AMPLIFICATOARE HIDROSTATICE

Generalitati. Clasificare

Un amplificator hidrostatic este ansamblul format dintr-un element de comanda si unul de executie, alimentat in general de la o sursa de presiune constanta, care realizeaza comanda, sau dupa caz, reglajul unuia sau mai multor parametri ai elementului de executie. Amplificatoarele hidrostatice se mai numesc servosisteme, sau, in cazul unor executii de tip mecanohidraulic-servomecanisme.

In scopul cresterii performantelor, in constructia amplificatoarelor mai intra reactii locale de diverse tipuri si uneori amortizoare.

Clasificarea amplificatoarelor dupa criterii unice este dificila, avand in vedere marea diversitate constructiv-functionala in care sunt realizate. Unele grupe de amplificatoare pot fi insa caracterizate prin:

-tipul comenzii;

-numarul de etaje de amplificare;

-tipul elementului care realizeaza un anumit raport de amplificare;

-parametrul amplificat;

-existenta si tipul reactiei locale;

-existenta si tipul stabilizarii suplimentare.

Tipurile mai frecvent intalnite de amplificatoare sunt:

-mecanohidraulice, comandate prin sertaras;

-mecanohidraulice cu ajutaj clapeta;

-electrohidraulice cu ajutaj clapeta;

-servovalve (electrohidraulice cu doua etaje);

-amplificatoare hidraulice (pneumatice) cu jeturi.

Dezideratul principal in proiectare si in constructie este realizarea unei liniaritati intre semnalul de intrare si parametrul reglat, ceea ce simplifica considerabil atat calculul sistemului in ansamblu, cat mai ales exploatarea lui.

In cazul amplificatoarelor mecanohidraulice cu sertaras de exemplu, geometria muchiilor active ale sertarasului influenteaza esential proportionalitatea debitului cu deschiderea (tinzand catre dependenta liniara); micsorarea sau chiar anularea efectului fortelor hidrodinamice de reactie asupra sertarasului prin profilarea corespunzatoare a acestuia si a cailor din distribuitor contribuie de asemenea la realizarea liniaritatii amplificatorului.

In acelasi timp, un amplificator trebuie sa aiba o zona de insensibilitate cat mai redusa. In cazul comenzii prin sertaras, insensibilitatea este determinata de valoarea acoperirii (pozitive sau negative). In cazul acoperirii pozitive, de exemplu, cand latimea umarului sertarasului este mai mare ca cea a orificiului de admisie a uleiului, zona de insensibilitate este data de marimea jumatatii diferentei celor doua latimi. O acoperire zero, determina disparitia zonei de insensibilitate, in schimb scade stabilitatea amplificatorului, deoarece orice perturbatie determina deschiderea caii de alimentare, deci comanda motorului.

La sistemele de ajutaj clapeta, zona de insensibilitate este determinata in principal de distanta dintre sectiunea de iesire din ajutaj si clapeta.

Amplificatoare mecanohidraulice comandate prin sertaras

Sistemul foloseste un distribuitor cu sertaras 1 si hidromotorul 2, alimentarea fiind asigurata de o pompa la presiunea p (figura 8.1). Deplasarea sertarasului se face printr-o parghie multiplicatoare 3, la capatul careia se aplica marimea de intrare 'x'.

Fig. 8.1

Parametrul reglat este debitul, care este determinat de gradul de deschidere a sertarasului.

Amplificarea in forta depinde de valoarea presiunii de alimentare si de sectiunea de lucru a motorului. Sistemul nu este prevazut cu reactie, dar cuprinde un dispozitiv suplimentar 4, atasat tijei distribuitorului, menit sa creeze senzatia de efort la tija de comanda odata cu intrarea hidromotorului in sarcina.

Distribuitoare cu o singura muchie activa

Amplificatorul foloseste un distribuitor cu o muchie activa, care prin deschidere comanda miscarea cilindrului de forta. Fata de sistemul descris anterior, aici cilindrul de forta si corpul distribuitorului sunt legate mecanic, aceasta constituind o legatura cinematica de reactie, mai precis o reactie mecanica unitara (figura 8.2). In consecinta orice deplasare a tijei distribuitorului va fi urmarita in acelasi sens de cilindrul de forta, amplificatorul constituind si cel mai simplu sistem hidraulic de urmarire.

Fig. 8.2

Deplasand tija distribuitorului catre dreapta, se creeaza deschiderea x, prin care un anumit debit Q_e este evacuat la rezervor, ca urmare, presiunea in conducta de legatura si in compartimentul din stanga al motorului scade fata de presiunea de alimentare p_a rolul esential avandu-l droselul '' D_r''.

Deoarece p_a>p, va fi alimentat compartimentul din dreapta al motorului, corpul cilindrului deplasandu-se catre dreapta si odata cu el si corpul distribuitorului pana la anularea fantei x, cand inceteaza miscarea.

O deplasare in sens invers a tijei distribuitorului determina cresterea presiunii p, la limita p=p_a; in acest caz cilindrul se va deplasa spre stanga datorita inegalitatii sectiunilor active ale motorului (A₁>A₂).

Asadar, cilindrul urmareste deplasarea distribuitorului. La deplasarea tijei distribuitorului catre stanga, ecuatia de continuitate in jurul nodului a, se scrie:

(1)

in care: Q_dr -este debitul prin drosel;

v- viteza cilindrului de forta in raport cu planul;

A₁ - suprafata pistonului;

Q_e - debitul evacuat prin fanta distribuitorului.

Rezulta,

(2)

Dar debitul prin drosel este dat de relatia:

(3)

iar debitul evacuat

(4)

unde _cr si sunt coeficientii de debit ai droselului si interstitiului din distribuitor, iar d-diametrul sertarasului distribuitorului.

Relatia (2) devine

(5)

Pentru x=0, viteza cilindrului devine maxima,

(6)

Pe de alta parte, considerand presiunea de alimentare constanta p_a=ct., si neglijand fortele de inertie, ecuatia de echilibru a fortelor pe piston este

de unde  

(7)

Inlocuind in (6), se obtine relatia:

(8)

din care se vede ca valoarea vitezei maxime de deplasare a cilindrului, depinde de forta F. Pentru F=p_a(A₁-A₂), v_max=0.

Totodata, din examinarea schemei, se constata ca la v=0, debitele Q_drQ_e sunt egale, asa incat,

cu notatia (9)

se obtine (10)

relatie care arata dependenta dintre valoarea presiunii p si deschiderea x a fantei distribuitorului.

Coeficientul de amplificare dupa presiune se obtine derivand relatia (10).

(11)

semnul '-' indicand scaderea presiunii p la cresterea deschiderii 'x'.

Pentru evaluarea valorii maxime a lui K_p, se anuleaza derivata acestuia in raport cu x:

de unde   (12)

Relatia determina marimea x pentru care K_p este maxim. Inlocuind x din (12) in (10) rezulta si

  (13), adica coeficientul de amplificare dupa presiune atinge valoarea maxima in cazul cand presiunea p=0.75p_a.

Din expresia   , rezulta pentru p_a=ct.,

Deci coeficientul de amplificare dupa forta este:

(14)

Avand in vedere asemanarea cu expresia lui K_p (11), rezulta concluzii similare privind variatia lui K_f cu cele deduse pentru K_p.

Daca coeficientul de amplificare in presiune, respectiv cel de amplificare in forta (sarcina) caracterizeaza sensibilitatea sistemului, coeficientul de amplificare in viteza reflecta rapiditatea lui.

Reluand relatia (5) si presupunand ca 'p' nu depinde de viteza, se obtine:

Cazul examinat s-a referit la miscarea tijei distribuitorului catre stanga. In cazul muscarii in sens invers, ecuatia de debite in jurul nodului 'a' se va scrie:

(cazul figurat)

Din aceasta se deduc, pe calea aratata mai sus, relatii ce exprima coeficientii de amplificare.

Distribuitoare cu doua muchii active

Fig. 8.3

Ca si in cazul anterior, cilindrul de forta este mobil, iar pistonul acestuia fix, reactia mecanica unitara fiind realizata prin legatura mecanica intre corpul distribuitorului si al cilindrului de forta. (linia punctata)

Distribuitoare cu patru muchii active

Deplasarea sertarasului distribuitorului spre stanga, determina deschiderea 'x', care permite alimentarea compartimentului stanga al cilindrului de forta la presiunea p_a. Drept urmare, corpul cilindrului se va deplasa spre stanga, lichidul din compartimentul dreapta fiind evacuat la rezervor (Q_e).

Fig. 8.4

Amplificatoare mecanohidraulice cu ajutaj clapeta

In figura 8.5 este prezentat schematic principiul de functionare al amplificatorului cu ajutaj clapeta. sistemul cuprinde doua drosele, din care unul fix reprezentat prin diafragma de sectiune A_o si celalalt variabil, reprezentat de ansamblul ajutaj - clapeta. Modificarea (prin comanda) a distantei 'x' determina valoarea presiuni 'p' din spatiul situat intre cele doua drosele, care este apoi folosit in actionarea unui motor liniar cu simplu efect. Daca pompa debiteaza la presiune P₀=const., o crestere a distantei 'x', determina o scadere a presiunii 'p', deci a fortei la axul motorului de executie si invers, o cadere a distributiei 'x', determina o crestere de presiune, respectiv de forta.

Fig. 8.5

Varianta din figura 8.6 urmatoare permite alimentarea unui element de executie cu dubla actiune. In acest caz, se folosesc doua ajutaje in opozitie, separate de clapeta de comanda, functionarea fiind similara, dar defectele cumulandu-se in motor.

Fig. 8.6

Principiul functional, arata ca aceste dispozitive functioneaza cu circulatie permanenta de debit intre ajutaj si clapeta; in plus ele prezinta o dependenta mare a reglarii cu temperatura uleiului (prin variatia de vascozitate). Aceste dezavantaje limiteaza aria de utilizare, folosindu-se in special ca etaj de intrare la amplificatoarele cu mai multe etaje.

Fie urmatorul amplificator in doua trepte (figura 8.7).

Fig. 8.7

Etajul de intrare este format dintr-un ajutaj-clapeta (1,2), iar treapta a doua contine un distribuitor avand sertarasul (3) cu acoperire negativa. In pozitia neutra a acestuia, pistonul motorului de executie (4) este blocat, aceasta pozitie fiind asigurata de presiunea p si de forta elastica a arcului distribuitorului (5). Valoarea presiunii p, este la randu-i determinata de spatiul ajutaj-clapeta. Se observa usor ca la modificarea pozitiei clapetei, sertarasul se va deplasa in acelasi sens cu clapeta, permitand alimentarea motorului de executie.

La acest tip de amplificator, parametrul reglat de cuplul ajutaj-clapeta este presiunea, parametru care este convertit de catre sertaras in debit.

Amplificarea in forta este determinata de valoarea presiunii de alimentare si de suprafata de lucru a pistonului motorului de executie. Reactia mecanica este asigurata de resortul (5).

Amplificatoare electrohidraulice cu ajutaj clapeta

In aceasta categorie intra potentiometrele hidraulice si servovalvele. Prin potentiometre hidraulice se inteleg amplificatoarele electrohidraulice cu ajutaj clapeta cu un singur etaj. Deosebirea fata de sistemele descrise anterior consta in faptul ca marimea de intrare este electrica, reprezentata de curentul i, deplasarea clapetei facandu-se deci pe cale electromagnetica.

Fig. 8.8

Reactia este de tip mecanic asigurata de resortul (3); un sistem de amortizare (4) impiedica eventualele oscilatii. Echilibrul static al clapetei este dat de relatia:

in care F este forta care actioneaza asupra clapetei, F_a este forta elastica a resortului, iar F_e=ki este forta electromagnetica, proportíonala cu semnalul de curent. In regim dinamic, trebuiesc luate in consideratie in plus, momentul de inertie al clapetei si momentul dat de forta de frecare in amortizor.

Servovalvele sunt amplificatoare electrohidraulice (in particular cu ajutaj clapeta) cu doua etaje. Dupa tipul reactiei locale folosite, se deosebesc servovalve cu reactie mecanica, hidraulica si mecanohidraulica.

Fig. 8.9

In figura 8.9 este reprezentata principial constructia unei servovalve cu reactie mecanica, care cuprinde primul etaj format din doua potentiometre alimentate la presiunea constanta a pompei p_o.

La aplicarea unui semnal electric, sub forma de tensiune sau curent, pozitia relativa a clapetei (3) fata de ajutajele potentiometrelor se modifica si in consecinta presiunile p₁ si p₂ aplicate sertarasului (4) se vor modifica. Urmarea este deplasarea sertarasului cu comprimarea unuia dintre resorturi si alimentarea prin deschiderea cailor respective din distribuitor a cilindrului de forta. In ansamblu, servovalva se comporta ca un amplificator de debit intrucat, sertarul, care constituie al doilea etaj de amplificare, regleaza debitul spre elementul de executie proportional cu semnalul electric. Reactia este mecanica, asigurata de resorturile (5 si 6).

Amplificatoare mecanohidraulice comandate prin tub mobil

Mecanismul cu tub injector mobil este destul de larg raspandit in constructia amplificatoarelor, indeplinind rolul de comanda (figura 8.10).

Acest tip de comanda prezinta avantajul unei sensibilitati bune, unei liniaritati acceptabile, dar si dezavantajul unor pierderi de lichid permanente. Se utilizeaza mai des in comanda unor elemente de executie cu actiune integrala. In comparatie cu elemente de comanda de tip sertaras, se pot utiliza si atunci cand sunt necesare puteri si viteze mari de lucru.