Дистанционное пропорциональное управление гидроприводом

 

Гидрораспределители с пропорциональным управлением, применяемые в гидроприводах мобильных машин, создаются в виде гидроагре­гата, выполняющего функции распределения рабочей жидкости, регу­лирования расхода, ограничения максимального давления и разгрузки гидросистемы. Заданный расход жидкости в пропорциональных гидро­распределителях осуществляется изменением положения запорнорегулирующего элемента (золотника), т.е. изменением проходного сече­ния в гидролинии, соединяющей насос с потребителем. Перемещение золотника достигается за счет создания разности давления в полос­тях управления.

Оригинальную схему электрогидравлического управления приме­нила фирма "Danfoss" (Дания). Изменение положения золотника гидрораспределителя в этой конструкции осуществляется с помощью электрогидравлических преобразователей, оснащенных релейными электромагнитами. На рис. 61 представлена принципиальная схема управления гидрораспределителем.

Гидравлическая часть схемы управления гидрораспределителем 1 состоит из мостовой схемы, в состав которой входят клапаны 16-19. Для управления этими клапанами служат электромагнитные пилоты 6 и 8, которые включаются электрическим током, поступающим от усилителей 7 и 9. Усилитель 10 служит для включения электромагнитного пилота 11, который управляет открыванием клапана 12. давление уп­равления определяется редукционным клапаном 13 с использованием основной напорной гидролинии насоса 21. Диагональные точки мосто­вой схемы подключены к полостям управления 2 и 20 золотника гид­рораспределителя. Фактическое положение золотника определяется индуктивным датчиком 3 и сравнивается устройством 4 с величиной задающего устройства. Сигнал рассогласования поступает на усили­тели 7,9,10. При выключенных пилотах клапаны мостовой схемы нахо­дятся в открытом состоянии, и золотник гидрораспределителя цент­рируется пружинами в нейтральной позиции, т.е. давление в полос­тях управления равно давлению слива. При этом золотник может быть перемещен от рукояти управления, которой дополнительно снабжаются гидрораспределители фирмы " Danfoss ".

Если включен электромагнит 6, то давление управления посту­пает в полости клапанов 18 и 17, которые, закрываясь, создают давление в полости управления 2 золотника гидрораспределителя 1. Золотник перемещается вправо.

Если включен электромагнит 8, давление управления поступает в полости клапанов 18 и 17, которые, закрываясь, создают давление в полости управления 20 золотника, и он перемещается влево.

Удержание золотника в заданном положении происходит при включении обоих электромагнитов 6 и 8 в момент наименьшего рассогласования.

При большом рассогласовании между величинами сигналов, поступающих от датчика 5 и измерителя фактического положения 3 золотника, включается дополнительно электромагнит 11, открывая клапан 12. Поток управления в этом случае проходит через жиклеры 14 и 15, увеличивая скорость перемещения золотника.

Преимущество рассмотренной схемы управления перед системами: пропорциональными электромагнитами состоит в небольшой мощности тока управления, величина которого составляет 6-8 Вт. а сила тока управления при номинальном напряжении питания 24 В находится на уровне 0,25 МА.

 

 

Рассмотренная выше гидравлическая схема управления реализо­вана на некоторых мобильных машинах. На рис.62 представлена схема управления гидроманипулятором лесной машины.

Выходной сигнал, поступающий на распределитель, может быть механическим, гидравлическим или электрическим. Гидрораспределители, которые управляются электрическим сигналом, имеют электри­ческий модуль, в котором электрический входной сигнал необходимой величины преобразуется в гидравлический сигнал, перемещающий ос­новной золотник. Положение золотника при помощи индуктивного дат­чика (Р) преобразуется в электрический сигнал (действительная ве­личина), который регистрируется в электрическом блоке.

Сигнал рассогласования между требуемым и действительным значениями поступает на усилитель, который приводит в действие три электромагнитных клапана. Клапаны SV1 и SV2 определяют направле­ние, а клапан SVЗ - скорость перемещения основного золотника. Знак величины рассогласования определяет очередность срабатывания электромагнитов SV1 и SV2.

Гидравлический сигнал от электромагнитных клапанов через об­ратные клапаны управляет потоком рабочей жидкости, перемещающей основной золотник. Когда золотник достигает положения согласие требуемому расходу жидкости, электронный блок регистрирует рас­согласование между требуемым и действительным значениями, равными нулю. Клапаны SV 1 и SV2 запирают основной золотник в данной пози­ции до тех пор, пока не изменится снова величина входного сигна­ла.

Рассмотренный принцип управления устраняет нежелательное влияние трения, гидродинамические силы и загрязнение жидкости. Электронный блок находится в герметичном корпусе, который предохраняет его от вибрации и влажности.

Управление золотником может быть и чисто механическим. Используя механическое управление, можно преодолеть силы, действующие на основной золотник.

Широкое распространение на мобильных машинах получают пульты гидравлического дистанционного управления гидроаппаратурой, кото­рые позволяют управлять перемещением золотников (распределителя. дросселя, регулятора подачи насоса) пропорционально перемещению рукоятки.

Блок гидравлического управления представляет собой гидроусилитель, выполненный в виде регулируемого от рукоятки редукционного клапана, на выходе которого устанавливается давление, пропор­циональное углу наклона управляющей рукоятки. Блок управления в основном исполнении может иметь четыре редукционных клапана и обеспечивать дистанционное управление двумя распределительными золотниками.

 

Рис.63 иллюстрирует конструктивную схему устройства управле­ния (тип THF 6 Mannesmann Rexroth).

Данное устройство включает в себя рукоятку управления (1), четыре редукционных клапана, корпус (6) и электромагнитный замок.

Каждый редукционный клапан (2) состоит из пружины управления (3), возвратной пружины (4) и плунжера (5). В исходном нейтраль­ном положении рукоятка удерживается возвратными пружинами. Когда рукоятка отклоняется, плунжер (5) сжимает пружины 4 и 3. Пружина управления (3) перемещает золотник управления (2) вниз и перекрывает сообщение между соответствующим отверстием и отверстием, со­единяющемся с гидробаком. В то же самое время соответствующее от­верстие' подключается к напорной гидролинии через канал (8).

Процесс управления начинается, как только золотник управле­ния (2) уравновесится с одной стороны силой пружины (3), а с дру­гой - силой давления жидкости в соответствующем отверстии (1,2,3 или 4). Благодаря взаимодействию между золотником управления {2} и пружиной (3) давление в соответствующем отверстии пропорцио­нально ходу толкающего плунжера (5) и, следовательно, углу накло­на рукоятки управления (1).

С целью фиксирования рукоятки управления в наклонном положе­нии в данной конструкции применяется электромагнитный замок. Под толкающим плунжером (5) установлена дополнительная пружина (7). Поэтому, чтобы удерживать эту пружину в сжатом состоянии, требу­ется большое усилие, особенно в конце хода плунжера (5) и рукоят­ки управления (1). Это положение достигается при контакте кольца (10) с якорем электромагнита (П). При возбуждении электромагнита рукоятка управления (1) удерживается в ее конечном положении благодаря электромагнитной силе. Замок освобождается автоматически при отключении электромагнита.

На рис. 64 представлен блок дистанционного управления типа 2 ТН5 (Mannesmann Rexroth). Он состоит из рукоятки управления (3), двух редукционных клапанов и корпуса (8).

Каждый редукционный клапан включает золотник управления (4), пружину (5), возвратную пружину (6) и плунжер (7). В нейтральном положении рукоятка управления удерживается двумя возвратными пружинами (6), отверстия 1 и 2 соединяются с гидробаком через просверленный канал (9). Как только рукоятка (3) включена, плунжер (7) выталкивается возвратной пружиной (6) и пружиной управления (5). Пружина (5) перемещает золотник управления (4) вниз. В зависимости от направления и отклонения рукоятки, отверстие Р соеди­няется с отверстием 1 или 2 через просверленный канал (9) и. та­ким образом, возрастает давление в том или ином отверстии. Одновременно давление поднимается до уровня управляющего давления, ус­танавливаемого пружиной (5) и золотником (4). Последний поддерживает давление постоянным.

 

Благодаря взаимодействию между пружиной (5) и золотником управления (4) давление устанавливается пропорциональным ходу плунжера (7) и, следовательно, положению рукоятки управления (3).

Для работы с электрогидравлическими распределителями выпускаются специальные электронные блоки дистанционного управления (rexroth).

Управляющая рукоятка блока устанавливается шарнирно анало­гично блокам гидравлического управления. Центрирующая пружина при отсутствии на рукоятке управляющего усилия удерживает ее в центральном положении. При наклоне рукоятки ее движение передается на два потенциометра, оси которых расположены перпендикулярно одна другой. Выходной сигнал потенциометра поступает в электрический блок. Кинематически устанавливается такая связь между рукояткой и потенциометром, что полный ход рукоятки по диагонали соответству­ет полному циклу изменения величины управляющего тока.

Рукоятка рассчитана на управление двумя золотниками и, соответственно, она может совершать "крестообразное" движение в двух перпендикулярных плоскостях, причем движение в одной плоскости обеспечивает полное перемещение элемента управления одного потенциометра. Управляющее напряжение с потенциометра поступает на широтно-импульсный модулятор. Модулированный сигнал поступает на соответствующий пропорциональный электромагнит.

Использование принципа усиления сигнала в сочетании с широтно-импульсным модулированием позволяет обеспечить при компактном исполнении электронного блока небольшие потери мощности на управление, снизить влияние изменений сопротивления индуктивных обмо­ток на качество управления. Значительно компенсировано влияние колебаний бортового напряжения с обеспечением надежного привода золотников распределителей.

Фирмой "Danfoss" разработан ряд блоков электронного управле­ния пропорциональной гидроаппаратурой. Блоки сконструированы на основе потенциометров керамического типа и электронных усилите­лей. Набор (типа PVRE) включает блоки: с одной центральной руко­яткой, управляющей одним потенциометром и одним золотником: с одной центральной рукояткой за счет "крестообразного" движения управляющей двумя потенциометрами; с двумя линейно движущимися рукоятками, управляющими двумя потенциометрами.

 

Некоторые параметры электронных пультов

фирмы "DanFoss"

 

Угол отклонения рукоятки, град.

блоки с одной рукояткой.................... 18

блоки с двумя рукоятками................... 23

 

Усилие отклонения рукоятки, Н

начальное.................................. 0,4

конечное................................... 0,55

 

Масса, кг.......................................... 1,3

 

Максимальный ток (А) при питании 12 В.............. 0,6

 

Ток на аналоговом выходе (А) при питании 24 В...... 1,2

 

На рис.65 показана схема дистанционного управления с одной центральной рукояткой.

Разработанный фирмой "Mannesmann Rexroth" блок (тип М 10) обеспечивает высокое качество дистанционного пропорционального управления гидрораспределителями мобильных машин.

На рис.66 представлена типичная схема блока с электрогидравлическим управлением.

 

1 - блок дистанционного управления;

2 - клапан "ИЛИ";

3 - поток управления на выходе из блока;

4 - программируемый электронный модуль;

5 - пропорциональные редукционные клапаны;

6 - распределитель с пилотным управлением;

7 - устройство для пилотного управления;

8.1 - встроенная система потока управления;

8.2 - раздельная система потока управления;

9 - рабочий поток

 

 

Дистанционное управление находит все более широкое примене­ние в современных мобильных машинах (рис.67). Ведущими мировыми фирмами предлагается целая гамма устройств для дистанционного ул­овления. На рис.68 показаны некоторые из элементов управления, выпускаемых фирмой "Monsun-Tison".

 

ПРИМЕР СОВРЕМЕННОЙ ЛЕСНОЙ МАШИНЫ

(форвардер 810 FMG Timbergack)

 

5.1. Основные технические характеристики

 

Одна из последних моделей лесных машин фирмы FMG Timbergack форвардер 810 Б представляет собой машину, в которой реализованы современные научно-технические и конструкторские решения.

Общий вид форвардера показан на рис.69.

 

 

Основные технические данные машины:

Габаритные размеры:

Длина                       7815 мм

Колесная база               4200 мм

Ширина                      2520 мм

Высота                      3700 мм

Вес                         10500 кг

Номинальная нагрузка        8500 кг

 

Двигатель

 

Perkins              1004-4Т                                             

Мощность (максимальная)     82 квт (111 л.с.)

при n = 2400 об/мин

Крутящий момент (максимальный) 348 Нм (n = 1600 об/мин)

 

Трансмиссия

 

Гидромеханическая трансмиссия. Редуктор с понижающей иповышающей ступенями. Обеспечивается плавное трогание с места при по мощи педали без снижения частоты вращения вала двигателя.

 

Максимальное тяговое усилие 110 кН

Максимальная скорость движения 27 км/ч

 

Управление

 

Управление сочлененной рамой при помощи двух цилиндров  управления. Угол управления ± 40°. Экстропропорциональное управление двумя рукоятками (joyctick).

 

Гидросистема

 

Гидравлическая система, чувствительна к нагрузке (LS), с регулятором мощности.

 

Рабочее давление            24 Мпа

Подача насоса               178 л/мин

 

Гидроманипулятор

Loglift 51 F

 

Момент подъема                   56 кНм

Радиус действия             6,7/8,9/9,8

 

Манипулятор новой конструкции форвардера 810 Б - Логлифт F51 повышенной грузоподъемности. Гидравлическая система манипулятора - система, чувствительная к нагрузке (LS), которая обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия и, следовательно экономит топливо.

 

5.2. Гидросистема манипулятора и основных механизмов форвардера

 

На рис.70 и рис.71 приведены гидросхемы манипулятора и основных механизмов форвардера 810 Б.

На рис.70: 1 - гидробак; 2 - фильтр; 3 - сапун; 4 - воздушный клапан; 5 - быстрое соединение для заправки системы рабочей жидкостью; 6 - реле давления; 7 - щуп для проверки уровня жидкости; 8 - насос; 9 - фильтр высокого давления; 10 - индикатор фильтра;  11 - сужение; 12 - регулируемый дроссель с обратным клапаном; 13 - блок распределителей; 14 - блок распределителей; 15 - точки подключения манометров; 16 - передний осевой замок; 17 - задний осевой замок; 18 - устройство выключения привода задних колес;    19 - зубчатый механизм; 20 - пилотный клапан механизма управления машиной; 21 - пилотный клапан; 22 - гидроцилиндр подъема; 23 -гидроцилиндр; 24 - гидроцилиндр стрелы удлинения;. 25 - механизм поворота манипулятора; 26 - переливной клапан: 27 - захват; 28 -ротатор; 29 - управление сочлененной рамой.

 

 

На рис.71: 1 - клапан управления; 2 - клапан управления; 3 - клапан "ИЛИ"; 4 - клапан коникового зажимного устройства: 5 -клапан быстрого подключения; 6 - вакуумный насос: 7 - гидрораспределитель; 8 - вакуумный клапан; 9 - сапун; 10 - воздушный фильтр; 11 - клапан быстрого подключения; 12 - насос для заправки системы маслом.

 

 

На рис. 72 показана гидросхема тормозной системы форфардера.

 

 

 

5.3. Гидротрансмиссия форвардера

 

Гидромеханическая трансмиссия форвардера включает три основ­ных части: механическую, гидравлическую и электрическую.

Гидростатическая передача состоит из гидронасоса, соединен­ного с зубчатой передачей с ускоряющей и поникающей ступенями и гидромотором, соединенным с дизелем.

Гидронасос и гидромотор работают по принципу гидросистемы с замкнутым потоком, в которой рабочая жидкость от гидродвигателя поступает во всасывающую гидролинию насоса.

Гидронасос и гидромотор являются поршневыми регулируемыми гидромашинами. Направление вращения вала насоса всегда одно и то же. Рабочий объем насоса регулируется при помощи двух распределителей с электропропорциональным управлением, один из распредели­телей регулирует наклонный диск в одном направлении, а другой - в противоположном направлении.

Эта система измеряет направление вращения и подачу рабочей жидкости насосом. Следует также отметить, что величина тока управления на пропорциональном распределителе и подача насоса могут изменяться за счет регулирования частоты вращения вала дизельного двигателя.

Направление вращения и скорость гидромотора зависят от направления движения и зеличины подачи рабочей жидкости, поступающей от насоса.

Рабочий объем гидромотора регулируется поворотом вала мото­ра, при этом диск остается на месте.

Применяемая электронная система позволяет регулировать час­тоту вращения дизеля и угол наклона диска насоса в зависимости от величины сигнала, поступающего от педали управления. На рис 73 показана гидравлическая схема гидростатической трансмиссии.

На схеме: 1 - гидронасос; 2 - гидромотор; 3 - охладитель масла; 4 - обратный клапан, 0,2 МПа; 5 - термостат; 6 - реле давления, 10 МПа; 7 - датчик частоты вращения дизеля; 8 - датчик частоты вращения гидромотора; 9 - место подключения манометра; 10 - фильтр; 11,12, - место подключения манометров.

 

 

5.4. Применение в гидросистемах электронных и электрических устройств

 

Использование средств автоматики и электроники (микропроцессоров) на мобильных машинах наиболее в полной степени позволяет реализовать возможности гидравлики. К настоящему времени достиг­нуты большие успехи по созданию электронных блоков, отвечающих требованиям современных машин. Существенно повышена надежность электроники в тяжелых условиях эксплуатации, снижена чувствитель­ность к температуре, уменьшены габариты. Некоторое удорожание гидропривода компенсируется улучшением функциональных свойств.

На ряде моделей тракторов зарубежных фирм установлена следя­щая система на базе бортового компьютера, контролирующего все важнейшие параметры гидросистемы. Оператор оповещает о режиме ра­боты посредством системы звуковой и световой сигнализации. Так, например, нажатием кнопки определяют давление рабочей жидкости в напорной гидросистеме, а также температуру в сливной и всасываю­щей гидролиниях. Первой применила компьютер для управления гидроприводом трактора фирма "Комацу" (Япония).

Оптимизация технологического режима работы трактора реализуется благодаря компьютеру, который подключен к распределителю со следящим гидравлическим управлением, осуществляемым шаговым электродвигателем в комплекте с гидравлическим усилителем переме­щения основного золотника.

Использование электронных и электрогидравлических устройств создает большие возможности для совершенствования гидросистем: позволяет обеспечить гибкость компоновки гидроаппаратуры, разместить основную часть дистанционно управляемой гидроаппаратуры вне кабины. При этом появляется возможность уменьшения количества ли­митирующих надежность гидросистемы гидролинии за счет передачи энергии к исполнительным механизмам только по двум линиям (напор­ной и сливной) и разветвления последних непосредственно у гидродвигателей.

Для повышения производительности и надежности форвардера 81С Б применена компьютерная система управления машиной (ТМС).

На рис.74 приведена блок-схема данной системы.

 

Система ТМС включает независимые модули, способные сообщать­ся друг с другом при помощи специальной шины (CAN bus). Благодаря модульной структуре систему можно модифицировать согласно требованиям, предъявляемым разным машинам. Также информационные модули позволяют вести многостороннюю диагностику при различных рабочих условиях. Данная система оборудована графическим интерфейсом, который позволяет достаточно просто реализовать все ее возможности.

Система ТМС (Timberjack machine Control) может быть использована для управления работой форвардеров и многофункциональных машин. Она управляет работой дизельного двигателя, гидростатичес­кой трансмиссией, модулятором и связанными с ними вспомогательны­ми функциями.

Компьютерная система управления позволяет оператору программировать скорость движения форвардера и функционирование гидроманипулятора в соответствии с условиями работы. Такие она обеспечи­вает мониторинг за условиями эксплуатации важнейших узлов машины и при их неисправности своевременно оповещать оператора.