Объемный гидропривод со ступенчатым переключением скорости и силовой нагрузки на выходном звене гидродвигателя

Гидропривод ступенчатого переключения линейной скорости и усилия по фиг. 1 содержит группу симметричных гидроцилиндров (как это показано на фиг. 1) 1, 2, 3 (Ц1, Ц2, Ц3), связанных соосными двухсторонними штоками между собой с образованием общего штока 4 (общего выходного звена 4) и с нагрузкой. Связь штоков обеспечивает синфазность их перемещения в гидроцилиндрах. Гидропривод ступенчатого переключения угловой скорости и момента по фиг. 2 содержит группу гидромоторов 13, 14, 15 (ГМ1, ГМ2, ГМ3), связанных параллельными валами между собой с помощью зубчатой передачи - редуктора 17 с образованием общего вала 16 (общего выходного звена 16) и с нагрузкой. Гидропривод в исполнениях по фиг. 1 и по фиг. 2 содержит рабочие гидролинии 5 и 6 и средства переключения дискретного действия, включающие направляющий распределитель 7 (Р) и управляющие распределители 8, 9, 10 (Р1, Р2, Р3). Направляющий распределитель 7 выполнен с возможностью изменения направления пропускания рабочей среды и подключен входами к источнику подачи рабочей среды и к сливу, а выходами - к рабочим гидролиниям 5 и 6. Каждый управляющий распределитель 8, 9, 10 выполнен с возможностью дистанционного управления и подключен входами к рабочим гидролиниям 5 и 6, а выходами - к полостям одного из гидродвигателей (гидроцилиндров 1-3 или гидромоторов 13-15). В результате расширены функциональные возможности для обеспечения дистанционного управления, реверса и любых сочетаний синфазного задействования любого числа гидродвигателей, повышен кпд, упрощены средства переключения за счет реализации их на дискретных распределителях, повышена надежность работы при постоянном давлении текучей среды. Обеспечена возможность выполнения больших величин силовых нагрузок на выходном звене гидродвигателя с ступенчатым уменьшением скорости движения выходного звена по общему закону постоянной мощности.

Полезная модель относится к области гидравлики, в частности, к объемным гидроприводам с машинным регулированием, предназначенным, преимущественно, для использования в составе исполнительных и нагружающих устройств, например, испытательных стендов, тормозных устройств.

Известны гидроприводы, содержащие несколько гидродвигателей - гидроцилиндров с двухсторонними штоками, связанными между собой с образованием общего штока. SU 1032691, 1839882, 1840018.

Недостатком данных устройств является отсутствие возможности одновременного задействования более, чем одного гидроцилиндра, и обеспечения ступенчатого переключения скорости и усилия на общем штоке.

Известен привод тормоза грузового вагона, включающий тормозную магистраль, воздухораспределитель, запасной резервуар, тормозной гидроцилиндр, рычажную передачу управления тормозными колодками и авторежим, установленный на раме вагона и своей пятой взаимодействующий с плитой боковины тележки, в котором тормозной гидроцилиндр по своей длине выполнен ступенчатым, состоящим из ряда участков внутренних его полостей различного диаметра, в полостях подвижно расположены соответствующего им диаметра поршни, жестко закрепленные на общем штоке и взаимосвязанные с одной стороны с рычажной передачей управления тормозными колодками, а с другой через пружину сжатия - с корпусом тормозного гидроцилиндра, надпоршневые полости каждой из внутренних полостей тормозного гидроцилиндра сообщены с атмосферой, а подпоршневые с помощью трубопроводов - с каналами, выполненными в корпусе авторежима, установленного на раме вагона так, что их продольные оси симметрии совпадают с подобными осями диаметрально расположенных в этом же корпусе других каналов также с помощью трубопроводов, присоединенных к трубопроводу воздухораспределителя, причем внутри корпуса авторежима в его продольной вертикальной полости подвижно установлен подпружиненный пружиной сжатия плунжер с выточкой в его нижней части, который с помощью пяты контактирует с плитой боковины тележки при вертикальных перемещениях вагона в грузовых режимах его состояния (RU 2402443, прототип).

Данное известное устройство позволяет обеспечить ступенчатое переключение скорости и усилия на общем штоке и одновременное задействование более, чем одного гидродвигателя.

Недостатками известного устройства является отсутствие возможности дистанционного управления и реверса, ограниченное число вариантов сочетаний задействованных гидроцилиндров, низкий кпд, сложность и низкая надежность средства переключения, которое работает при переменном давлении текучей среды и выполняет с помощью одного многопозиционного конструктивно сложного золотника функции управления и распределения.

Технической задачей полезной модели является создание эффективного гидропривода ступенчатого переключения скорости и усилия или момента, а также расширение арсенала гидроприводов ступенчатого переключения скорости и усилия или момента.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в том, что расширены функциональные возможности для обеспечения дистанционного управления, реверса и любых сочетаний синфазного задействования любого числа гидродвигателей (гидроцилиндров или гидромоторов), повышен кпд, упрощены средства переключения за счет реализации их на дискретных (не имеющих промежуточных состояний и положений) распределителях, повышена надежность работы при постоянном давлении текучей среды. Обеспечена возможность выполнения больших величин силовых нагрузок (усилие или момент) на выходном звене гидродвигателя с ступенчатым уменьшением скорости движения выходного звена по общему закону постоянной мощности.

Сущность полезной модели состоит в том, что объемный гидропривод ступенчатого переключения скорости и силовой нагрузки содержит группу гидродвигателей, связанных своими выходными звеньями между собой и с нагрузкой, рабочие гидролинии и средства переключения дискретного действия, включающие направляющий распределитель и управляющие распределители, причем направляющий распределитель выполнен с возможностью изменения направления пропускания рабочей среды и подключен входами к источнику подачи рабочей среды под давлением и к сливу, а выходами - к рабочим гидролиниям, а каждый управляющий распределитель выполнен с возможностью дистанционного управления и подключен входами к рабочим гидролиниям, а выходами - к полостям одного из гидродвигателей.

В частных случаях реализации гидродвигатели выполнены в виде гидроцилиндров с двухсторонними штоками, установленными соосно с образованием выходного звена в виде общего штока, в иных случаях реализации гидродвигатели выполнены в виде гидромоторов с валами, установленными параллельно с образованием выходного звена в виде общего вала.

Предпочтительно, направляющий распределитель выполнен четырехлинейным трехпозиционным с нормально закрытыми входами и выходами в среднем положении, и снабжен устройством ручного переключения и пружиной возврата, а средства переключения дискретного действия выполнены с количеством управляющих распределителей, равным числу гидродвигателей, причем каждый управляющий распределитель выполнен четырехлинейным двухпозиционным с нормально соединенными между собой выходами, и снабжен электромагнитом управления и пружиной возврата.

При этом гидропривод выполнен с возможностью поочередного или совместного переключения управляющих распределителей, а источник подачи рабочей среды выполнен в виде нерегулируемого насоса с напорным клапаном на одном из входов направляющего распределителя.

На чертеже фиг. 1 изображена принципиальная гидравлическая схема объемного гидропривода ступенчатого переключения линейной скорости и нагрузки (усилия) на выходном звене, на фиг. 2 - принципиальная гидравлическая схема объемного гидропривода ступенчатого переключения угловой скорости (числа оборотов) и нагрузки (момента) на выходном звене, на фиг. 3 - семейство рабочих характеристик гидропривода ступенчатого переключения скорости и силовой характеристики (усилия на выходном звене при выполнении гидродвигателей в виде гидроцилиндров (или угловой скорости и момента при выполнении гидродвигателей в виде гидромоторов).

Гидропривод ступенчатого переключения линейной скорости и усилия по фиг. 1 содержит группу симметричных гидроцилиндров (как это показано на фиг. 1) 1, 2, 3 (Ц1, Ц2, Ц3), связанных соосными двухсторонними штоками между собой с образованием общего штока 4 (общего выходного звена 4) и с нагрузкой (не изображена). Связь штоков обеспечивает синфазность их перемещения в гидроцилиндрах.

Гидропривод ступенчатого переключения угловой скорости и момента по фиг. 2 содержит группу гидромоторов 13, 14, 15 (ГМ1, ГМ2, ГМ3), связанных параллельными валами между собой с помощью зубчатой передачи - редуктора 17 с образованием общего вала 16 (общего выходного звена 16) и с нагрузкой (не изображена).

Гидропривод в исполнениях по фиг. 1 и по фиг. 2 содержит рабочие гидролинии 5 и 6 и средства переключения дискретного действия, включающие направляющий распределитель 7 (P) и управляющие распределители 8, 9, 10 (Р1, Р2, Р3). Направляющий распределитель 7 выполнен с возможностью изменения направления пропускания рабочей среды и подключен входами к источнику подачи рабочей среды и к сливу, а выходами - к рабочим гидролиниям 5 и 6. Каждый управляющий распределитель 8, 9, 10 выполнен с возможностью дистанционного управления и подключен входами к рабочим гидролиниям 5 и 6, а выходами - к полостям одного из гидродвигателей (гидроцилиндров 1-3 или гидромоторов 13-15).

Гидропривод по фиг. 1 содержит, например, три последовательно связанных двухсторонними штоками гидроцилиндра 1-3, выполненных с поршнями, эффективные площади которых соотносятся, например, как А_Ц1:А _Ц2:А_Ц3=1:2:4.

Гидропривод по фиг. 2 содержит, например, три последовательно связанных валами гидромотора 13-15, выполненных с рабочими объемами, которые соотносятся, например, как, Wгм₁:Wгм₂:Wгм₃ =1:2:4.

Направляющий распределитель 7 выполнен четырехлинейным трехпозиционным с нормально закрытыми входами и выходами в среднем положении, и снабжен устройством ручного переключения и пружиной возврата (не обозначены).

Средства переключения дискретного действия выполнены с количеством управляющих распределителей 8-10, равным числу гидродвигателей (гидроцилиндров 1-3 или гидромоторов 13-15), причем каждый управляющий распределитель 8-10 выполнен четырехлинейным двухпозиционным с нормально соединенными между собой выходами, и снабжен электромагнитом управления и пружиной возврата (не обозначены).

Распределители 7-10 предпочтительно выполняются с клапанными дискретно переставляемыми элементами, и не имеют промежуточных рабочих положений. Распределители 7-10 имеют функциональные обозначения по числу линий (входов и выходов рабочей среды) и числу позиций. Распределитель 7 имеет функциональное обозначение 4/3 (четырехлинейный трехпозиционный), распределители 8-10 - функциональное обозначение 4/2 (четырехлинейный двухпозиционный).

Гидропривод выполнен с возможностью поочередного или совместного переключения направляющего и управляющих распределителей 7-10. Алгоритм переключения распределителей 8-10 устанавливается и реализуется с помощью программируемого устройства управления или вручную с помощью коммутирующих средств (не изображено).

Источник подачи рабочей среды в гидропривод выполнен в виде нерегулируемого объемного насоса 11 (H) постоянной подачи. Напорный клапан 12 (K) установлен в напорной гидролинии от насоса 11 до входа в направляющий распределитель 7. Всасывающая гидролиния насоса 11, слив клапана 12 и сливная гидролиния распределителя 7 соединены с баком 18 (Б) и с одним из входов распределителя 7.

На фиг. 1 обозначены Fнагр - суммарное усилие на выходном звене - общем штоке 4, (на фиг. 2 Mнагр - суммарный момент на выходном звене - общем валу 16), P₁₁, P₁₂ - значения давления в полостях гидроцилиндров 1-3, Pн - давление насоса 11, согласно настройке клапана 12. На фиг. 3 обозначены Vпi - скорость штока 4, где 1 - порядковый номер гидроцилиндра с эффективной площадью A _i, F_i - усилие выходном звене - i-ом штоке, (для гидромотора M_i нагр - момент на выходном звене - i-ом валу). Пунктиром показаны границы рабочего поля, определяемые максимальной постоянной мощностью при постоянной подаче насоса 11 (расхода гидродвигателя) и максимального давления нагнетания, ограничиваемого напорным клапаном 12.

Объемный гидропривод ступенчатого переключения скорости работает следующим образом.

Гидропривод служит для создания нескольких значений скорости и нагружающего усилия или момента, например в составе испытательного стенда.

Устанавливается, например, вручную, одно из крайних положений распределителя 7, определяющее направление движения штока 4. При этом одна из рабочих линий 5 или 6 является нагнетательной (напорной) и соединяется с напорной полостью насоса 11, а другая - сливной и соединяется со сливом - баком 18. При другом крайнем положении распределителя 7 состояние гидролиний 5 или 6 меняется на противоположное.

С помощью соответствующих электромагнитов управления один или несколько распределителей из группы 8-10 устанавливается в положение, при котором одна из полостей соответствующего гидроцилиндра(ов) соединяется с напорной рабочей гидролинией, например, линией 5, а другая со сливной гидролинией 6.

При включении насоса 11 рабочая среда поступает в подключенные к гидролинии 5 полости гидроцилиндров 8-10, и вытесняется из противоположных полостей этих гидроцилиндров в бак 18. При наличии нагрузки на выходном звене гидродвигателя в напорной гидролинии нагнетания возникает давление. Поршни не задействованных гидроцилиндров из 1-3 синфазно перемещаются пассивно, т.к. их полости соединены между собой через соответствующие распределители из 8-10, находящиеся в этом исходном положении при отсутствии сигнала на электромагните управления.

В зависимости от положения распределителя 7 шток 4 движется в том или ином направлении.

Аналогично работает гидропривод при использовании в качестве гидродвигателей нерегулируемых гидромоторов 13-15 с числом «n» оборотов вала 16.

В зависимости от положения распределителей 8-10 рабочая среда (рабочая жидкость) поступает по фиг. 1 в гидроцилиндр 1, или в гидроцилиндр 2, или в гидроцилиндр 3, или в гидроцилиндры 1 и 2, или в гидроцилиндры 2 и 3, или в гидроцилиндры 1 и 3, или в гидроцилиндры 1 и 2 и 3.

При числе гидродвигателей N и равных рабочих параметрах (эффективные площади поршней гидроцилиндров 1-3 или нерегулируемые рабочие объемы W гидромоторов 13-15) число вариантов рабочих характеристик к=N.

При числе гидродвигателей N и соотношении их рабочих параметров (эффективные площади поршней гидроцилиндров или нерегируемые рабочие объемы гидромоторов) по закону 2^i-1, где i - порядковый номер гидродвигателя, i=1N число вариантов рабочих характеристик определяется выражением к=2^N-1.

Таким образом, обеспечивается, с учетом соотношения 1:2:4 эффективных площадей поршней гидроцилиндров 1-3, семь вариантов скорости и усилия на штоке 4, что, как правило, достаточно для создания нагрузок и скоростей нагрузки во всем диапазоне испытаний. Скорость штока 4 определяется отношением подачи насоса 11 к суммарной эффективной площади задействованных гидроцилиндров из 1-3, а усилие - произведением давления в напорной гидролинии 5 на суммарную эффективную площадь задействованных гидроцилиндров из 1-3.

Аналогично обеспечивается семь вариантов числа n оборотов (угловой скорости) и момента M на валу 16 при выполнении гидромоторов 13-15 с рабочими объемами, которые соотносятся, например, как Wгм₁:Wгм₂ :Wгм₃=1:2:4.

Таким образом, в процессе нагружения обеспечивается возможность реализации значений силовых нагрузок на выходном звене гидродвигателя, определяемых V _Пi=f(F_отн=F_Цi/F_Ц1) или n_i=f(M _отн=M_i/M₁).

Соотношение V_Пi=f(F_отн=F_Цi/F_Ц1) отражает зависимость "скорость -относительное суммарное усилие" на штоке 4, Соотношение n_i=f(M_отн=M_i/M₁ отражает зависимость "угловая скорость - относительный суммарный момент" на валу 16.

В случае изменения настройки клапана 12 или использования насоса 11 с другой подачей характеристики сместятся, но их характер останется таким же - граница рабочего поля будет представлять собой гиперболу, отражающую закон постоянной мощности на выходном звене гидродвигателя.

Характеристики на фиг. 3 построены качественно, без учета гидравлических потерь и потерь на трение.

Таким образом, обеспечена возможность ступенчатого, практически без задержки, переключения скорости и, одновременно, усилия нагружения или момента на выходном звене гидродвигателя 4 путем дискретного переключения распределителей 8-10 из исходного положения в положение подачи из напорной гидролинии 5 рабочей среды под давлением в одну полость любого гидродвигателя из 1-3 или 13-15 с одновременным соединение другой полости со сливной гидролинией 6. В процессе переключения промежуточные значения скорости и усилия (момента) на выходном звене 4 или 16 практически не реализуются.

В результате, при необходимости, изменение направления и величин скоростей и преодолеваемой нагрузки происходит практически мгновенно, например, от первого на седьмое значение, минуя все промежуточные параметры регулирования (минуя второе шестое) или с шестого на второе (минуя пятое третье) значение, работа на всех позициях регулирования происходит с максимально возможным КПД, теоретически близком к 1, при постоянной подаче насоса 11 и давлении, не превышающем давление напорного клапана 12. Переключением распределителя 7 реализуется ступенчатое изменение направления скорости и направления параметра нагружения на выходном звене 4 или 16.

Таким образом, расширены функциональные возможности для обеспечения дистанционного управления, реверса и любых сочетаний синфазного задействования любого числа гидродвигателей (гидроцилиндров или гидромоторов), повышен кпд, упрощены средства переключения за счет реализации их на дискретных (не имеющих промежуточных состояний и положений) распределителях, повышена надежность работы при постоянном давлении текучей среды. Обеспечена возможность выполнения больших величин силовых нагрузок (усилие или момент) на выходном звене гидродвигателя с ступенчатым уменьшением скорости движения выходного звена по общему закону постоянной мощности.

1. Объемный гидропривод ступенчатого переключения скорости и силовой нагрузки, содержащий группу гидродвигателей, связанных своими выходными звеньями между собой и с нагрузкой, рабочие гидролинии и средства переключения дискретного действия, включающие направляющий распределитель и управляющие распределители, причем направляющий распределитель выполнен с возможностью изменения направления пропускания рабочей среды и подключен входами к источнику подачи рабочей среды под давлением и к сливу, а выходами - к рабочим гидролиниям, а каждый управляющий распределитель выполнен с возможностью дистанционного управления и подключен входами к рабочим гидролиниям, а выходами - к полостям одного из гидродвигателей.

2. Гидропривод по п. 1, отличающийся тем, что гидродвигатели выполнены в виде гидроцилиндров с двухсторонними штоками, установленными соосно с образованием выходного звена в виде общего штока.

3. Гидропривод по п. 1, отличающийся тем, что гидродвигатели выполнены в виде гидромоторов с валами, установленными параллельно с образованием выходного звена в виде общего вала.

4. Гидропривод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что направляющий распределитель выполнен четырехлинейным трехпозиционным с нормально закрытыми входами и выходами в среднем положении и снабжен устройством ручного переключения и пружиной возврата.

5. Гидропривод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что средства переключения дискретного действия выполнены с количеством управляющих распределителей, равным числу гидродвигателей, причем каждый управляющий распределитель выполнен четырехлинейным двухпозиционным с нормально соединенными между собой выходами и снабжен электромагнитом управления и пружиной возврата.

6. Гидропривод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью поочередного или совместного переключения управляющих распределителей.

7. Гидропривод по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что источник подачи рабочей среды выполнен в виде нерегулируемого насоса с напорным клапаном на одном из входов направляющего распределителя.