Пропорциональные распределители обычно выпускают в одно- и двухступенчатом исполнении со встроенной обратной связью или без неё и выполняют по ряду диаметров условных проходов Dy = 6, 10, 16, 25, 32, 35, 52 мм согласно международных стандартов на стыковую плоскость ISO 4401 в диапазоне номинальных расходов от 8 до 520 л/мин при перепаде давления D Р = 1 МПа и номинальном давлении 31,5 МПа или 35 МПа. Конструктивное исполнение распределителей типоразмера Dу = 10 мм бывает двух видов – одно или двухступенчатое. Большой рабочий ход и диаметр золотника обеспечивают пропуск больших потоков жидкости при минимальных потерях давления. Гидроусилители при тех же номинальных расходах имеют перепад давления DP = 7¸10 МПа.
В пропорциональных гидрораспределителях применяют три типоразмера (габаритов в плане) электромагнитов пропорционального действия 35×35, 45×45, 60×60 мм с номинальными усилиями 50, 70, 145 Н соответственно, а также три типа гидравлических управляющих ступеней. Это пары регулируемого сопротивления: “отверстие-игольчатый клапан”, “золотник-втулка”, “сопло-заслонка”.
В качестве управляющего каскада в пропорциональных гидрораспределителях непрямого действия могут использоваться не только регуляторы давления, но и золотниковые гидроусилители с пропорциональный электрическим управлением. Следует только иметь ввиду, что в последнем случае для обеспечения пропорциональности между управляющим электрическим сигналом и перемещением золотника выходного каскада гидрораспределитель должен быть охвачен отрицательной обратной связью по положению золотника выходного каскада.
В качестве примера на рис. 6 показана одна из наиболее широко распространенных конструктивных схем двухкаскадных электрогидравлических усилителей, характеризующаяся наличием механической силовой обратной связи по положению золотника выходного каскада. На основе данной конструкции выпускают свои гидроусилители фирмы Moog Corporation серий D061, 076 [46, 73, 74], Mannesmann Rexroth GmbH – типа 4WS2EM и 4WSE3EE [46, 67], Vickers Systems – SM4 [65, 75] и др. Рассматриваемый электрогидравлический усилитель состоит: из электромеханического преобразователя (ЭМП) 1 поворотного типа, первого каскада гидравлического усиления, выполненного на базе двухщелевого дросселирующего гидроусилителя типа сопло-заслонка, и выходного (второго) каскада гидравлического усиления 2, выполненного на базе четырехщелевого дросселирующего гидрораспределителя с цилиндрическим золотником.
На рис. 7 показана конструкция однокаскадного электрогидравлического золотникового усилителя типа 4SS1E06 фирмы Mannesmann Rexroth [13], используемого для управления распределителями непрямого действия.
Рис. 6. Двухкаскадный электрогидравлический усилитель с механической силовой обратной связью по положению выходного каскада:
1 - электромеханический преобразователь (ЭМП); 2 - выходной каскад гидравлического усиления, 3 - катушка управления ЭМП; 4 - плоский якорь; 5, 6 - полюсные пластины; 7 -постоянный магнит; 8 - упругая трубка; 9 - ось (заслонка); 10, 11 - сопла; 12, 13 - постоянные дроссели; 14 - фильтр; 15, 16 - полости управления золотника выходного каскада; 17 - упругий рычаг обратной связи; 18 - штекерный разъем.
Основными узлами данного усилителя являются электромеханический преобразователь (ЭМП) 1 поворотного типа и четырехлинейный золотниковый дросселирующий гидрораспределитель 3. Золотник 2 гидрораспределителя 3 без зазоров соединен с рычагом 4 якоря 5 ЭМП 1 посредством специальной тяги 7, закрепленной в золотнике со стороны дальнего по отношению к рычагу 4 конца и проходящей через сквозное осевое отверстие золотника. Благодаря такой конструкции рассматриваемого соединения поворотное движение рычага 4 преобразуется в поступательное перемещение золотника 2 относительно его гильзы 10 при минимальном отклонении линии действия усилия передающегося на золотник со стороны рычага, от оси золотника. В результате уменьшаются силы трения в золотниковой паре и, соответственно, улучшаются статические и динамические характеристики гидроусилителя.
Рис. 7. Конструкция однокаскадного злектрогидравлического усилителя типа 4SS1E06 фирмы Rexroth:
1 - электромеханический преобразователь (ЭМП); 2 - золотник; 3 - четырехлинейный золотниковый дросселирующий гидрораспределитель; 4 - рычаг; 5 - якорь ЭМП; 6 - упругая трубка; 7 -тяга; 8 - регулировочный винт; 9 - корпус гидрораспредилителя; 10 - гильза золотника 2; А, В - исполнительные каналы
В данном случае золотниковая пара (золотник 2 - гильза 10) с нулевым перекрытием. Гильза 10 установлена в корпусе гидрораспределителя 3 с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и уплотнена резиновыми кольцами круглого сечения. Одним своим торцом гильза упирается в тарельчатую пружину, а другим взаимодействует с регулировочным винтом 8, ввернутым в крышку корпуса. Полости со стороны торцов золотника 2 и гильзы 10 соедини между собой через отверстие, выполненное в корпусе 9 и таким образом золотник и гильза разгружены от сил гидростатического давления в осевой направлении. В корпусе 9 выполнены напорный, сливной и исполнительные А и В каналы. Перечисленные каналы соединены с соответствующими проточками гильзы 10 и разобщены золотником 2 при его исходной среднем положении. Требуемое взаимное положение золотника 2 и гильзы 10 при отсутствии управляющего электрического сигнала обеспечивается путем поворота регулировочного винта 8.
Якорь 5 вместе с жестко связанным с ним рычагом 4 закреплен относительно корпусных деталей ЭМП 1 на упругой трубке 6, выполняющей одновременно две функции: возвратной пружины и герметичного разделителя между внутренней полостью собственно ЭМП. заполненной атмосферным воздухом, и полостью корпуса 9 гидрораспределителя 3, заполненной рабочей жидкостью.
На рис. 8 показана конструкция предохранительного клапана прямого действия с пропорциональным управлением типа DBETR фирмы Mannesmann Rexroth [13, 15]. Данный клапан состоит из следующих основных частей: корпуса 1, пропорционального электромагнита 2 с индуктивный датчиком 3 положения якоря, седла 4, конусного затвора 5, пружин 6, 8 и опорной шайбы 7.
Рабочая жидкость подводится к клапану через напорный какал Р, соединенный с отверстием под конусный затвор 5, выполнен в сопле 4, и отводится через сливной канал Т, соединенный с полостью в которой расположены затвор 5 и пружины 6 и 8. Усилие, создаваемое на якоре электромагнита 2, передается на конусный затвор 5 через пружину 6. которая одним своим торцом взаимодействует с затвором 5. а другим через шайбу 7 - с якорем. Пружина 8 установлена между седлом 4 и затвором 5. При нулевом токе управления в катушке электромагнита 2 она отжимает затвор 5 от седла 4, обеспечивая в указанном случае минимальные потери давления при движении рабочей жидкости через клапан.
Рис. 8. Конструкция предохранительного клапана прямого действия с пропорциональным управлением типа DBETR фирмы Rexroth.
1 - корпус; 2 - пропорциональный электоромагнит; 3 - индуктивный датчик обратной связи по положению якоря электромагнита: 4 - седло: 5 - конусный затвор; 6, 8 - пружины; 7 - опорная шайба пружины 6; Р, Т - соответственно напорный и сливной каналы
На рис. 9 показана конструкция регулятора давления с пропорциональным управлением типа 3DREP6 фирмы Mannesmann Rexroth [13, 15]. Рассматриваемый регулятор состоит из следующих основных частей: двух пропорциональных электромагнитов 1 и 2. корпуса 3. золотника 4 и двух поршней 5 и 6, выполненных с цилиндрическими головками большего диаметра и установленных в осевых расточках золотника со стороны его торцов. Со стороны каждого из своих концов золотник 4 подпружинен относительно корпусных деталей. Регулятор имеет напорный Р, сливной Т, а также исполнительные (рабочие) А и В каналы, к которым подсоединяется потребитель.
Рис. 9. Конструкция регулятора давления с пропорциональным управлением типа 3DREP6 фирмы Mannesmann Rexroth:
1, 2 - пропорциональные электромагниты; 3 - корпус. 4 - золотник; 5, 6 - поршни; Р, Т - соответственно напорный и сливной каналы А, В - исполнительные каналы
Одной из ведущих фирм по выпуску пропорциональных гидрораспределителей для станочной гидравлики является фирма Mannesmann Rexroth GmbH (ФРГ). Она выпускает серии одноступенчатых гидрораспределителей прямого действия типов 4WRA6 и 4WRE6, оснащенных двумя электромагнитами 45×45 мм, 4WRA10 и 4WRE10 – 60×60 мм, каждый из которых работает только в одну сторону, двухступенчатые модели 4WRZ, не оснащённые датчиком положения золотника. Конструктивно эти серии аналогичны, единственным отличием модели 4WRE служит наличие датчика перемещения на магните. Пропорциональные гидрораспределители прямого действия типа 4WRE оснащены датчиками обратной связи по положению золотника, что позволило уменьшить гистерезис и нелинейность до 1 %. Полоса пропускания составляет 3,5 и 11.0 Гц при ослаблении АЧХ –3 дБ.
Конструкция аппаратов серий 4WRE, 4WRZ, показана на рисунках 10, 11 соответственно.
Рис. 10. Конструкция пропорционального распределителя 4WRE
1-корпус, 2- пропорциональные электромагниты, 3- датчик обратной связи, 4-золотник, 5-пружина, 6-стопор
Регулятор давления с пропорциональным управлением предназначен для получения на его выходе перепада давления или давления, пропорционального величине входного электрического сигнала, и представляет собой трехлинейный редукционный клапан прямого действия с пропорциональным электромагнитным управлением или комбинацию из двух подобных клапанов. Гидравлическая часть данного аппарата выполнена в виде золотника с расточками в торцах, в которые вставлены плунжеры. Регулятор давления оснащен электромагнитом типа 45×45 мм.
Рис. 11. Конструкция пропорционального распределителя 4WRZ
1 – регулятор давления с пропорциональным управлением типа 3DREP6, 2 – пропорциональные электромагниты; 3 – корпус управляющего каскада; 4 – золотник; 5. 6 – поршни; 7 – корпус основного каскада; 8 – основной золотник; 9 – пружина; 10, 12 – полости управления золотника 8; 11 – крышка пропорционального электромагнита с кнопкой аварийного включения; 13 – тяга; Р, Т – соответственно напорный и сливной каналы; А, В – исполнительные каналы; X, Y – соответственно напорный и сливной каналы управления
Основная ступень распределителя выполняется с положительным перекрытием золотника и с дросселирующими пазами на четырех рабочих кромках. При большом ходе золотника изменение площади открываемых им проходных сечений достигается за счет того, что в пределах хода золотника жидкость из одной полости распределителя в другую может перетекать только через дросселирующие прорези в них. При работе пропорционального распределителя площадь открываемых проходных сечений всегда определяется лишь небольшой частью периметра поперечного сечения пояска золотника. Прорези имеют такую форму, при которой зависимость площади открываемых золотником проходных сечений от смещения золотника относительно нулевого положения происходит по экспоненциальной зависимости, которую называют прогрессивной. При реализации указанной прогрессивной зависимости относительная погрешность регулирования расхода рабочей жидкости оказывается примерно одинаковой на протяжении всего хода золотника и, таким образом, обеспечивается высокая точность регулирования расхода в области малых расходов.
На рис. 12 показана конструкция пропорционального гидрораспределителя непрямого действия типа 4WRV фирмы Mannesmann Rexroth [13].
В качестве управляющего каскада 6 в этом гидрораспредслитель используется однокаскадный золотниковый усилитель типа 4WS1E06, который прикреплен к корпусу 1 основного (выходного) каскада.
Между золотником 2 основного каскада, установленным в соответствующей расточке корпуса 1. и крышками 4 и 7 корпуса размещены две, одинаковые предварительно поджатые пружины 3, каждая из которых одним своим торцом через опорную шайбу 5 упирается в золотник и в корпус, а другим - в соответствующую крышку. Каждая из пружинных полостей соединена отверстиями в крышках и корпусе с одним из исполнительных каналов управляющего каскада 6 и, таким образом, одно временно выполняет функции полости управления золотника 2.
Рис. 12. Конструкция непрямого действия с пропорциональным управлением типа 4WRV фирмы Rexroth:
1- корпус основного каскада; 2 - основной золотник; 3 - корпус основного каскада; 2 - основной золотник; 3 - пружина; 4, 7 - крышки; 5 - опорная шайба; 6 - управляющий каскад; 8 - индуктивный датчик обратной связи по положению золотника 2, Р, Т -соответственно напорный и сливной каналы; А, В - исполнительные каналы; X. У - соответственно напорный и сливной каналы управления
Гидрораспределитель снабжен индуктивным датчиком 8 перемещения золотника 2. Указанный датчик ввернут своим входным штуцером резьбовое отверстие, выполненное в крышке 7. Магнитный элемент датчика закреплен в державке, которая жестко соединена с золотником и проходит внутрь датчика через упомянутое отверстие в крышке 7.
В исходном состоянии золотники управляющего и основного каскада пропорционального распределителя занимают среднее (нейтральное) положение.
Гидрораспределитель имеет напорный Р. сливной Т и исполнительные (рабочие) А и В каналы (к которым подсоединяется потребитель), а также напорный Х и сливной Y каналы для подвода и отвода жидкости к управляющему каскаду.
Фирма Vickers Systemtechnic (США) производит одноступенчатые распределители серии KDG4V, конструктивно аналогичные моделям 4WRA, а серии KFDG4V –моделям 4WRE фирмы Mannesmann Rexroth.
Фирма Hydraulik Ring GmbH (ФРГ) выпускает пропорциональные гидрораспределители, комплектующиеся двумя различными управляющими ступенями. Первый вариант – игольчатый предохранительный клапан с регулируемым дросселем типа игла, укрепленная на якоре электромагнита и седло, вставленное в корпус, конструкция которого показана на рис. 8. Второй вариант – “золотник-втулка”, конструкция которого показана на рис. 9. Первое исполнение характеризуется малым гистерезисом, высоким быстродействием, но имеет большие перетечки по первому каскаду, второе имеет больший гистерезис и нечувствительность, но малые потери в управляющей ступени.
Фирма Herion-Werke KG (ФРГ) выпускает серию одноступенчатых пропорциональных распределителей прямого действия Dy=10 мм S10UR, S10UN, оснащенных датчиками положения золотника. Они имеют рабочее давление 31,5 МПа, рабочий расход для S10UR от 85 до 105 л/мин, для S10UN, изготавливаемого с золотником с прецизионными перекрытиями, максимальный расход составляет 190 л/мин при перепаде давления 16 МПа, гистерезис и нелинейность 1%, ослабление АЧХ –3дБ при 50 % входном сигнале 25 Гц.
Фирма Hoerbiger Hydraulik GmbH (ФРГ) производит пропорциональные гидрораспределители прямого действия P22 исполнений Dy=6 и 10 мм.
Фирма Schneider GmbH & Co (ФРГ) выпускает пропорциональные гидрораспределители прямого действия Dy=6 и 10 мм типов HVM130, HVM131.
Фирма Hydrolux Hydraulic Systems (Люксембург) выпускает гидрораспределители прямого действия без обратной связи типа WPE4PAON, с датчиком положения золотника WPE4PAСON/WA, исполнений Dy=6, 10 мм.
Дальнейшее совершенствование пропорциональных гидроаппаратов осуществляется путем превращения их из пропорциональных в регулирующие, через оснащение контуром обратной связи по выходным параметрам – расходу и давлению. Эта тенденция хорошо подтверждается последними разработками передовых зарубежных фирм. Фирма Robert Bosch GmbH серийно выпускает P/Q регулятор для насосов. P/Q регулятор фирмы Moog также является аппаратом двухцелевого назначения, которым можно регулировать как расход, так и давление. В зарубежной литературе эти гидроаппараты имеют название регулирующих распределителей и конструктивно представляют собой компактный узел со встроенными электроникой для регулирования положения золотника и датчиком давления. Фирма Herion-Werke KG дает отличительные особенности пропорциональных, регулирующих распределителей и гидроусилителей. Пропорциональные распределители имеют пропорциональный магнит мощностью до 50 Вт и рабочим током до 2,4 А, золотник с положительным перекрытием и без датчика положения, расход замеряется при перепаде давления 10 МПа, гистерезис до 4 %, нелинейность до 1 %, полоса пропускания при 50 % входном сигнале до 30 Гц, время срабатывания 25…60 мс. Регулирующие распределители имеют пропорциональный магнит мощностью 50 Вт с рабочим током до 2,4 А. Золотник оснащается датчиком положения как при положительном, так и при нулевом перекрытии, расход замеряется при перепаде давления 10 МПа, гистерезис и нелинейность до 1 %, полоса пропускания при 5 % входном сигнале до 100 Гц, время срабатывания 25…60 мс. Гидроусилители оснащаются поляризованным электромагнитом поворотного типа мощностью 0.01…1 Вт с рабочим током до 0.1 А, расход замеряется при перепаде давления 7 или 10 МПа, золотник с нулевым перекрытием может иметь или не иметь датчик положения при гистерезисе до 3 %, нелинейности до 1 %, полосе пропускания при 50 % входном сигнале свыше 100 Гц, времени срабатывания 510 мс.
Фирмой Robert Bosch GmbH (ФРГ) выпускается универсальная ступень регулирования на базе золотника с нулевыми перекрытиями и гильзы с окнами, выполненными с высокой точностью, с электромагнитом 45×45 мм и датчиком положения золотника, который используется в качестве управляющей ступени в двухступенчатых гидрораспределителях. Высокая точность изготовления деталей увеличивает стоимость на 20…25 % по сравнению с обычными пропорциональными распределителями. Конструктивное исполнение – четырехпозиционное. При отключенном электромагните золотник пружиной выводится в положение, отключающее питание, и соединяющее между собой рабочие полости и слив. Конструктивная схема управляющей ступени представлена на рисунке 13. Для уменьшения гистерезиса в регулирующих распределителях фирмы Robert Bosсh применяется датчик перемещения на основной ступени. Частотные характеристики управляющей ступени фирмы Robert Bosch представлена на рисунке 14.
Рис. 13. Конструктивная схема управляющей ступени фирмы Robert Bosch
Рис. 14. Частотные характеристики управляющей ступени фирмы Robert Bosch
На базе тех же концепций выполнены регулирующие распределители фирмы Vickers Systemtechnik. Распределитель прямого действия модели KSDG4V-3 конструктивно аналогичен универсальной ступени управления фирмы Robert Bosсh.
Фирмой Mannesmann Rexroth GmbH выпускаются регулирующие распределители, конструктивно очень схожие с вышеприведенными. Регулирующий распределитель 4WRS6 с позиционным магнитом и датчиком положения золотника с интегрированной электроникой применяется в качестве первой ступени в двухступенчатых распределителях типа 4WRTE, которые интегрированной платой предварительного усиления сигнала.
Применение гидравлических аппаратов со встроенной электроникой позволяет обеспечить комплектность поставки из одних рук, упростить трассировку цепей управления в электрогидравлических следящих приводах и повысить их помехоустойчивость и надежность. Фирма Herion-Werke KG для таких технических решений запатентовала термин “Fluidtronik”, в отечественной практике электронно-гидравлические узлы получили название гидравлических элементов мехатроники. Фирма Atos Olcodinamica S.P.A.(Италия) предлагает гамму мехатронной гидроаппаратуры на давление до 25 МПа и расход до 1200 л/мин. Фирмой Duplomatic (Италия) разработаны пропорциональные гидрораспределители со встроенной электроникой. Датчик перемещения и электронный блок также могут встраиваться непосредственно в корпус электромагнита пропорционально управляемого распределителя.
Технические характеристики наиболее распространенных типов гидроусилителей и пропорциональных гидрораспределителей приведены в приложении.