Гидравлические усилители

Тема: Гидравлические усилители

Вопросы:

1. Общее понятие о ГУ.

2. Применение ГУ.

3. Принцип действия ГУ.

1. Гидравлическим усилителем называется устройство, перемещающее золотник или иное управляющее устройство гидравлического исполнительного механизма и одновременно усиливающее мощность входного сигнала.

Давление жидкости в напорной магистрали гидроусилителей может варьироваться от 7 до 300 кг/см². Вес гидроусилителей находится в пределах от 0,3 до 20 кг. Мощность потока жидкости, управляемая гидроусилителем, может изменяться в диапазоне от 1 до 206 кВт, а коэффициент усиления по мощности - в пределах 300... 300000.

Гидравлический усилитель (бустер) имеет следующие преимущества перед другими усилительными устройствами:

• высокую чувствительность к перемещению входного звена управления;
• высокую скорость исполнения,
• практическое согласование динамики входного и выходного звеньев;

большое развиваемое усилие, зависящее  только от давления гидрожидкости и  диаметра цилиндра исполнительного  механизма

2. Первый патент, связанный с гидравлическим усилением, был получен Фредериком Ланчестером в Великобритании в 1902 году. Его изобретение представляло собой «усилительный механизм, приводимый посредством гидравлической энергии». В 1926 году инженер подразделения грузовиков компании Пирс Эрроу (англ. Pierce Arrow) продемонстрировал в компании Дженерл моторс гидроусилитель руля с хорошими характеристиками, однако автопроизводитель посчитал, что эти устройства будут слишком дорогими, чтобы выпускать их на рынок. Первый предназначенный для коммерческого использования гидроусилитель руля был создан компанией Крайслер в 1951 году, и сейчас большинство новых автомобилей укомплектовывается подобными устройствами.

В гидравлических элементах  автоматики в качестве источника  вспомогательной энергии используют жидкость под давлением, обычно трансформаторное масло. Гидравлический усилитель один из основных узлов гидравлических систем и регуляторов. Областью применения гидравлических регуляторов являются объекты, для управления регулирующими органами которых требуются значительные усилия и быстродействие.

Гидроусилители используются для построения высококачественных быстродействующих гидравлических и электрогидравлических следящих систем и систем автоматического регулирования.

3. Принцип действия гидроусилителя основан на автоматическом поддержании согласования между входом и выходом и слежении выходного звена за входом, разность между которыми дает рассогласование, приводящее в действие исполнительный механизм, восстанавливающий согласование.

 Гидравлические усилители служат для увеличения давления или расхода рабочей жидкости, поступающей от датчика под небольшим давлением. В ряде случаев рабочая жидкость должна подаваться в исполнительные звенья в виде рабочих гидроцилиндров под давлением до 20 МПа. При этом чаще всего приходится регулировать величину и направление потока рабочей жидкости с помощью малых гидравлических или других сигналов. Усилителями служат гидрораспределители и струйные трубки. Гидрораспределитель представляет собою цилиндр, на штоке которого закреплены два поршня (двухкромочный гидрораспределитель). Бывают гидрораспределители и с четырьмя поршнями.

Жидкость, подаваемая под  большим давлением от насоса, не может переместить одинаковые по размерам поршни, так как давление на них одинаковое. Это перемещение  осуществляется жидкостью, поступающей  от датчика в цилиндр под небольшим  давлением. В среднем положении  плунжеры перекрывают оба канала, и жидкость в рабочие цилиндры не подается. Такая система используется в гидросистемах станков с  аккумуляторами. Широко используются гидравлические и пневматические усилители.

КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Центральным узлом различных гидравлических систем и электрогидравлических  сервомеханизмов являются гидравлические усилители, выполняющие усиление сигналов и управление гидравлическими исполнительными механизмами. В настоящее время существует большое число схемных и конструктивных разновидностей гидравлических усилителей. Однако все наиболее распространенные гидравлические усилители представляют собой так называемые дроссельные усилители, в которых при перемещении тех или иных частей происходит дросселирование (мятие) потока рабочей жидкости, т. е. изменение сопротивления истечению путем деформации потока. В результате дросселирования изменяются расход и давление рабочей жидкости на выходе усилителей.

Несмотря на большое разнообразие гидравлических усилителей, в них можно подметить некоторые общие черты, которые и могут быть положены в основу классификации

1. Число каскадов усиления служит  первым признаком классификации, определяющим гидравлический усилитель любого типа. От числа каскадов усиления зависят построение принципиальной схемы, выбор управляющих элементов, энергетические возможности и в определенной мере статические и динамические свойства усилителя. В связи с этим различают гидравлические усилители: однокаскадные и многокаскадные

2.        Число дросселей, содержащихся в гидравлическом усилителе, также является важным классификационным параметром. Под термином «дроссель» в гидравлическом усилителе понимаются различные конструктивные устройства, с помощью которых производится изменение скорости потока рабочей жидкости по величине и направлению, т. е. дросселирование потока. В современных условиях наиболее известны гидравлические усилители;

а)   с двумя дросселями;

б)   с четырьмя дросселями;

в)   многодроссельные.

3.  Расположение дросселей в гидравлическом усилителе обусловливает его схему. В связи с этим различают гидравлические усилители, в которых включение дросселей в поток рабочей жидкости осуществляется:

а)   последовательно   (цепочка);

б)   параллельно (дифференциальная или моетиковая схема). Эти два главнейших случая расположения дросселей в усилителях показаны соответственно на рис. 4 и 5.

5. Конструкция дросселя — еще один признак классификации, поскольку как дроссель с постоянным проходным сечением, так и дроссель с переменным проходным сечением могут иметь различное конструктивное исполнение. Дроссель с постоянным проходным сечением может быть выполнен, например, в виде втулки, диафрагмы или пакета диафрагм, капилляра и т. д., а дроссель с переменным проходным сечением — в  виде сопла с заслонкой, цилиндрического или плоского отверстия, перекрываемого поршеньком (буртиком), втулкой, иглой, пластинкой и т. п. Развитие гидравлических усилителей привело к тому, что на сегодняшний день в технике наиболее часто применяются усилители трех классов, названия которым даны по наименованиям элементов конструкции:

а)  с золотником;

б)   с соплом и заслонкой;

в)   со струйной трубкой.

Существуют, конечно, и другие гидравлические усилители, названия которых также  определяются их конструктивными элементами. Но одного такого конструктивного названия^ недостаточно, оно не определяет полностью гидравлический усилитель.

Приведенная классификация базируется на наиболее значительных определяющих признаках, наряду с которыми почти в каждой группе усилителей имеются и могут быть использованы дли последующего подразделения другие, менее общие признаки.

Например, двухкаскадные гидравлические усилители можнсг разделить на следящие и неследящие, золотниковые усилители  — на усилители с положительным, нулевым и отрицательным перекрытиями и т. д. На рис. 6 дана .классификационная  схема гидравлических усилителей, построенная  по основным опреде-ляющим признакам.

Поясним предложенную классификацию  некоторыми примерами. Золотниковый усилитель, схема которого представлена на рис. 8; является однокаскадным гидравлическим усилителем, имеющим четыре дросселя, включенных в мостовую схему. Если такой усилитель выполнен с отрицательным перекрытием (см. рис. 9), то все его дроссели имеют переменные проходные сечения и схема усилителя   соответствует. При этом во время работы усилителя площади  проходных сечений двух дросселей (например,  /  и 4 или 2 и 3 на рис.  5) одновременно увеличиваются, а двух других — уменьшаются. 

Принцип работы гидроусилителя с золотниковым распределителем

Одна из возможных конструктивных схем гидроусилителя показана на рис. 1.

Рис. 1. Одна из конструктивных схем гидроусилителя

В этой схеме перемещение  управляющей рукоятки вправо через  механическую связь вызывает смещение золотника также вправо. При этом открываются каналы золотникового гидрораспределителя, в результате чего жидкость от насоса подаётся в правую полость гидродвигателя, в качестве которого применён двухштоковый гидроцилиндр. В этой полости гидроцилиндра создаётся избыточное давление, и, как следствие, выходное звено движется вправо, то есть в том же направлении, что и рукоятка. Поскольку выходное звено жёстко связано с корпусом распределителя, то перемещение выходного звена вызывает такое же по величине перемещение корпуса распределителя (рис. 2).

В результате смещения корпуса  распределителя, каналы в гидрораспределителе  перекрываются поясками золотника  и подача жидкости от насоса в полость гидроцилиндра прекращается. Таким образом, и управляющая рукоятка, и выходное звено гидродвигателя движутся синхронно. Однако за счёт того, что усилие на выходном звене создаётся за счёт давления, развиваемого насосом, то это усилие многократно больше чем усилие, прикладываемое к рукоятке оператором. Коэффициент усиления следящих гидроприводов практически неограничен, и мощность входного сигнала может быть уменьшена до ничтожно малой величины (примерно 0,5 Вт).

  В рассмотренной конструкции распределителя перемещение золотника может вызываться не только линейным перемещением управляющей рукоятки, но и, при небольших конструктивных изменениях, возможно осуществить входное движение золотника с помощью вращательного движения руля (например, через винтовую передачу).

Гидроусилители  с клапанными распределителями

Помимо золотниковых распределителей в конструкциях гидроусилителей иногда применяют клапанные распределители.

Рис. 6. Одна из возможных  конструктивных схем гидроусилителя с  клапанным распределителем

В таком гидроусилителе при  перемещении ручки управления влево  открывается верхний клапан, и  жидкость от насоса по каналам внутри гидроусилителя подаётся в левую  полость цилиндра. При этом в этой полости создаётся избыточное давление, под действием которого поршень  начинает перемещаться влево, то есть в ту же сторону, в которую была перемещена ручка управления. Поскольку  поршень жёстко связан с корпусом распределителя, то перемещение поршня вызывает точно такое же по величине и направлению перемещение корпуса  распределителя. В свою очередь смещение корпуса закрывает верхний клапан, и подача жидкости в левую полость  цилиндра прекращается, и соответственно прекращается движение поршня. Таким  образом, выходное звено (шток поршня) движется синхронно с входным  звеном (ручкой управления).

При движении поршня влево  жидкость из левой полости цилиндра вытесняется в гидроаккумулятор.

Когда ручка управления перемещается вправо, верхний клапан закрыт, но открывается  нижний клапан, и жидкость из правой полости цилиндра идёт на слив в бак. Движение поршня при этом происходит вправо под действием давления, создаваемого гидроаккумулятором.

Гидроусилители с клапанными распределителями имеют высокую  точность воспроизведения по сравнению  с гидроусилителями с золотниковыми  распределителями, поскольку в золотниковых распределителях имеется мёртвая  зона, обусловленная тем, что ширина поясков золотника обычно делается несколько больше диаметра перекрываемых  каналов (положительное перекрытие; абсолютно точного совпадения ширины поясков и диаметров каналов  не удаётся достичь по технологическим  причинам изготовления деталей). В клапанных  распределителях мёртвая зона может  быть легко устранена.

Гидроусилитель  крутящего момента

Гидроусилитель  крутящего момента — вид следящего гидропривода, в котором гидродвигателем служит либо гидромотор, либо поворотный гидродвигатель.

В данном типе гидроусилителей  обычно используется гидравлический распределитель с поворотным золотником, выполненным в виде крана, при этом у распределителя имеется отслеживающая втулка.

Рис. 7. Конструктивная схема  гидроусилителя крутящего момента, выполненного на базе поворотного гидродвигателя: жидкость подаётся по каналам e и f, а сливается по каналу m

Струйные усилители

Струйные усилители выполняются  на базе струйных распределителей.

Рис. 8. Схема струйного  усилителя пропорционального типа

По сравнению с гидроусилителями механического типа, струйные усилители  обладают высоким быстродействием. Частота переключений газовых струйных усилителей достигает нескольких кГц. Усилители, работающие на маловязких жидкостях, имеют быстродействие на порядок  меньше, чем газовые, однако и их быстродействие удовлятворяет практику.

  Схема действия одного из видов струйных усилителей показана на рис. 8. При повороте трубки 1 на небольшой угол по часовой стрелки поток Q подаётся в правую полость гидроцилиндра 2. В этой полости создаётся избыточное давление, и корпус будет смещаться вправо до тех пор, пока не восстановится равновесие и поток вновь не будет поделён на две равные части. Таким образом, корпус гидроцилиндра 2 отслеживает движения трубки 1.

Устройство гидроусилителя 
Усилитель руля представляет из себя гидравлическую систему, состоящую из следующих элементов.

Насос обеспечивает давление и циркуляцию рабочей жидкости в системе.  
Наибольшее распространение получили пластинчатые насосы (рис.2) благодаря их высокому к. п. д. и низкой чувствительности к износу рабочих поверхностей.  
Насос крепится на двигателе, а его привод осуществляется ременной передачей от коленчатого вала.

Распределитель направляет (распределяет) поток жидкости в необходимую полость гидроцилиндра или обратно в бачок.  
Если его золотник (подвижный элемент) перемещается при этом поступательно — распределитель называют осевым, если вращается — роторным. Он может находиться на элементах рулевого привода или на одном валу с рулевым механизмом.

Распределитель — это  прецизионный (высокоточный) узел, очень  чувствительный к загрязнению масла.

Гидроцилиндр преобразует давление жидкости в перемещение поршня и штока, который через систему рычагов поворачивает колеса.  
Может быть встроен в рулевой механизм или располагаться между кузовом и элементами рулевого привода.

Рабочая жидкость (специальное масло) передает усилие от насоса к гидроцилиндру и смазывает все пары трения.  
Резервуаром для жидкости служит бачок. В нем расположен фильтрующий элемент, а в пробке — щуп для определения уровня. 
 Соединительные шланги обеспечивают циркуляцию жидкости по системе усилителя. Шланги высокого давления соединяют насос, распределитель и гидроцилиндр, а по шлангам низкого давления жидкость поступает в насос из бачка и возвращается в него из распределителя. 
 В современных автомобилях электронный блок (на рисунке не показан) корректирует работу гидроусилителя в зависимости от скорости движения.

Это дополнительно повышает безопасность на высокой скорости, так как водителю сложнее резко (непроизвольно) повернуть руль и, соответственно, отклонить автомобиль от траектории.

План – конспект урока

1. Дата проведения – _______________________________________________

2. Группа –  _______________________________________________________

3. Номер урока по календарно-тематическому плану – __________________

4. Тема занятия – _Гидравлические усилители_

5. Тип занятия -  _комбинированный__

6. Цели занятия:

Образовательная:__изучить виды и назначение ГУ в САР;_

Развивающие: _развивать умение классифицировать ГУ, описывать область их применения;

Воспитательные: _воспитывать логическое мышление, самостоятельность, организованность, трудолюбие__

7. Методическое обеспечение занятия (дидактические материалы, электронные носители и т.д.) - _план-конспект урока, плакат «Виды ГУ»_
8. Оборудование (материально-техническое оснащение, ТСО, инструменты) ________________________________________________________________

Структура урока

Роспись преподавателя: __________________