Гидравлические пропорциональные приводы

Расширение автоматизации делает необходимым управление такими параметрами гидросистем, как давление, расход и направление потока рабочей жидкости, с помощью средств электроники. Наилучшим интерфейсом между гидравлическими исполнительными механизмами и электронной системой управления являются пропорциональные клапаны. Для лучшей демонстрации преимуществ пропорциональной гидравлики можно сравнить три варианта гидропривода для токарного станка.

Рисунок 9.1 – Гидравлический пропорциональный привод

Принципиальная схема гидропривода подачи с ручным управлением (рис. 9.2). Давление и подачу насоса следует выставить при пуске системы в эксплуатацию. Для этого предохранительный клапан и дроссель должны иметь рукоятки настройки.

Расход и направление потока можно изменять при ручном воздействии на распределитель. Ни один из клапанов этой системы не имеет электрического управления, поэтому автоматизировать такой привод невозможно.

Рисунок 9.2 – Схема гидропривода подачи с ручным управлением

Принципиальная схема гидропривода подачи с электрическим управлением (рис.9.3). В случае электрогидравлической системы, распределитель имеет электрическое управление от дискретных электромагнитов. Такую систему можно автоматизировать, связав магниты распределителя с контроллером или другой электрической системой управления.

Но электрическая система управления не сможет влиять на значения давления и расхода. Если эти параметры потребуется изменить, работу станка придется остановить. Только после этого вручную можно настроить дроссель или предохранительный клапан.

Рисунок 9.3 – Схема гидропривода подачи с электрическим управлением

Принципиальная схема гидропривода подачи с пропорциональными клапанами (рис.9.4). Особенности этой схемы состоят в следующем:

• пропорциональный распределитель управляется электрическим сигналом, который изменяет величину расхода и направление потока рабочей жидкости, а скорость перемещения исполнительного органа изменяется за счет изменения расхода;

• второй сигнал управления воздействует на пропорциональный предохранительный клапан. Этим сигналом можно постоянно настраивать нужное давление.

Пропорциональный распределитель выполняется функцию регулировки расхода и распределителя. Пропорциональные клапаны управляются электрическими сигналами, поэтому, не прерывая работу станка, можно: с помощью пропорционального предохранительного клапана использовать более низкий уровень давления в режимах уменьшенной нагрузки (например, остановка подачи), что позволяет экономить энергию, осуществлять плавный старт и торможение каретки подачи с помощью пропорционального распределителя.

Все настройки пропорциональных клапанов осуществляются автоматически, т. е. без вмешательства оператора.

Рисунок 9.4 – Схема гидропривода подачи с пропорциональными клапанами

Поток сигналов и элементы пропорциональной гидравлики. Электрический входной сигнал в виде напряжения 0…±9-10в или тока 4…20мА преобразовывается в электронным усилителем в соответствии с величиной напряжения в электрический ток (рис. 9.5). Пропорционально такому электрическому току посредством регулируемого электромагнита создается сила, которая вызывает перемещение рабочего элемента, что в свою очередь приводит к изменению объемного расхода или давления на устройстве. Это изменение происходит пропорционально входному электрическому сигналу

Рисунок 9.5 – Поток сигналов и элементы пропорциональной гидравлики

Регулируемые электромагниты являются связующим звеном между электроникой и гидравликой. Пропорционально электрическому току (входной величине), они создают силу и перемещение (выходную величину) на рабочем органе.(рис.9.6)

Рисунок 9.6 – Конструкция пропорционального электромагнита

В зависимости от конструкции гидроаппарата для его управления используются один или два пропорциональных электромагнита.

Пропорциональный электромагнит разработан на основе дискретного электромагнита, который применяется в дискретных аппаратах электрогидравлики. Электрический ток, протекая по обмотке, создает электромагнитное поле. Это поле создает усилие, направленное по оси подвижного якоря, и может быть использовано для перемещения рабочего органа клапана.

Как и в дискретном электромагните, якорь, сердечник и корпус выполнены из легко намагничивающегося мягкого материала. Отличается пропорциональный электромагнит наличием управляющего конуса из немагнитного материала, который изменяет форму линий магнитного поля.

При правильном выборе размеров частей из мягкого магнитного железа и управляющего конуса, характеристика пропорционального электромагнита имеет примерно следующий вид, показанный на рисунке:

• Усилие на якоре увеличивается пропорционально силе тока, то есть увеличение силы тока вдвое приводит к двойному увеличению усилия.

• Усилие не зависит от положения якоря в пределах рабочей зоны, которая обычно составляет около 2 мм.

Рисунок 9.7 - Характеристика пропорционального электромагнита

В пропорциональном клапане усилие электромагнита действует против усилия пружины, которое стремится вернуть рабочий орган клапана на исходную позиции (рис. 9.8а). Характеристика пружины накладывается на характеристику магнита. Чем дальше вправо уходит якорь, тем больше сила пружины.

а)б)

в) г)

Рисунок 9.8 – Принцип действия пропорционального электромагнита

• При небольшом токе сила F электромагнита уменьшается, и пружина, соответственно, почти отпущена (рис. 9.8, а, в);

• Усилие на якоре возрастает при увеличении тока. Якорь перемещается вправо и сжимает пружину (рис. 9.8,б, д).

Срабатывание клапанов давления, дроссельных клапанов и распределителей. В клапанах давления пружина располагается между пропорциональным электромагнитом и клапанным затвором (рис.9.10).

Рисунок 9.9 – Схема клапана давления

При небольшом электрическом токе, протекающем через электромагнит, пружина лишь слегка сжата, и затвор откры­вается даже при небольшом давлении. С ростом электрического тока усилие на якоре электромагнита растет. Он смещается вправо и усилие затяжки пружины увеличивается. Теперь давление, при котором затвор может открыться, будет больше - в пропорции к усилию пружины и силы электрического тока.

В дроссельных клапанах (регуляторах расхода) и распредели­телях золотник расположен между пружиной и пропорциональным электромагнитом (рис. 9.10).

Рисунок 9.10 – Схема дроссельного клапана

При небольшой силе тока пружина слегка сжата, золотник находится в крайнем левом положении, проход жидкости за­крыт. С ростом электрического тока на электромагните золотник смещается вправо, клапан открывается, расход жидкости увеличивается.

На характеристики пропорционального клапана отрицательно влияют намагничивание, трение и усилия, возникающие при обтекании рабочего органа жидкостью. Это приводит к тому, что положение якоря не бывает точно пропорционально про­текающему по магниту току.

Значительное улучшение точности позиционирования якоря можно получить, если управление производить по замкнутому контуру с обратной связью (см. рис. 9.11).

Рисунок 9.11 – Схема пропорционального клапана

Пропорциональный магнит и датчик положения образуют блок, встроенный в клапан.

Выделяют различные типы пропорциональных клапанов (табл. 9.1)

Таблица 9.1 – Типы пропорциональных клапанов

Типы клапанов	Входная переменная	Выходная переменная
Клапаны давления	Электрический ток	Давление
Ограничители расхода	Электрический ток	Степень открытия клапана расход (зависит от давления)
Распределители	Электрический ток	Степень открытия клапана направление потока расход (зависит от давления)
Регуляторы расхода	Электрический ток	Расход не зависит от давления

Соотношение между входным сигналом (электрический ток) и выходными сигналами (давление, степень открытия, направление потока или расход) можно представить в графической форме:

- по оси X указывается входной сигнал;

- по оси Y указывается выходной сигнал.

В случае строго пропорционального поведения клапана характеристика имеет вид прямой, т.е. является линейной (см. рис 9.12).

Рисунок 9.12 – Характеристики пропорциональных клапанов

Во многих случаях от пропорциональных клапанов требуется не только точно следовать изменениям входного электрического сигнала, но и делать это быстро. Быстрота реакции пропорционального клапана характеризуется двумя параметрами:

1. Временем срабатывания, т. е. временем, которое необходимо клапану, чтобы внести в выходной параметр изменение, соответствующее входному сигналу. Для быстродействующих клапанов это время невели­ко.

2. Частотой пропускания сигналов, которая показывает на сколько изменений сигнала в секунду данный клапан способен отреагировать.

Время срабатывания пропорционального клапана определяется следующим образом:

• сигнал управление изменяется пошагово;

• измеряется время, требуемое клапану для достижения соот­ветствующего этому изменению значения выходного пара­метра.

Чем больше изменение входного сигнала, тем больше время срабатывания. Более того, многие клапаны имеют разное время срабатывания на положительное и отрицательное изменение сигнала, даже если эти изменения равного значения.
Время срабатывания пропорциональных клапанов лежит в диапазоне от примерно 10 мс (быстродействующие клапаны, небольшие изменения входного сигнала) до примерно 100 мс (медленные клапаны, большие изменения входного сигнала).

Сигнал на пропорциональный магнит посылается электронной системой управления рис. 9.13. Порядок прохождения сигнала показан на рисунке. Следует различать две функции:

1) Задание уставок.

Значение входной переменной (уставки) задается электронным путем. Сигнал управления подается на выход блока в виде напряжения. Поскольку ток при этом слишком мал, управлять пропорциональным магнитом с помощью этого сигнала нельзя.

2) Усиление сигнала.

Электронный усилитель преобразует напряжение в электрический ток, сила которого оказывается достаточной для того, чтобы привести в действие клапан.

Рисунок 9.13 – Схема преобразования в электронном усилителе

Блок формирования входных сигналов (уставок) и усилитель могут конструктивно выполняться в виде различных электронных блоков:

1. Используется система управления (контроллер), способная выдавать только дискретные (двоичные) выходные сигналы. Блок формирования уставок и усилитель представляют собой отдельные модули (рис. 9.14, а).

2. Используется система управления, имеющая аналоговые выходные сигналы. Для задания установок отдельный блок не требуется (рис. 9.14, б).

3. Чаще всего используется смешанный вариант. Если система управления может выдавать только заданные значения напряжения, то дополнительные функции, встроены в усилитель (рис. 9.14, в)

Рисунок 9.14 – Варианты схем модулей

Усилители для пропорциональных магнитов выпускаются в двух конструктивных исполнениях:

- встроенными в клапан (интегрированная электроника);

- в виде отдельного модуля.

Три основных функции усилителя выполняются последовательно, как показано на рис.9.15:

• корректировка сигнала;

• широтно-импульсная модуляция сигнала или ШИМ (для преобразования сигнала);

• усиление (для получения сигнала нужной мощности).

Рисунок 9.15 – Клапан с пропорциональными магнитами, без контроля положения якоря

В клапанах с пропорциональными магнитами, имеющими контроль положения, в усилитель также встроены приемник сигнала с датчика положения и система управления по замкнутому контуру (рис. 9.16). Для этого требуются дополнительные блоки:

а) источник напряжения для питания индуктивной измерительной системы (датчика положения);

б) демодулятор (для преобразования сигнала напряжения от измерительной системы);

в) контроллер замкнутой системы управления, который сравнивает заданное значение положения якоря с текущим, в результате выдавая входной сигнал для широтно-импульсной модуляции.

Рисунок 9.16 – Клапан с пропорциональными магнитами, имеющие контроль положения

Области применения пропорциональных клапанов определяются:

• предельным давлением, которое может выдержать корпус;

• максимально допустимым усилием, возникающим на золотнике при обтекании его жидкостью.

Если сила, возникающая на золотнике при обтекании его жидкостью, становится слишком большой, пропорциональный магнит уже не сможет удерживать золотник в нужном положении. В результате положение золотника окажется неопределенным. Предельные параметры при использовании пропорциональных клапанов указываются производителем или в виде цифровых значений давления и расхода или в виде диаграмм.