Гидравлические исполнительные механизмы

Гидравлические исполнительные механизмы (гидроприводы) широко применяются в технологическом оборудовании механообработки, в частности в металлорежущих станках. Применение гидроприводов упрощает кинематику оборудования и позволяет повысить уровень его автоматизации.

В гидравлических исполнительных механизмах в качестве рабочей среды используют минеральные масла, снабженные антикоррозионными, антиокислительными и антиизносными присадками. Для масел, применяющихся в гидравлических исполнительных механизмах, характерны следующие параметры:

• • плотность порядка 880 кг/м⁵;
• • кинематическая вязкость порядка 16,5…20,5 м²/с при 50 °C;
• • модуль упругости (1,4…1,7)-10⁵ МПа;
• • температура застывания —13 «С;
• •тепловое расширение ДV = 0,7*0,001 • ГА/, где V— первоначальный объем, а Д/—повышение температуры в °С;
• • удельная теплоемкость 1,8…2,1 кДж/(кг*К);
• • удельная теплопроводность 0,136 Вт/(м-К).

Гидроприводы различаются между собой по рабочему давлению, по способу регулирования, по организации циркуляции рабочей жидкости, по методам управления и контроля.

С точки зрения рабочего давления различают гидроприводы низкого давления (до 1,6 МПа), среднего давления (1,6…6,3 МПа) и высокого давления (6,3…20 МПа).

По способам регулирования различают гидроприводы с объемным регулированием и с дроссельным регулированием. В случае объемного регулирования скорость гидродвигателя изменяется за счет изменения рабочего объема регулируемой гидромашины (насоса или двигателя). В случае дроссельного регулирования изменяется проходное сечение регулирующих устройств. Дроссельное регулирование обладает большим быстродействием по сравнению с объемным, но из-за присущих этому способу регулирования значительных потерь он применяется в основном в гидросистемах малой мощности (до 3…5 кВт).

В станкостроении наибольшее применение нашли гидроприводы с разомкнутой циркуляцией, когда рабочая жидкость из бака подается насосом в гидросистему, а затем из гидросистемы снова поступает в этот же бак. При замкнутой циркуляции масло, отработав в исполнительном органе, поступает непосредственно во всасывающую линию подающего насоса.

По решаемым задачам управления гидросистемы подразделяют на цикловые, следящие, адаптивные и программные. Цикловые гидросистемы, в свою очередь, разделяются на гидросистемы с управлением по пути, по давлению или по времени.

Все гидроаппараты, используемые для построения гидросистем в технологическом оборудовании машиностроения, можно классифицировать, как показано на рис. 12.5.

Пластинчатые насосы делятся на регулируемые и нерегулируемые, шестеренные — на насосы наружного зубчатого зацепления и внутреннего зубчатого зацепления, а поршневые — на радиально-поршневые и аксиально-поршневые насосы (в зависимости от того, как конструктивно располагаются рабочие цилиндры с поршнями — перпендикулярно оси вращения или вдоль нее).

Гидрораспределители могут быть с ручным, механическим, гидравлическим, электрическим и электрогидравлическим управлением.

Краны, как это следует из их определения, бывают только с ручным управлением, а обратные клапаны и гидрозамки — только с гидравлическим управлением.

Среди клапанов давления различают предохранительные, в том числе непрямого действия (регулируемые и нерегулируемые), напорные золотники, гидроклапаны с обратным клапаном, с электроразгрузкой и без нее, двухи трехлинейные.

Рис. 12.5. Классификация устройств гидроаппаратуры.

Клапаны расхода делятся на регуляторы расхода, регуляторы расхода с обратным клапаном, двухи трехлинейные, регуляторы расхода с обратным клапаном и с распределителем.

Дроссели рекомендуются для определенного диапазона регулирования расхода в зависимости от рабочего давления. Выделяют также дросселирующие гидрораспределители с механическим управлением.

К гидравлическим устройствам аналоговой сервотехники относят дросселирующие гидрораспределители, которые применяются в высокодинамичных приводах, например, в электроэрозионных станках, а также используются в качестве усилителей момента в незамкнутых системах регулирования перемещений высокой точности. К ним относят также гидрораспеределители с пропорциональным электроуправлением, которые используются в разомкнутых системах дистанционного управления вспомогательными механизмами и в замкнутых системах невысокой точности. Для этих же целей используются и регулирующие устройства с пропорциональным управлением. Для высокоточных систем регулирования давления, в том числе для испытательных стендов, применяются мехатронные пропорциональные гидроаппараты. Наконец, для привода вспомогательных механизмов сравнительно небольшой точности применяются так называемые гидравлические оси, где перемещение и исполнительного, и задающего органа является возвратно-поступательным.

Область применения дросселирующих гидрораспределителей существенно ограничивается необходимостью соблюдать высокие требования к чистоте рабочей жидкости, поэтому большее применение получила аппаратура с пропорциональным электроуправлением, которая способна работать вместе с обычными фильтрами. Пропорциональные гидрораспределители совместно с датчиками давления, расхода, а также датчиками положения исполнительного органа при микропроцессорном управлении насосами могут обеспечить практически любую регулировочную характеристику.

Однако вследствие существенной нелинейности расходной характеристики и трудностей, возникающих при регулировании и стабилизации малых расходов и давлений, применение пропорциональной гидроаппаратуры ограничено главным образом, разомкнутыми системами дистанционного управления.

Поскольку возможности аналоговой гидравлической сервотехники (как и любой аналоговой техники) принципиально ограничены дрейфом нуля и низкой помехоустойчивостью и надежностью, расширяется применение цифровой гидравлической сервотехники.

К устройствам цифровой гидравлической сервотехники относят ротационные и линейные приводы с механическим или электрическим управлением, а также управляемые регуляторы расхода и предохранительные клапаны. Управляемые цифровые гидравлические приводы различных типов применяются в технологическом оборудовании с ЧПУ средней точности, промышленных роботах, вспомогательных механизмах для регулирования скорости движения серводвигателей. Управляемые предохранительные клапаны применяются в основном для дистанционного программного изменения рабочего давления, например для изменения усилия зажима или для изменения давления рабочей жидкости в различного рода прессах.

В системах цифровой гидравлической сервотехники в качестве задатчиков обычно используются маломощные шаговые электродвигатели (ШД).

В системах с механической обратной связью по положению ШД во время движения рабочего органа постоянно вращается, причем максимальная скорость движения рабочего органа определяется максимальной пропускаемой частотой импульсов и «ценой» одного импульса.

В системах с электрической обратной связью ШД поворачивается на определенный угол, определяющий задание скорости движения рабочего органа. Максимальная скорость движения рабочего органа определяется в этом случае максимально допустимой периодичностью считывания информации измерительной системой. В хороших приводах с цифровой гидравлической сервотехникой при «цене» одного импульса 0,01 мм обеспечивается скорость перемещения до 80 м/мин.

Для построения типовых схем гидравлических систем широко используются типовые специальные гидравлические узлы. К ним относятся:

• • вращающиеся гидроцилиндры, обычно используемые для зажима в патроне вращающихся шпинделей токарных станков с ЧПУ;
• • гидроприводы уравновешивания, позволяющие разгрузить приводы подач вертикально движущихся рабочих органов от действия силы тяжести и тем самым повысить их точность;
• • гидроприводы зажимных механизмов, которые используются в машиностроении, в том числе для закрепления деталей на палетах, спутниках и поддонах;
• • гидропанели реверса, которые применяются главным образом в технологическом оборудовании с возвратно-поступательным движением.

В прецизионном оборудовании применение цифровой гидравлической сервотехники с электрической обратной связью открывает принципиально более широкие возможности, а именно:

• • тонкое регулирование расхода непрерывно дозируемых рабочих жидкостей, поступающих в гидродвигатели большого рабочего объема, позволяет достичь высокой точности регулирования перемещений рабочих органов (точность перемещений оказывается при этом в пределах сотых долей микрометра);
• • использование цифрового принципа преобразования и использования информации повышает надежность и помехоустойчивость, исключает дрейф нуля;
• • совмещение в минимальном количестве деталей функций двигателя, направляющего устройства и контроля (например, с помощью лазерного интерферометра) предоставляет конструктору возможность оптимальной компоновки оборудования;
• • использование «холодной» гидравлики позволяет обеспечить термическую стабилизацию.

Следует заметить, что в технологическом оборудовании помимо гидравлической сервотехники все большее применение находят гидростатические направляющие, где в зазор между поверхностями органов, перемещающихся друг относительно друга, под давлением подается рабочая жидкость, что исключает прямой контакт этих поверхностей. Использование достаточно жестких и точных гидростатических направляющих позволяет исключить механическое трение, обеспечить долговечность базирующих поверхностей, повысить геометрическую точность перемещений, а также обеспечить внутреннее демпфирование в подвижных соединениях и возможность сверхмалых коррекций положения и зажима.