Распределительное клапанное устройство - RU2074990C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится в основном к пропорциональным распределительным клапанам и, в частности, к четырехходовым распределительным клапанам с пропорциональным регулированием давления, обладающим способностью к саморегулированию.

Известны различные распределительные клапаны, часто применяемые для управления работой гидро- или пневмосистемы такой, как силовой гидро- или пневмоцилиндр или другое силовое или гидравлическое или пневматическое устройство, в которой (системе) для приведения распределительного клапана в действие используют гидравлическую или пневматическую систему сервопривода. Многие из таких распределительных клапанов были пропорционально регулируемыми, но они не обеспечивали точного саморегулирующегося пропорционального управления, необходимого, например, для использования в таких устройствах, как промышленные или другие такие устройства, где желательны или необходимы точное управление и точное регулирование. Хотя пропорциональность часто обеспечивали путем использования регулируемых регуляторов или т.п. такие устройства относительно дороги и поэтому ограничивают применение таких клапанов, в частности в пневматических системах сервопривода, где желательно или необходимо пропорциональное управление. Кроме того, даже когда такую пропорциональность обеспечивали менее дорогими способами, такие клапаны или системы обычно не были саморегулирующимися, по крайней мере, если для обеспечения такой способности не использовали дорогие, сложные или относительно неточные связанные с ними системы или устройства.

Таким образом, технической задачей, решаемой настоящим изобретением является создание усовершенствованного четырехходового саморегулирующегося распределительного клапана, относительно простого и недорогого и обеспечивающего более точно регулируемое пропорциональное регулирование давления, при котором относительно небольшие перемещения золотника или клапанного элемента дают в результате относительный перепад давления, обеспечивающий корректирующее перемещение золотника или клапанного элемента для поддержания требуемого давления на выходе. Следует отметить, что принципы настоящего изобретения применимы также и к другим типам распределительных клапанов, включающими (но не ограничивающимися ими) двухходовые и трехходовые клапаны.

Другой целью настоящего изобретения является создание такого саморегулирующегося распределительного клапана, который можно было бы запрограммировать на переменные нагрузочные (рабочие) давления до или во время работы и который бы, по существу, не требовал управляющего потока или другого сигнала на входе при его среднем, выключенном (нейтральном) положении.

Кроме того, целью по крайней мере некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечения возможности неограниченного (плавного) выбора нагрузочного давления или, в других вариантах осуществления настоящего изобретения, вырабатывание широтно-импульсно-модулированного сигнала, для того, чтобы заставить управляющие давления изменяться дифференциально с обеспечением управляющего потока на выходе, пропорционального разностным управляющим сигналам.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
фиг. 1 схема четырехходового саморегулирующегося распределительного клапана с пропорциональным регулированием давления и системы сервопривода;
фиг. 2 схема клапанного распределительного устройства, обеспечивающего уровень плавно регулируемого выходного нагрузочного давления, пропорциональный плавно регулируемому управляющему давлению;
фиг. 3 схема устройства, иллюстрирующая упрощенный альтернативный вариант;
фиг. 4 схема устройства, включающего устройство, в котором осуществлена модуляция выходного сигнала нагрузки путем широтно-импульсной модуляции входного сигнала.

Как показано на фиг.1, саморегулирующееся четырехходовое распределительное клапанное устройство 10 с пропорциональным регулированием давления в основном содержит сервоприводную (управляющую) часть 12 и выходную часть 14 для выпуска рабочей среды. В иллюстративном примере, схематически показанном на фиг.1, клапанное распределительное устройство 10 предназначено для управления работой питаемого рабочей средой (силового) устройства, такого, как цилиндр 16, включающий установленный с возможностью возвратно-поступательного движения поршень 18, разделяющий цилиндр 16 на две камеры 20 и 22 для рабочей текучей среды. Путем поочередного создания и сброса давления в камерах 20 и 22 осуществляют возвратно-поступательное движение поршня 18 для приведения в действие связанной с ним системы или устройства, причем путем регулирования уровней давления в камерах 20 и 22 можно регулировать уровни усилия на выходе цилиндра независимо от скорости поршня. Для специалистов в данной области техники должно быть очевидно, что посредством распределительного клапанного устройства 10 можно управлять и другими типами действующих от давления текучей среды систем или устройств, таких, как ротативные двигатели, турбины и т.д.

Выходная часть 14 клапанного распределителя 10 обычно содержит корпус, показанный схематически и обозначенный позицией 26, с проходящим сквозь него отверстием 28, закрытым на противоположных концах посредством торцевых крышек 30 и 32. Торцевые крышки 30 и 32 имеют соответственные отверстия 34 и 36, проходящие в продольном направлении крышек на часть их длины и служащие для размещения с возможностью скольжения соответственных управляющих поршней 38 и 40.

Во втулке 27, установленной в отверстии 28 корпуса 26, размещен с возможностью скольжения золотник 42, соединенный с управляющими поршнями 38 и 40 посредством соответственных штоков 44 и 46. Золотник 42 имеет несколько поясков 48, 50 и 52, между которыми расположены выточки (канавки) 54 и 56. В варианте клапанного распределителя 10, схематически показанном на фиг.1, торцы 39 и 41 управляющих поршней 38 и 40 (соответственно) больше, чем торцы 49 и 53 поясков 48 и 53 (соответственно) на золотнике 42. Типичные отношения площади торца 41 управляющего поршня 40 к торцу 49 пояска 48, а также отношение площади торца 53 пояска 52 приблизительно составляют 2:1, но могут быть использованы и другие альтернативные отношения площадей, зависящие от требуемого в данном применении уровня пропорционального регулирования давления. Цель обеспечения указанного соотношения площадей торцев более подробно описана ниже.

Выходная часть 14 клапанного распределительного устройства 10 содержит также впускное отверстие (окно) 60, обеспечивающее сообщение между источником (не показан) рабочей среды под давлением и внутренней средней частью отверстия 28, проходящего сквозь корпус 26 распределительного клапана. Кроме того, сообщение с внутренней полостью отверстия 28 обеспечивают также два нагрузочных отверстия (окна) 62 и 64, сообщающихся с камерами 20 и 22 (соответственно) цилиндра 16. И наконец, в корпусе 26 выполнены два выхлопных (выпускных) отверстия 66 и 68 для обеспечения сообщения между внутренней полостью отверстия 28 и атмосферой или другой зоной выхлопа (выпуска), как хорошо известно специалистам в данной области техники.

Сервопривод (управляющая) часть 12 распределительного устройства 10 содержит вход 80 для управляющей текучей среды, сообщающийся предпочтительно через фильтр 81 с источником управляющей текучей среды под давлением (не показан). Вход 80 разделен на два противоположных контура управления, содержащих дроссели 82 и 84 (соответственно) постоянного сечения. Управляющая среда течет через соответственно постоянные дроссели 82 и 84 к двум выхлопным (выпускным) отверстиям 86 и 88 соответственно, которые могут быть поочередно закрыты или открыты путем приведения в действие соленоидных приводов 90 и 92 соответственно. Следует отметить, что, как очевидно из следующего ниже описания, соленоидные приводы 90 и 92 могут быть по желанию заменены другими известными типами двухпозиционных (включено-выключено) приводов или даже приводами с модуляцией сигнала или другими регулируемыми приводными органами, как будет более подробно описано ниже. Трубопроводы (или внутренние отверстия, или каналы) 94 и 96 для управляющей текучей среды сообщаются с соответственными отверстиями 34 и 36 в торцевых крышках 30 и 32 (соответственно) и с уровнями управляющего давления за соответственными дросселями 82 и 84 постоянного сечения.

Устройство 100 для регулирования уровня нагрузки сообщается с каналами 94 и 96 для управляющей среды, изолированными один от другого посредством двух обратных клапанов 118 и 120 в канале 101 для регулирования уровня нагрузки. С каналом 101 между обратными клапанами 118 и 120 соединены параллельно несколько регулируемых дросселей 102, 104, 106 и 108. Эти регулируемые дроссели соединены последовательно с соответственными нормально закрытыми выхлопными отверстиями 122, 124, 126 и 128, которые в свою очередь могут быть поочередно открыты или закрыты посредством соответственных соленоидных приводов 110, 112, 114 и 116. Такие соленоидные приводы 110-116, которые по желанию тоже могут быть заменены другими известными типами приводов, служат для блокировки потока управляющей текучей среды через соответствующие регулируемые дроссели 102-108 (соответственно) путем закрытия соответственных выхлопных отверстий 122-128.

Показанное для иллюстрации в качестве примера распределительное клапанное устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением способно работать в нескольких режимах, которые все будут описаны ниже. При среднем (нейтральном) положении золотника профильтрованный управляющий воздух поступает в управляющую часть 12 через вход 80, за которым поток воздуха разделяется и проходит через дроссели 82 и 84 малого постоянного сечения. Когда соленоидные приводы 90 и 92 вместе с соответственными отверстиями 86 и 88 выключены и закрыты, поток управляющей среды оказывается заблокированным и давления управляющей среды в каналах 94 и 96 стабилизируются обычно на уровне давления текучей среды на входе. Это состояние предполагает, конечно, что соленоиды 110-116 в устройстве для регулирования уровня нагрузки тоже выключены и удерживают соответственно отверстия 122-128 в закрытом состоянии.

Такие стабилизированные управляющие входные давления в каналах 94 и 96 действуют на соответственные управляющие поршни 38 и 40 в соответственных отверстиях 34 и 36. Поскольку эти управляющие давления равны, но действуют на поршни 38 и 40 в противоположных направлениях, то золотник 42 в выходной части 14 остается в среднем (выключенном) положении, предотвращая течение рабочей текучей среды от впускного отверстия 60 к другим частям отверстия 28 в корпусе 26, таким, как нагрузочное устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением сохраняет среднее положение золотника 42 с нулевым давлениями в нагрузочных отверстиях, причем обеспечивает это состояние, по существу, без подвода потока управляющей среды или электрического входного сигнала за возможным исключением очень незначительной утечки в системе.

Показанное на фиг.1 распределительное клапанное устройство 10 способно также и к "нерегулируемому" режиму работы в том смысле, что давление в нагрузочных выходных отверстиях (окнах) не регулируют. При этом режиме золотник 42 находится либо в крайнем правом или крайнем левом положении, либо в среднем положении с нулевым выходом. Когда золотник 42 находится в одном из крайних положений, нагрузочное давление на выходе, по существу, такое же, как давление питания, и следовательно, оно не регулируется.

При этом режиме работы соленоидные приводы 110-116 выключены и следовательно, выхлопные отверстия 122-128 (соответственно) находятся в закрытом состоянии. Когда нужно переместить поршень 18 влево (если смотреть на фиг. 1), возбуждают соленоид 90 в сервоприводной части 12 для сообщения отверстия 86 с атмосферой, что дает управляющей среде возможность течь через постоянный дроссель 82 на выхлоп в атмосферу. Размер открытого отверстия 86 в несколько раз больше, чем размер прохода через постоянный дроссель 82, что заставляет давление в канале 94 для управляющей среды падать до уровня атмосферного или близкого к атмосферному.

Потому что управляющее давление в канале 96 равно или близко к управляющему давлению на входе, а давление в канале 94, по существу, равно атмосферному давлению, создается большая неуравновешенность сил, действующую на управляющие поршни 38 и 40. Это приводит к, по существу, полному перемещению золотника 42 вправо (если смотреть на фиг.1), пока такое перемещение не прекратится в результате контакта между торцем 39 управляющего поршня 38 и торцевой стенкой отверстия 34 в торцевой крышке 30 или в результате соприкосновения золотника 42 с его упором (не показан). При этом положении золотника впускное отверстие 60 сообщается через выточку 54 с нагрузочным отверстием 64, в результате чего происходит повышение давления в правой камере 32 цилиндра 16. В то же время, вследствие перемещения золотника 42 вправо, нагрузочное отверстие 62 сообщается через выточку 56 с выпускным отверстием 66, в результате чего происходит сброс давления из левой камеры 20 цилиндра 16. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, такой дисбаланс давлений между камерами 22 и 20 заставляет поршень 18 переместиться в цилиндре 16 влево, при этом механическая связь поршнем 18 и связанным с ним устройством заставляет последнее совершать работу.

При переключении описанной выше работы распределительного клапанного устройства 10 на работу в обратном направлении, т.е. при выключении соленоида 90 и включении соленоида 92, соответственные отверстия 86 и 88 изменяют свое состояние на противоположное, т. е. отверстие 86 закрывается, а отверстие 88 открывается. Аналогично тому, как описано выше, но в противоположном направлении золотник 42 пройдет весь путь влево, в результате чего произойдут повышение давления в камере 20 и сброс давления из камеры 22 в цилиндре 16, что заставит поршень 18 переместиться вправо.

Выходная часть 14 распределительного клапанного устройства 10 предпочтительно содержит также два внутренних клапана 72 и 74 обратной связи, которые обеспечивают работу в режиме "саморегулирования". Этот режим работы имеет место только при пониженных нагрузочных давлениях, получающихся от пониженных управляющих давлений, при этом золотник 42 заставляют перемещаться в положения между крайними концами его хода.

Каналы 72 и 74 обратной связи обеспечивают сообщение между выточкой 54 и торцем 53 золотника 42 и между выточкой 56 и торцем 49 золотника 42 (соответственно). Когда на поршень 38 действует управляющее давление, золотник 42 перемещается влево (если смотреть на фиг.1) и внутренний канал 74 обратной связи обеспечивает сообщение от нагрузочного отверстия 62 через выточку 56 к торцу 49 золотника, в результате чего на торце 49 золотника действует направленная вправо сила нагрузочного давления обратной связи. Она противодействует перемещению золотника 42 влево. Поскольку площадь торца 39 поpшня 38 отличается от площади торца 49, то золотник 42 стремится стабилизироваться в уравновешенном левом положении, при котором нагрузочное давление в нагрузочном отверстии 62 пропорционально управляющему давлению и так же относятся к управляющему давлению, действующему на торец 39 поршня, как площадь торца 39 поршня относится к площади торца 49 золотника (например, как 2:1). Одновременно канал 72 обратной связи сообщается с атмосферой, потому что перемещение золотника 42 влево приводит к установлению сообщения канала 72 обратной связи через выточку 54 с выпускным отверстием 68, а также сообщения нагрузочного отверстия 64 с выпускным отверстием 68.

Наоборот, когда управляющее давление действует на торце 41 поршня 40, золотник 42 перемещается вправо (если смотреть на фиг.1). При этом внутренний канал 72 обратной связи создает сообщение от нагрузочного отверстия 64 через выточку 54 к торцу 53 золотника, обеспечивая подвод к торцу 53 золотника действующего в направлении влево нагрузочного давления обратной связи. Оно противодействует перемещению золотника 42 вправо, заставляя золотник 42 стабилизироваться в уравновешенном правом положении, при котором нагрузочное давление в нагрузочном отверстии 64 пропорционально управляющему давлению и относится к нему так же, как площадь торца 41 поршня относится к площади торца 53 золотника (например, как 2:1). Одновременно канал 74 обратной связи сообщается с атмосферой, потому что перемещение золотника 42 вправо приводит к установлению сообщения канала 74 обратной связи через выточку 56 с выпускным отверстием 66, а также сообщения нагрузочного отверстия 62 с выпускным отверстием 66.

В результате действия описанной выше обратной связи увеличение или уменьшение нагрузочного давления в том или другом из нагрузочных отверстий вследствие изменений в нагружении системы будет вызывать смещение золотника влево или вправо для коррекции давления и обеспечения вышеупомянутого уравновешивания действующих на золотник сил, что сделает нагрузочное давление на выходе, по существу, постоянным, независимо от уровня нагрузочного выходного потока, конечно, все в пределах пропускной способности распределительного клапана.

При еще одном режиме работы, описанном ниже, распределительным клапанным устройством 10 управляют дистанционно, причем работу его программируют либо с предварительной установкой, как в следующем ниже описании, либо с непрерывным регулированием, как будет подробно разъяснено в данном описании еще ниже.

В "регулируемом" режиме распределительное устройство 10 имеет возможность выбора давления из двух или более предварительно заданных уровней давления. При этом режиме работы производят независимую регулировку (установку) каждого из регулируемых дросселей 102, 104, 106 и 108, сообщающихся с соответственно нормально закрытыми выхлопными отверстиями 122, 124, 126 и 128 с соленоидным приводом. Следует отметить, что, хотя на фиг.1 показано с целью иллюстрации четыре регулируемых дросселя 102, 104, 106 и 108, система может иметь любое число таких регулируемых дросселей. Кроме того, можно дистанционно ввести в действие один или несколько из предварительно отрегулированных дросселей 102, 104, 106 и 108 путем открытия соответствующих выхлопных отверстий 122, 124, 126 и 128 для обеспечения подвода к нагрузочному отверстию 62 или 64 любого из ряда заданных уровней нагрузочного давления.

Описанная возможность выбора давления и другие особенности настоящего изобретения, видимо, наилучшим образом могут быть описаны на следующем примере. Допустим, что необходимо переместить поршень 18 в цилиндре 16 влево, что избыточное давление в камере 22 цилиндра 16 должно быть ограничено до максимум 20 фунтов на кв. дюйм (1,4 кг/см²) и что избыточное давление на входе 60 клапана составляет 100 фунтов на кв.дюйм (7 кг/см²). Сначала, пока не возбуждены все соленоиды, золотник 42 находится в нейтральном положении, в результате чего отсутствует выходная нагрузка в нагрузочных отверстиях 64 и 66.

При включении соленоида 90 открывается отверстие 86 и управляющее давление в канале 94 для управляющей среды и давление, подведенное к торцу 39 поршня 38 падают до уровня атмосферного давления. Поскольку на торец 41 поршня 40 все еще действует управляющее давление, то большая разность сил, действующих на поршни 38 и 40, заставляет золотник 42 перемещать вправо, если смотреть на фиг.1. Если регулируемый дроссель 10 был предварительно установлен на перепад избыточных давлений, равный 10 фунтам на кв.дюйм (0,7 кг/см²), то включение соленоида 110 приведет к открытию отверстия 122 и вызовет падение избыточного управляющего давления в канале 96 до 10 фунтов на кв.дюйм вследствие выхода управляющего воздуха в атмосфере через регулируемый дроссель 102 в открытое отверстие 122. Когда поступающий через входное отверстие 60 воздух течет мимо открытого пояска 50 и через выточку 54, избыточное давление в нагрузочном отверстии 64, по существу, равно 20 фунтам на кв.дюйм (1,4 кг/см²). Это обеспечивает посредством вышеописанной внутренней обратной связи от выточки 54 через канал 72 обратной связи к торцу 53 золотника. Эта обратная связь, благодаря предпочтительному отношению 2:1 площади торца 41 поршня к площади торца 53 золотника, поддерживает равновесие сил, действующих на золотник 42, что обеспечивает саморегулирование (автоматическую коррекцию) положения золотника и тем самым поддержание избыточного нагрузочного давления на выходе на требуемом уровне 20 фунтов на кв.дюйм, что необходимо для уравновешивания заданного избыточного управляющего давления 10 фунтов на кв.дюйм в канале 96. Таким образом, избыточное давление в камере 22 цилиндра поддерживают, по существу, равным 20 фунтам на кв.дюйм, т.е. на требуемом максимальном уровне независимо от скорости на выходе цилиндра 18.

Следует отметить, что в приведенном выше примере управляющий воздух в канале 96 проходит через обратный клапан 118, но обратный клапан 120 препятствует его прохождению в канал 94. Следует также отметить, что если для перемещения поршня 18 вправо нужно подвести к противоположной камере 20 цилиндра избыточное нагрузочное давление 20 фунтов на кв.дюйм, то все, что нужно для этого сделать это нужно, переключив соленоид 90, включить соленоид 92) (изменяя тем самым направление перемещения золотника 42 на противоположное), оставляя при этом соленоид 110 в возбужденном (включенном) состоянии.

Благодаря наличию обратной связи, описанной выше в связи с внутренними каналами 72 и 74 обратной связи, в сочетании с предварительно выбранным отношением площади торца золотника к площади торца управляющего поршня, золотник всегда будет находиться в устойчивом уравновешенном положении, обеспечивающем такое же отношение нагрузочного давления к управляющему давлению, как отношение площади торца управляющего поршня к площади торца золотника. Следовательно, если это отношение площадей торцев составляет 2:1, как в приведенном выше примере, то золотник будет занимать устойчивое положение обеспечивающее в результате автоматически отрегулированное нагрузочное давление 20 фунтов на кв.дюйм (избыточное) для заданного избыточного управляющего давления 10 фунтов на кв.дюйм.

Таким образом, "регулируемый" режим работы обеспечивает ряд автоматически регулируемых выбираемых нагрузочных давлений для по крайней мере (как показано в примере на фиг.1) четырех независимо регулируемых заданных управляющих давлений, соответствующих каждое одному из четырех регулируемых дросселей 102, 104, 106 и 108.

Еще одним выбираемым нагрузочным давлением является нагрузочное давление, получаемое в результате выключения всех соленоидов 110, 112, 114 и 116 (и закрытия связанных с ними соответственных отверстий 122, 124, 126 и 128) и включении лишь соленоида 90 и 92, причем в этом случае нагрузочное давление в нагрузочном отверстии 64 или 62 (соответственно), по существу, равно давлению на входе и, по существу, не регулируется, как описано выше.

Таким образом, любое из нескольких заранее выбранных нагрузочных давлений (пропорциональных заранее выбранным управляющим давлениям) может быть обеспечено просто путем возбуждения одного из соленоидов 110-116, каждый из которых связан с одним из предварительно регулируемых дросселей 102-108 переменного сечения, каждый из которых может быть предварительно отрегулирован на различные перепады давления, что даст в результате много разных управляющих давлений. Кроме того, любые два или больше соленоидов 110-116 могут быть включены одновременно, чтобы вызвать одновременное течение среды через соответствующие регулируемые дроссели 102-108, обеспечивая тем самым довольно низкие выбираемые управляющие давления и получающиеся в результате пропорциональные нагрузочные давления.

Кроме того, поскольку соленоиды 110-116 могут быть включены поодиночке или в различных сочетаниях, то можно получить управляющее давление (и получающееся в результате пропорциональное нагрузочное давление), более низкое, чем получающееся в результате работы дросселя 102, 104, 106 или 108, отрегулированного на самый низкий заданный перепад давлений. Это обусловлено тем, что действие любого одного из регулируемых дросселей в сочетании с действием регулируемого дросселя с самым низким заданным перепадом давлений дает в результате уменьшение управляющего давления перед каждым из регулируемых дросселей, к которому обеспечена возможность течения среды.

Прежде чем рассматривать другие альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения, следует указать, что в различных примерных вариантах, показанных здесь с целью иллюстрации традиционными хорошо пригнанными закаленными и шлифованными деталями. На втулке 27 для уплотнения ее в корпусе 26 по наружному диаметру использованы кольцевые уплотнения круглого сечения. В каждый из торцевых крышек 30 и 32 предпочтительно установлен один из плотно пригнанных и подвижных в осевом направлении управляющих поршней, опирающихся на торцы золотника посредством штока (толкателей) 44 и 46, действующих через уплотнения низкого трения.

В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.1, переменные дроссели 102-108 в цепи управления могут быть произвольно и независимо предварительно отрегулированы и застопорены для получения требуемого уровня нагрузочного давления. Следует отметить, однако, что такая установка заданного управляющего давления может быть произведена, а затем введена в действие путем включения соответствующих соленоидов 110-116 либо поодиночке, либо в любом из многих сочетаний. Таким образом, распределительное клапанное устройство 10, показанное с целью иллюстрации изобретения на фиг.1, является предварительным программируемым и дистанционно и избирательно управляемым для обеспечения любого из конечного ряда заранее выбранных уровней управляющего и нагрузочного давлений. В некоторых системах, однако, необходимо или по крайней мере желательно или целесообразно обеспечивать бесконечный ряд избирательно регулируемых уровней нагрузочного давления. Предназначенное для обеспечения этой способности распределительное клапанное устройство 110 описано ниже и показано схематически на фиг.2, где многие из составных частей одинаковы с теми, что показаны на фиг.1, и потому обозначены теми же номерами позиций.

Как показано на фиг.2, устройство 100 для регулирования уровня управляющего давления, а также соленоиды 90 и 92 и соответствующие выхлопные (выпускные) отверстия 86 и 88 заменены устройством 200 для плавного регулирования уровня управляющего давления. Предпочтительное устройство 200 содержит центрированный посредством пружины и действующий в двух направлениях моментный двигатель 201 с расположенными напротив друг друга катушками, который перемещает свой якорь 202 в сборе между расположенными напротив друг друга сопловыми аппаратами 203 и 204 цепи управления.

Электромагнитный моментный двигатель 201 содержит расположенные напротив друг друга полюса (сердечники) 205 и 206, окруженные соответственными электрическими катушками 207 и 208, независимо возбуждаемые с плавным изменением уровней входного тока, вплоть до номинальной нагрузки двигателя 201. Между противоположными концами полюсов 205 и 206 проходит ярмо 210, служащее в качестве магнитопровода.

Якорь 211 предпочтительно упруго поддерживают в среднем положении с возможностью поворота между сопловыми аппаратами 203 и 204 посредством упругого пружинного поддерживающего элемента 212, хотя могут быть использованы и другие устройства для пружинного центрирования с возможностью поворота, если только они позволяют постоянно свободное поворотное (качательное) движение якоря 211, как более подробно будет описано ниже. К противоположным сторонам проходящего в продольном направлении якоря 211 прикреплены продольно проходящие упругие сопловые затворы 213 и 214. Затворы 213 и 214 действуют подробно консольным (закрепленным одним концом) плоским пружинам, свободные концы которых отнесены от противоположных сторон якоря 211 на некоторое расстояние вбок, в результате чего они упруго смещаются в противоположных направлениях в сторону соответственных сопловых аппаратов 203 и 204 цепи управления. В этом отношении следует отметить, что, как будет очевидно для специалистов в данной области техники из следующего ниже описания работы моментного двигателя 201, вместо затворов 213 и 214 типа консольных плоских пружин, могут быть использованы и другие типы упруго смещенных в противоположные стороны закрывающих устройств.

Сопловые аппараты 203 и 204 предпочтительно содержат соответственно регулируемые сопла, только одно из которых (сопло 215 в аппарате 203) показано на фиг.2 в качестве типичной конструкции для обоих аппаратов 203 и 204. Типичный сопловый аппарат 203 имеет входное отверстие 217, соединенное с дросселем 84 в канале 96 цепи управления, который в свою очередь сообщается с управляющим поршнем 40 через отверстие 36. Аналогичным образом, сопловой аппарат 204 соединен с дросселем 82 в канале 94 цепи управления, который в свою очередь сообщается с управляющим поршнем 38 через посредством отверстия 34.

Входное отверстие 217 сообщается также с отверстием 219, заканчивающимся на торце 221 сопла (на торце 222 для соплового аппарата 204). Сопловые торцы 221 и 222 могут находится в контакта с соответственными затворами 213 и 214, упруго смещаемыми в противоположных направлениях от якоря 211 в сторону соответственных сопловых торцев 221 и 222.

Во время работы управляющее устройство 200 для регулирования уровня давления действует описанным ниже образом, обеспечивая плавное регулирование управляющего давления (и плавное и пропорциональное регулирование уровней нагрузочного давления) с обеспечением при этом способности к, по существу, нулевому управляющему потоку при нулевом входном сигнале, когда распределительное клапанное устройство 110 находится в нейтральном состоянии. Когда ни катушка 207, ни катушка 208 моментного двигателя не возбуждены (или если обе возбуждены равными токами), якорь 211 упруго смещен в среднее положение между полюсами 205 и 206 посредством пружинного поддерживающего элемента 212. В этом состоянии сопловые затворы 213, 214, по существу, одинаково смещены от якоря 211 в сторону уплотняющего контакта с одинаковой силой с соответственными торцами 221 и 222 сопел, что предотвращает сообщение с атмосферой каналов 94 и 96. Таким образом, управляющие давления в каналах 94 и 96, по существу, уравновешены и, по существу, равны управляющему давлению на входе 80 цепи управления. Следовательно, золотник 42 в выходной части 14 уравновешен в среднем положении, при котором, по существу, отсутствует поток управляющей среды или электрический входной сигнал и, следовательно, отсутствует поток из нагрузочных отверстий 62 или 64.

При необходимости приведения в действие цилиндра 16 подают командный ток на ту или другую (или на обе) электрическую катушку 207 или 208, что заставляет якорь 211 переместиться ближе к полюсу (205 или 206), окруженному соответственной возбужденной катушкой. Такое перемещение якоря увеличивает уплотняющую силу, с которой затвор (218 или 214) действует на соответственный сопловой торец (221 или 222) на возбужденной (или более возбужденной) стороне моментного двигателя 201. В то же самое время якорь 211 тянет другой затвор (213 или 214) на невозбужденной или менее возбужденной стороне двигателя 201 в направлении от соответственного соплового торца (221 или 222), что позволяет по крайней мере частично выпустить воздух в атмосферу на невозбужденной (или менее возбужденной) стороне. В результате этого управляющее давление в канале (94 или 96) цепи управления на возбужденной (или более возбужденной) стороне системы повышается или остается на уровне входного управляющего давления с увеличением входного командного тока, а управляющее давление в противоположном канале (94 или 96) на невозбужденной (или менее возбужденной) стороне системы понижается с увеличением перемещения соответственного затвора (213 или 214) в направлении от соответственного соплового торца (221 или 222). Полученный в результате дисбаланс давлений между каналами 94 и 96 вызывает соответствующее перемещение управляющих поршней 38 и 40 и, следовательно, золотника 42, причем внутренняя обратная связь саморегулирования, как описано выше в связи с фигурой 1, поддерживает выходной нагрузочный сигнал на уровне, вдвое (в описанном выше примере), превышающем уровень разности управляющих давлений.

Поскольку моментный двигатель 201 способен к плавно регулируемому перемещению якоря 211 в двух направлениях между торцами 221 и 222 сопел в ответ на подачу плавно регулируемых дифференциальных командных токов на соответственные электрические катушки 207 и 208, то управляющее устройство 200 для регулирования уровня давлений способно осуществлять плавно регулируемое перемещение золотника 42 в двух направлениях с обеспечением автоматического плавного регулирования нагрузочных давлений, необходимых для двухстороннего действия цилиндра 16, что обеспечивает регулирование величины выходного усилия цилиндра.

Таким образом, управляющее устройство 200 для регулирования уровней давлений способно осуществлять очень тонкое и точное регулирование величины усилия цилиндра 16, благодаря тому, что очень малая разница во входных командных токах, подаваемых на катушки 207 и 208, дает в результате очень малые перемещения якоря 211 и, следовательно, очень малую разницу в управляющих давлениях у соответственных торцев 221 и 222 сопел. Кроме того, поскольку перемещение якоря и управляющие давления прямо пропорциональны входному командному току, а нагрузочные давления прямо пропорциональны управляющим давлениям, то нагрузочные давления прямо пропорциональны входному командному току, и следовательно, могут быть плавно и точно отрегулированы.

Распределительные клапанные устройства 10 и 110, показанные на фигурах 1 и 2, дают некоторые явные преимущества, которые весьма желательны и даже необходимы в некоторых применениях, но не все питаемые текучей средой силовые системы требуют такого тонкого и разнообразного регулирования. На фиг.3 схематически показан упрощенный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором такие избирательные изменения нагрузочных давлений не нужны, но полезно автоматическое пропорциональное регулирование одного уровня давления.

Как показано на фиг.3, управляющие устройства 100 и 200 для регулирования уровня давлений, показанные на фигурах 1 и 2, убраны, и в систему добавлены регулируемые дроссели 382 и 384. Регулируемые дроссели 382 и 384 сообщаются с соответственными дросселями 82 и 84 и с соответственными нормально закрытыми выхлопными (выпускными) отверстиями 86 и 88. Выхлопными отверстиями 86 и 88 управляют посредством соленоидов 90 и 92 соответственно. Дроссели 382 и 384 могут быть заранее отрегулированы и зафиксированы при величине прохода, обеспечивающей заданную разность управляющих давлений, которая дает в результате требуемый, заранее выбранный уровень нагрузочного давления в нагрузочном отверстии 62 или 64. Таким образом, при совместном возбуждении соленоидов 90 и 92 золотник 42 перемещается в положение, обеспечивающее заданный уровень нагрузочного давления. Если требуется другой уровень нагрузочного давления или другое направление выхода, то нужно расфиксировать соответственно дроссели 382 и 384, установить (отрегулировать) на новое требуемое нагрузочное давление и опять зафиксировать в новых отрегулированных положениях.

При таком способе действия каждое из управляющих давлений в каналах 94 и 96 регулируют путем регулировки дросселей 382 и 384 (соответственно) таким образом, чтобы создать разность управляющих давлений, действующих на поршни 38 и 40 соответственно. Величину каждого отрегулированного управляющего давления ограничивают (посредством конструктивных требований) максимум 50 процентами давления питания на входе клапана. Причиной этого ограничения является обеспечение золотнику 42 возможности оставаться у его ограничителя хода при минимальном перепаде управляющих давлений, действующих на управляющие поршни, который равен 50 процентам давления питания на входе клапана, когда он работает в режиме управления посредством одного соленоида. Таким образом, давление обратной связи в каналах 72 или 74 обратной связи, составляющее 100 процентов уровня давления питания на входе клапана, все же не будет преодолевать перепад управляющих давлений, составляющий минимум 50 процентов давления питания на входе клапана и потому удерживающий золотник 42 у соответственного его ограничителя хода. Это происходит благодаря обеспечению предпочтительного отношения 2:1 площадей торцев, обусловленного геометрией в цепях управления и обратной связи.

Возбуждение одного соленоида 90 или 92 вызывает падение управляющего давления в каналах 94 или 96 (соответственно) до максимального уровня 50 процентов давления питания на входе клапана (что обеспечивает предшествующий регулировкой). Управляющее давление в противоположном канале, конечно, составляет 100 процентов уровня давления питания на входе клапана, поскольку его выхлопное отверстие закрыто (так как соленоид не возбужден). Следовательно, золотник 42 перемещается к ограничителю хода, при этом начинает течь воздух от входного отверстия 60 к одному из нагрузочных отверстий 62 или 64 (в зависимости от направления действия управляющего давления). Максимальный уровень, которого может достичь его нагрузочное давление (такое же, как командное давление обратной связи), недостаточен для перемещения золотника 42 от его ограничителя обратно к среднему положению. Поэтому золотник 42 остается у ограничителя его хода и нагрузочное давление на выходе клапана, по существу, не регулируется и находится на уровне давления питания на входе клапана или близко к этому уровню.

Однако, когда обесточивают оба соленоида 90 и 92, золотник 42 возвращается в среднее (нейтральное) положение, при котором каждое из давлений в нагрузочных отверстиях 62 и 64 возвращается к нулевому уровню. При этих условий (входной сигнал отсутствует) нет ни управляющего, ни выходного потоков и потери (если они есть) от внутренних утечек весьма незначительны. Кроме того, если бы золотник 42 уходил (дрейфовал) из вышеописанного нейтрального положения, то получающееся в результате повышение давления в одном из нагрузочных отверстий поступило бы оттуда к противоположному торцу золотника, что заставило бы золотник вернуться в нейтральное положение.

На фиг.4 показан схематически еще один вариант осуществления настоящего изобретения, который подобен показанному на фиг.3, но выполнен с возможностью широтно-импульсной модуляции входного сигнала для регулирования нагрузки на выходе. Показанное на фиг.4 распределительное клапанное устройство 410, по существу, идентично в отношении его конструкции, или аппаратуры распределительному клапанному устройству 210, но может быть приведено в действие несколько по-иному.

Предварительно регулируемые дроссели 382 и 384, по существу, не нужны для этого типа управления и могли бы быть убраны для уменьшения сопротивления потоку управляющей среды, идущему на выхлоп. Но в отличие от работы, прописанной выше в связи с фиг.3, где соленоиды 90 и 92 просто включают или выключают, чтобы открыть или закрыть соответствующее отверстия 86 и 88, входные сигналы тока к каждому из соленоидов 90 и 92 могут быть модулированы, либо поодиночке, либо одновременно, путем модуляции ширины (длительности) импульса включено-выключено для соответствующей модуляции уровней управляющего давления. Импульсы давления, создаваемые путем быстрого открытия и закрытия выхлопных отверстий 86 и 88 в каналах 94 и 96 (соответственно), приводят к усреднению уровней давления за некоторый период времени. Разница между двумя средними управляющими давлениями является подаваемым к управляющему поршню дифференциальным сигналом давления, перемещающим золотник 42 так же, как описано выше в связи с другими примерами осуществления настоящего изобретения.

В графических представленных подаваемых на соленоиды входных электрических сигналов, показанных на фиг.4 позицией 415 обозначен график входного сигнала в зависимости от времени для соленоидов 90 и 92, где ширину импульса входного сигнала модулируют одинаково для обоих соленоидов 90 и 92. Этот режим работы дает в результате одинаковые средние управляющие давления, действующие в противоположных направлениях на оба управляющих поршня 38 и 40 выходной части 14, за равные соответствующие периоды времени. Таким образом, золотник 42 будет оставаться в нейтральном положении.

Однако, если соответственные входные электрические сигналы подвергают широтно-импульсной модуляции таким образом, что соленоиды 90 и 92 возбуждаются на разное время (с разной длительностью импульсов), то получают несбалансированную разность сигналов, как показано на фиг.4 и обозначено позициями 416 и 417. При таком режиме работы золотник 42 будет вынужден дрейфовать в направлении к той или другой стороне в результате действия на управляющие поршни 38 и 40 соответственно неуравновешенных управляющих давлений. Таким образом, путем избирательной модуляции ширины (длительности) импульсов входных сигналов, подаваемых на соленоиды 90 и 92, и, следовательно, модуляции соответствующих управляющих давлений, действующих на соответственные управляющие поршни 38 и 40, можно точно регулировать выходную нагрузку в соответственных нагрузочных отверстиях 62 и 64. Фактически такие входные электрические сигналы могут быть запрограммированы с использованием микропроцессоров или других известных электрических или электронных устройств для обработки сигналов на получение запрограммированной требуемой последовательности создания нагрузки на выходе и, следовательно, обеспечения требуемой последовательности регулирования рабочего усилия цилиндра 16. В этом случае работа цилиндра 16 может быть запрограммирована таким образом, что рабочие сигналы внешней обратной связи от системы, в которой используют цилиндр 16, могут быть использованы подходящими процессорами для обработки электрических сигналов для регулирования порядка следования входных электрических сигналов для соленоидов 90 и 92 в ответ на изменения условий в системе. Такие устройства для обработки электрических сигналов хорошо известны специалистам в данной области техники и потому в данном описании подробно не описаны.

Описанные с целью иллюстрации различные примерные альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения дают широкие возможности для управления распределительными клапанами путем преобразования внешних сигналов для самых различных применений. Такие возможности включают упрощенное управление там, где не желательно или не нужно изменения (регулирование) максимальной выходной нагрузки, а также там, где требуется плавное регулирование выходной нагрузки. Такие возможности обеспечиваются в распределительном клапанном устройстве, относительно простом в работе и относительно недорогом, но тем не менее обеспечивающем высокую степень точности управления, необходимую во многих современных применениях.

Выше раскрыты и описаны всего лишь иллюстрированные (для примера) варианты осуществления настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники очевидно из данного описания и из прилагаемых чертежей и формулы изобретения, что возможны различные изменения и дополнения, не выходящие за пределы существа и объема настоящего изобретения, определенных в следующей ниже формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к распределительной пневмоаппаратуре. В многовходовом саморегулирующемся пропорциональном распределительном клапане используют систему обратной связи по нагрузке для создания выходных давлений рабочей текучей среды, пропорциональных давлениям управляющей текучей среды. В некоторых вариантах распределительный клапан выполнен программируемым и способным к созданию различных нагрузочных выходных давлений, выбранных либо до начала работы, либо во время работы. При этом при отсутствии выходного потока из распределительного клапана последний занимает среднее нейтральное положение. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула