«Гидравлические» оппоненты выдвигают свои доводы. Гидравлика обладает исключительными силовыми характеристиками, например, домкрат с диаметром цилиндра 100 мм и приводом от ручного насоса развивает усилие 550 кН! Другие преимущества: быстродействие, позволяющее отрабатывать заданное воздействие с частотой до нескольких сотен герц; широкий диапазон регулирования; возможность защиты от перегрузки и точного контроля сил, а также аккумулирования энергии; простота реализации прямолинейного движения; идеальная защита от внешних загрязнений (в том числе работа под водой); обширная номенклатура механизмов управления; высокая долговечность. Известно [1], что предельная силовая напряженность в гидроприводах составляет 40...90 МПа (здесь и далее в скобках показатели электроприводов 4...10); предельные угловые ускорения 10⁴ 1/с² (10³); массовая отдача источников энергии 0,1...0,4 кг/кВт (1...4) и исполнительных механизмов 0,3...0,4 кг/кВт (2...30); общий КПД 0,7...0,9 (0,6...0,7); число отказов в автоматизированных системах 2...10% (70...90); интенсивность отказов (?·10⁶) источников энергии 2...50 1/ч (10...20) и приводов 1...10 1/ч (10...100). Кроме того, применение гидроприводов позволяет снять проблемы изоляции, коммутации, управления высоким напряжением, пожароопасности (при использовании негорючих жидкостей), влияния электромагнитных полей, чувствительности к режимам остановки под нагрузкой; легко реализуется многократное резервирование. Что же касается «роковых» недостатков, то современные уплотнения обеспечивают полную герметичность, а шум большинства гидромашин уже снижен до минимально возможного уровня.

Таким образом, мы видим два технических решения с ярко выраженными достоинствами и недостатками, а следовательно, возникает идея их объединения в едином электрогидравлическом приводе, содержащем электрические управляющие и приборные средства (датчики обратной связи и др.), а также гидравлические силовые исполнительные двигатели. Эта идея не отличается особой новизной, однако в последнее время она получает опережающее развитие, как бы подтверждая природную мудрость, что элект­рика — это нерв, а гидравлика — мускул движущегося объекта.

Простейшим симбиозом электрики и гидравлики являются приводы с использованием электрореологических жидкостей (обычно взвесь порошка карбонильного железа в масле), способных изменять свою вязкость под воздействием электрического  поля  высокого  напряжения  и  незначительной мощности. В рамках национальной программы в Германии уже создаются промышленные образцы приводов, отличающихся рекордным быстродействием (постоянная времени ? 1 мс). Имеются сообщения [2] об использовании электрореологических жидкостей в электроуправляемых муфтах сцепления с целью стабилизации крутящего момента, что оказывается дешевле и надежнее, чем применение двигателей постоянного или переменного тока, управляемых электронным способом.

В электрогидравлических приводах особое значение приобретают аппараты связи микропроцессорных систем управления с гидравлическими силовыми исполнительными двигателями — дросселирующие (ДГР) или пропорциональные (ПГР) гидрорас­пределители, в том числе «интеллектуальные» или «мехатронные» (со встроенными электронными устройствами управления). ДГР обладают идеальными статическими и динамическими характеристиками, однако отличаются сложностью конструкции, требуют сверхпрецизионного изготовления определяющих деталей и максимальной степени очистки рабочей жидкости. В качестве примера на рис. 1 показаны новейшие однокаскадные ДГР типа DFplus® фирмы Parker и LSVG­03 фирмы Yuken с электродинамическим преобразователем типа «подвижная катушка», встроенными электронным блоком управления и датчиком обратной связи (ДОС). Минимальная масса подвижных частей и большое перестановочное усилие (до 100 Н) позволяют получить очень высокие динамические характеристики (полоса пропускания до 350...450 Гц).

Рис. 1. Однокаскадные ДГР фирм Parker (а) и Yuken (б)

ПГР выполняются на базе пропорциональных электромагнитов, существенно проще конструктивно и технологически, имеют большую степень унификации с обычными электроуправляемыми гидрораспределителями и не требуют сверхтонкой фильтрации. Типичный двухкаскадный ПГР фирмы Bosch Rexroth (рис. 2) состоит из корпуса 1, главного золотника 2, датчиков обратной связи 3 второго каскада и 6 первого, пилота 4, гильзы 5, пропорциональных электромагнитов 7 и 8, пружины 9  и встроенного микропроцессорного блока управления 10.

Рис. 2. Двухкаскадный ПГР фирмы Bosch Rexroth

Кроме ДГР и ПГР, реализующих управление скоростью и направлением движения гидродвигателей (цилиндров и гидромоторов), существует большое количество аппаратов пропорционального управления давлением (клапаны) и расходом (дроссели и регуляторы расхода) рабочей жидкости, имеющих разнообразные исполнения по способу монтажа.

Пропорциональное электроуправление широко используется в регулируемых гидромашинах (насосах и гидромоторах). Одно из ведущих отечественных предприятий — ОАО «Пневмостроймашина» — освоило производство насосов 313.3.107.056, содержащих управляющий ПГР, датчик обратной связи по углу наклона качающего узла (величине подачи насоса) и встроенный электронный блок управления (рис. 3) [3]. Основные преимущества новой модели разработчики видят в возможности создания «интеллектуальной» комплексной системы с расширенными функциональными свойствами, гибкого изменения закона регулирования, обеспечения дистанционного электроуправления от джойстиков, педалей или клавиатуры ПК, обмена данными с различными составными частями комплектуемой машины через полевые шины CAN и др., уменьшения числа трубопроводов. В микроконтроллер блока управления может вводиться «базовый» или «небазовый» алгоритм, причем в последнем случае возможен учет сигналов, поступающих с дополнительных ДОС комплексной электрогидравлической системы. Регулируемые насосы ряда фирм комплектуются так называемыми p/Q­регуляторами, содержащими датчики давления и подачи, которые позволяют существенно улучшить регулировочные характеристики.

Рис. 3. Схема пропорционального регулирования насоса 313.3.107.056 ОАО «Пневмостроймашина»

Высокоточное позиционирование гидроцилиндров (разрешение ± 0,03% от полного хода) достигается, например,  путем использования системы CIMS фирмы Bosch Rexroth (рис. 4), основой которой является встроенный в крышку цилиндра компактный магниторезистивный датчик, взаимодействующий со штоком, на котором под слоем керамического покрытия нанесены волнообразные риски синусоидальной формы.

Рис. 4. Система CIMS фирмы Bosch Rexroth

По своим динамическим характеристикам и точности новая гидравлическая ось той же фирмы (рис. 5) является оптимальным приводным устройством, например, для распиловочной техники. Компактный узел с гидроцилиндром, быстродействующим ДГР со встроенной электроникой и высокоточной позиционной измерительной системой отвечает самым современным требованиям надежности.

Рис. 5. Гидравлическая ось IAC-R фирмы Bosch Rexroth

Примером взаимопроникновения  электрики и гидравлики могут стать малошумные компактные модули фирмы Hawe (рис. 6), состоящие из расположенных в общем корпусе насоса и электродвигателя, которые находятся под уровнем рабочей жидкости, причем гидроаппаратура и, возможно, аккумулятор располагаются снаружи на гидропанелях. Узел может комплектоваться воздушным теплообменником. Подобные решения называют «интеллигентной гидравликой, которую не видно и не слышно» (whispering power unit). В некоторых установках для пищевой промышленности насос расположен внутри ротора приводного электродвигателя.

Рис. 6. Малошумный компактный модуль фирмы Hawe

Ярчайший пример электро­гидравлического симбиоза являют современные установки водоструйной резки, в которых рабочее давление достигает уже 600 МПа. Здесь гидравлическими являются рабочий инструмент (водяная струя, вытекающая со скоростью 1000 м/с из алмазного сопла, в смеси с гранатовым песком) и привод мультипликатора, возможно, с пропорциональным регулированием давления, а электрическими — приводы подач, диагностические приборы и развитые системы микропроцессорного управления, в том числе позиционирования по пяти координатам. Накопленный опыт резки самых разнообразных материалов находит отражение в прилагаемых системах САПР, позволяющих оператору кроме геометрии реза ограничиваться только заданием типа и толщины разрезаемого материала, а также желаемым качеством его обработки.

Рис. 7. Технология гидроформования фирмы Bosch Rexroth

Инновационная технология гидроформования (гидроформинг) фирмы Bosch Rexroth основана на использовании мультипликаторов с давлением 200 или 400 МПа. Мультипликатор содержит позиционный датчик поршня, ПГР и клапанный блок (рис. 7). Специальный датчик высокого давления (жидкость HFA) обеспечивает точную высокодинамичную регулировку замкнутого контура управления, а также гарантирует требуемую эксплуатационную надежность установки в целом.

В разработанных ЭНИМСом линейных электрогидравлических приводах стендов для испытаний гидравлических гасителей колебаний транспортных средств (рис. 8) шаговый электродвигатель ШД через винтовую пару 1 обеспечивает осевое смещение золотника 2, в результате чего шток гидроцилиндра 5 движется в соответствующем направлении и через рейку 4, шлицевое соединение 3 и винтовую пару возвращает золотник в нейтральное положение, после чего движение останавливается. Требуемый закон движения (гармонические колебания с частотой 0,25...7 Гц и амплитудой до 55 мм или другой) устанавливается за счет соответствующего программирования ШД. Конечные выключатели КВ1 и КВ2 выдают в систему управления аварийный сигнал при чрезмерном увеличении рассогласования между заданными и фактически отработанными перемещениями штока. В данном случае применение механической обратной связи позволяет существенно упростить систему и обеспечить ее ремонтопригодность в условиях железнодорожных депо. Оценка действующего усилия производится по разности показаний датчиков давления, установленных в полостях гидроцилиндра, а перемещение штока контролируется встроенным позиционным ДОС. Результаты экспериментов в форме зависимостей пути, скорости и силы по времени; силы от перемещения и силы от скорости выдаются на распечатку в паспорт гасителя колебаний и сохраняются в памяти ПК.

Рис. 8. Схема линейного электрогидравлического привода ЭНИМС

На выпуске высокодинамичных электрогидравлических испытательных стендов уже много лет специализируется один из мировых лидеров — фирма Shenck.

В последние годы электрогидравлические приводы произвели переворот в мобильной технике, производители которой предпочитают поставлять из одних рук весь комплект гидравлических и электрических (электронных) компонентов. Гидравлическая трансмиссия фирмы Eaton (рис. 9) состоит из расположенных на общем валу двух аксиально­поршневых насосов с пропорциональным электроуправлением и дополнительного шестеренного насоса, двух аксиально­поршневых гидромоторов, гидроаппаратуры управления, электронного усилителя, двухосевого джойстика и программирующих устройств с программным обеспечением, адаптированным под требования гидропривода мобильной машины. Аналогичный комплект (рис. 10) предлагает фирма Parker.

Рис. 9. Гидравлическая трансмиссия фирмы Eaton

Рис. 10. Комплект электрогидравлического оборудования
для мобильной техники фирмы Parker

Современные электрогидравлические приводы обеспечивают ускорения до 80g, скорость хода до 10 м/с, период собственных колебаний от 0,5 мс. Электрогидравлика, подключенная к полевой шине, свободно встраивается благодаря открытому интерфейсу в общую систему децентрализованной архитектуры, при этом все физические особенности элементов гидросистем задаются на уровне программных средств, что обеспечивает хорошее согласование свойств управляющих систем и агрегатов привода. Указанные преимущества позволяют утверждать, что электрогидравлические системы приводов имеют мощный потенциал дальнейшего развития.

Выпускаемые отечественной промышленностью и ведущими зарубежными фирмами, представленными на российском рынке, компоненты электрогидравлических приводов с полной расшифровкой кодовых обозначений, указанием основных параметров, габаритных и присоединительных размеров приведены в работе [4].

В. К. Свешников, к.т.н., ЭНИМС

Список литературы:

1. Долгушев В.Г., Акопов М.Г., Бекетов В.И. Системы оборудования летательных аппаратов: Учебник для вузов (под ред. Матвеенко А.М.,  Бекетова В.И.) 3­е изд. испр., доп, М.: Машиностроение, 2005.
2. Wiech T., Olszak A., Madeja J. и др. Управляемое вязкое сцепление в электрореологической жидкости // Гидравлика и пневматика. 2005. № 19. С. 8­11.
3. Караваев В.А., Беляев И.А. Гидромашины с электрогидравлическим управлением производства // Гидравлика и пневматика. 2005. ­
   № 19. С. 26­29.
4. Свешников В.К. Гидрооборудование: международный справочник. Номенклатура, параметры, размеры, взаимозаменяемость. В 3­х кн. М.: ООО «Изд. центр «Техинформ» МАИ». Кн. 1. Насосы и гидродвигатели. Первое издание 2001. 360 с.; второе издание 2010. 552 с. Кн. 2. Гидроаппаратура. 2002. 508 с. Кн. 3. Вспомогательные элементы гидропривода. 2003. 480 с.