2012, no. 11. DOI: 10.7463/1112.0491497
8. Shadrina E.M., Volkova G.V. Opredelenie teplofizicheskikh svoistv gazov, zhidkostei i vodnykh rastvorov veshchestv [Determination of thermophysical properties of gases, liquids, and aqueous solutions of substances]. Ivanovo, Ivanovo State University of Chemistry and Technology Publ., 2009. 80 p.
