RU212361U1 - Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к горно-шахтной промышленности, в частности к электрогидравлической системе управления исполнительными механизмами проходческих комбайнов, и может быть использовано в различных электрогидравлических приводах. Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия содержит корпус с рабочими каналами линий нагнетания, слива и потребителя, золотник, размещенный в корпусе и центрированный возвратными пружинами. Золотник выполнен с возможностью перемещения из нейтральной позиции в нужное конечное положение под действием пропорционального электромагнита, состоящего из электромагнитной муфты с якорем. Электромагнит дополнительно содержит подвижный полюс, расположенный внутри электромагнитной муфты соосно с якорем. Ближний к якорю конец золотника жестко соединен с ним. К подвижному полюсу электромагнитной муфты через винтовую передачу присоединен вал гибридного шагового двигателя, закрепленного на торце корпуса гидрораспределителя. Достигается технический результат – обеспечение возможности применения распределителя во взрывобезопасных средах, где мощность искробезопасных цепей ограничена по величине.

Description

Полезная модель относится к горно-шахтной промышленности, в частности к электрогидравлической системе управления исполнительными механизмами проходческих комбайнов, и может быть использована в различных электрогидравлических приводах.

Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия предназначен для распределения и регулирования расхода рабочей жидкости в гидравлических системах горнодобывающих машин при постоянном давлении.

Известен пропорциональный гидрораспределитель с электромагнитным управлением фирмы AIDRO HYDRAULICS (Италия) [1], прототип, являющийся типовым представителем семейства пропорциональных электрогидрораспределителей [2-6]. На Фиг.1 показана конструкция гидрораспределителя HD3-PS, представляющего собой корпус 1, с расположенными в нем линиями нагнетания, слива и потребителя, в котором установлен поджатый пружинами 2 золотник 3, электромагнит 4 с якорем 5 и аварийными штифтами 6, расположенными на торцевой стороне электромагнитов и предназначенными для перемещения золотника вручную при отключении электроэнергии. Под действием пружин 2 и пропорциональных электромагнитов 4 золотник 3 смещается в корпусе 1, соединяя требуемым образом впускные и выпускные каналы, тем самым управляя исполнительным механизмом в гидравлической системе. Общим конструктивным признаком аналогичных устройств является организация управления пилотным распределителем с помощью пропорциональных электромагнитов, применяемых для обеспечения возвратно поступательных движений управляющего золотника. Следствием чего является значительное потребление гидрораспределителем электроэнергии. Расход энергии гидрораспределителем идет постоянно, и в момент переключения золотника в требуемое положение, и в режиме его удержания в заданном положении. Мощность, потребляемая аналогами, достигает предела для взрывоопасной среды 24 Вт и выше, а температура на внешней поверхности пропорциональных электромагнитов 125°С, что существенно ограничивает их применение в горно-шахтных условиях.

Общими существенными признаками прототипа с заявляемым устройством является наличие корпуса с рабочими каналами линий нагнетания, слива и потребителя, в котором размещен основной золотник, пропорционального электромагнита с якорем, передающим усилие от магнита на золотник для перемещения его из нейтральной позиции в нужное конечное положение.

Задачей данной полезной модели является создание пропорционального электрогидравлического распределителя прямого действия с низкой потребляемой мощностью для работы в гидросистемах горнодобывающих машин.

Техническим результатом является расширение арсенала пропорциональных электрогидравлических распределителей прямого действия во взрывозащищенном рудничном исполнении, при одновременном снижении потребляемой мощности с сохранением габаритно присоединительных и весовых характеристик и увеличением расходов рабочей жидкости.

Технический результат достигается тем, что в пропорциональном электрогидравлическом распределителе прямого действия, содержащем корпус с рабочими каналами линий нагнетания, слива и потребителя, с размещенным в нем и центрированным возвратными пружинами золотником, выполненным с возможностью перемещения из нейтральной позиции в нужное конечное положение под действием пропорционального электромагнита, состоящего из электромагнитной муфты с якорем, электромагнит дополнительно содержит подвижный полюс, расположенный внутри электромагнитной муфты соосно с якорем, ближний к якорю конец золотника жестко соединен с ним, а к подвижному полюсу электромагнитной муфты через винтовую передачу присоединен вал гибридного шагового двигателя, закрепленного на торце корпуса гидрораспределителя.

Для решения поставленной задачи в пропорциональном электрогидравлическом распределителе прямого действия применен гибридный шаговый двигатель, вал которого через винтовую передачу жестко связан с якорем электромагнита, позволяющий усилить в несколько раз силу, действующую на золотник со стороны якоря электромагнита и существенно расширить диапазон его осевого перемещения. Осевое перемещение центрированного пружинами силового управляющего золотника происходит за счет однонаправленного воздействия силы от электромагнита, позволяющей обеспечить достаточную силу сцепления золотника и якоря при минимальных затратах энергии, и силы воздействия через винтовую передачу гибридного шагового двигателя. Факт совместного воздействия силами электромагнита и шагового двигателя позволил снизить рассеиваемую электрическую мощность управления гидрораспределителем, снизить потребляемую им мощность и ток при регулировании и удержании золотника, а также расширить диапазон диаметров условного проходного сечения управляемых каналов, увеличить диапазон расходов при прямом управлении по сравнению с аналогами пропорциональных распределителей прямого действия, ограниченными по энергетическим затратам на управление.

Полезная модель поясняется чертежами.

Фиг.1. Электрогидравлический распределитель HD3-PS (прототип).

Фиг.2. Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия.

Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия состоит из корпуса 7 с запрессованной гильзой 8 и подвижного в осевом направлении золотника 9, жестко связанного с якорем 10 электромагнитной муфты 11 через тягу 12 с возвратной пружиной 13 посредством штифта 14. Золотник 9 удерживается и возвращается посредством пружин 13, 15 в исходное состояние, при котором напорный канал Р отсечен от адресных каналов А и В, а адресные каналы А и В соединены с соответствующим сливным каналом Та и Тв, канал Т независим и предназначен для гидравлической разгрузки полостей электромагнитной муфты и винтовой передачи.

Электромагнитная муфта 11 (фиг. 2) состоит из электромагнитной катушки и подвижного полюса 16 с нарезанной резьбой в центральной части, имеющего ограничитель в виде штифта 17. Штифт 17 предназначен для ограничения нулевого положения подвижного полюса 16 в момент выхода пропорционального гидрораспределителя в исходное состояние, а также исключения поворота подвижного полюса 16 при регулировании его положения в электромагнитной катушке передачей винтового привода 18.

Винтовой привод 18 состоит из корпуса с жестко закрепленным на нем гибридным шаговым двигателем 19, на валу которого установлен винт 20, зажатый для исключения осевых перемещений подшипником 21 и упором 22. Винт 20 в свою очередь ввинчен в подвижный полюс 16 электромагнитной муфты 11.

Управление заявленным распределителем осуществляется платой контроллера 23, помещенной в корпус 24, жестко закрепленного на корпусе гидравлического распределителя 7. Питание гибридного шагового двигателя 19, электромагнитной муфты 11 осуществляется через разъем 25.

Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия работает следующим образом. При подаче напряжения питания, вне зависимости от того, в каком положении находится подвижный полюс 16 электромагнитной муфты включается шаговый двигатель 19 с низким развиваемым моментом на перемещение подвижного полюса 16 до нулевого положения, ограниченного штифтом 17, и уменьшают рабочий зазор между подвижным полюсом 16 и якорем 10 электромагнитной муфты 11 до величины 0,1...0,2 мм. Таким образом обеспечивается готовность к управлению передвижением золотника при помощи гибридного шагового двигателя в обоих направлениях, а рабочий зазор электромагнита сведен к минимальному значению, при котором значительно возрастает сила сцепления при минимальных затратах энергии.

В корпусе 7 силового пропорционального распределителя имеются подводящий гидравлический канал рабочей жидкости Р, отводящий канал Т и два адресных канала А и В, разделенные между собой гильзой 8 и золотником 9, таким образом, что в исходном положении золотника 9 все каналы заблокированы между собой. В исходном положении золотник 9 удерживается пружиной 21.

При поступлении команды на контроллер 23 по интерфейсу для регулирования производительности канала А или В включается электромагнитная муфта 11. Так как зазор между якорем 10 и подвижным полюсом 16 нормирован и определен в диапазоне 0,1-0,2 мм, развиваемая электромагнитная сила сцепления якоря 10 и подвижного полюса 16 позволяет преодолеть усилие возвратной пружины 21, не разрушая сцепления между ними. Вращаясь под действием управляющего сигнала шаговый двигатель 19 посредством винтовой передачи перемещает подвижный полюс 16, который в свою очередь за счет действия электромагнитной силы перемещает якорь 10, жестко связанный с золотником 9. Использование шагового двигателя позволяет обеспечить высокую точность перемещения золотника, сравнимую с величиной шага двигателя. При поступлении управляющего сигнала на шаговый двигатель и электромагнитную муфту произойдет сцепление якоря 10 и подвижного полюса 16, винтовой привод 18 шагового двигателя начнет смещение подвижного полюса 16 и сцепленного с ним электромагнитной силой якоря 10 влево или вправо в зависимости от управляющего сигнала, таким образом сдвинет золотник на расстояние, пропорциональное углу поворота шагового двигателя. Перемещаясь вправо золотник соединит каналы Р и В, А и Т. При поступлении сигнала шаговому двигателю на обратное перемещение, золотник, пропорционально углу поворота шагового двигателя, будет перемещен влево соединяя канал Р и А, Т и В.

При пропадании напряжения питания контроллера электромагнитная муфта 11 выключается, нарушается сцепление якоря 10 с подвижным полюсом 16 и пружина 21 возвращает золотник 9 в исходное положение.

К гидрораспределителю также может быть подключен датчик положения золотника 26, который отслеживает положение золотника, и позволяет организовать обратную связь по положению золотника, при необходимости корректировать управляющее воздействие. Однако, в заявляемом гидрораспределителе прямого действия наличие датчика положения золотника не является обязательным. В связи с применением шагового двигателя и отработки им шагов с заявленной точностью, а также в связи с применением тарированных золотников, изготовленных единых линейных и диаметральных размеров, каждый шаг (угол поворота) шагового двигателя соответствует конкретному положению силового золотника в пределах заявленной точности, а следовательно, и расходной характеристики при одинаковых условиях рабочей жидкости. Применяемый в заявляемом устройстве гибридный шаговый двигатель, оптимизирован для работы с микрошагами, что дает возможность номинальный шаг передвижения золотника разбить на микрошаги и тем самым повысить точность позиционирования.

В заявляемом решении для управления золотником 9, может быть применен гибридный шаговый двигатель типа FL42STH47-0806M с угловым шагом 0.9° (напряжение питания 24 В, максимальный потребляемый ток 0,8 А, максимальная потребляемая мощность 19,2 Вт, Фирма НПО АТОМ) мощностью порядка 15 Вт. Шаговый гибридный двигатель имеет низкое токопотребление в режиме удержания золотника в требуемом положении, не превышающее 30% от номинального рабочего тока. При управлении шаговым гибридным двигателем рабочий ток и ток удержания не изменяется во всем диапазоне регулирования расходом рабочей жидкости, в отличие от прототипа, в котором при управлении пропорциональными магнитами расходная характеристика гидроусилителя пропорциональна входному току электромагнита и для достижения больших расходных характеристик требуется больший ток. Диапазон поворота винтовой передачи, перемещающей подвижный полюс пилотного пропорционального распределителя, лежит, как правило, в пределах ±30°, что достаточно для перемещения золотника пропорционального гидрораспределителя в соответствующее положение, которое удерживается возвратной пружиной с одной стороны и якорем электромагнитной муфты с другой. Каждый шаг (угол поворота) гибридного шагового двигателя соответствует конкретному положению золотника в пределах точности порядка нескольких мкм.

Примеры практической реализации.

Пример 1. Был изготовлен гидрораспределитель с проходным сечением каналов А, В, Р, Т до 5 мм. Возвратная пружина имела следующие параметры: предварительный натяг пружин составил 2 кГс, конечное сжатие пружин - 4 кГс. Потребляемая электромагнитной муфтой мощность составила 1 Вт. Развиваемая сила электромагнитного сцепления имела величину 5-6 кГс. Потребляемая шаговым двигателем мощность за время регулирования была равна 5 Вт. Время регулирования всего диапазона перемещения золотника составило 50мс при рабочем ходе золотника 3 мм. Развиваемый крутящий момент на валу шагового двигателя составил 0,7 кГс⋅м. Развиваемое осевое усилие в винтовой паре равнялось 7 кГс. Плата контроллера при напряжении питания 12 В потребляла мощность 0,8 Вт. Суммарная потребляемая мощность в процессе регулирования не превышала 7 Вт, а в статическом режиме не превышала 2 Вт.

Пример 2. Был изготовлен гидрораспределитель с проходным сечением каналов А, В, Р, Т до 16 мм. Возвратная пружина имела следующие параметры: предварительный натяг пружин составил 8 кГс, конечное сжатие пружин - 12 кГс. Потребляемая электромагнитной муфтой мощность составила 4 Вт. Развиваемая сила электромагнитного сцепления имела величину 12-13 кГс. Потребляемая шаговым двигателем мощность за время регулирования была равна 15 Вт. Время регулирования всего диапазона перемещения золотника составило 80 мс при рабочем ходе золотника 4 мм. Развиваемый крутящий момент на валу шагового двигателя составил 1,6 кГс⋅м. Развиваемое осевое усилие в винтовой паре равнялось 22 кГс. Плата контроллера при напряжении питания 12 В потребляла мощность 0,8 Вт. Суммарная потребляемая мощность в процессе регулирования не превышала 21 Вт, а в статическом режиме не превышала 8 Вт.

Таким образом, потребляемая мощность заявляемого пропорционального электрогидрораспределителя оказалась более чем в три раза меньше, чем мощность прототипа. Этот факт делает возможным применение заявляемого устройства во взрывобезопасных средах, где мощность искробезопасных цепей ограничена по величине.

При использовании золотников и гильз различной конфигурации в заявляемом устройстве возможно реализовать любую гидравлическую схему распределителя согласно ГОСТ 24679-81.

При использовании заявляемого гидрораспределителя в качестве распределителя прямого действия применяется конструкция золотниковой пары, регулирующей расход рабочей жидкости, при использовании заявленного распределителя в качестве пилотного управления распределителем непрямого действия применяется конструкция золотниковой пары, обеспечивающей регулирование выходного адресного давления.

Заявляемое устройство можно использовать для каналов с проходным сечением (диаметром условного прохода Ду) 16 мм при давлении до 32 МПа, при этом его известные аналоги ограничены диаметром условного прохода Ду до 10 мм, а для больших Ду вынуждены применять распределители с непрямым управлением силового золотника.

Таким образом, заявляемое устройство существенно расширяет арсенал пропорциональных электрогидравлических распределителей прямого действия во взрывозащищенном рудничном исполнении, при одновременном существенном снижении потребляемой мощности с сохранением габаритно присоединительных и весовых характеристик.

Источники информации:

1. https://www.arttool.ru/catalog/equipment/gidravlicheskoe-oborudovanie/napravlyayushchie-gidroraspredeliteli-s-proportsionalnym-elektromagnitnym-upravleniem-hd3-ps-32-l-mi/

2. Каталог выпускаемых изделий, 1998 г., ГСКТБ ГА, Гомель.

3. В.К. Свешников. Станочные гидроприводы, 1995 г., Москва.

4. В.К. Свешников. Гидрооборудование. Международный каталог, РИА, 1995 г.

5. Каталог "Proportional-, Regel- und Servoventil, Elektronik-Komponenten und System", фирма "Mannesman Rexroth", 1993 г.

6. Каталог HY11-3500/RU Гидравлика Parker. Пропорциональные гидрораспределители.

Claims (1)

1. Пропорциональный электрогидравлический распределитель прямого действия, содержащий корпус с рабочими каналами линий нагнетания, слива и потребителя, с размещенным в нем и центрированным возвратными пружинами золотником, выполненным с возможностью перемещения из нейтральной позиции в нужное конечное положение под действием пропорционального электромагнита, состоящего из электромагнитной муфты с якорем, отличающийся тем, что электромагнит дополнительно содержит подвижный полюс, расположенный внутри электромагнитной муфты соосно с якорем, при этом ближний к якорю конец золотника жестко соединен с ним, а к подвижному полюсу электромагнитной муфты через винтовую передачу присоединен вал гибридного шагового двигателя, закрепленного на торце корпуса гидрораспределителя.

Images