«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).
![Однокаскадные ДГР фирм Parker (а) и Yuken (б)](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_01.jpg)
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](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_02.jpg)
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.
![Схема пропорционального регулирования насоса 313.3.107.056 ОАО «Пневмостроймашина»](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_03.jpg)
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.
![Система CIMS фирмы Bosch Rexroth](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_04.jpg)
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.
![Гидравлическая ось IAC-R фирмы Bosch Rexroth](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_05.jpg)
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.
![Малошумный компактный модуль фирмы Hawe](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_06.jpg)
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.
![Технология гидроформования фирмы Bosch Rexroth](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_07.jpg)
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.
![Схема линейного электрогидравлического привода ЭНИМС](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_08.jpg)
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.
![](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_09.jpg)
Рис. 9. Гидравлическая трансмиссия фирмы Eaton
![](/sites/default/files/Img_old/ArticleImages/2011/06/Gidravlika/gidravlika_10.jpg)
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:
- 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.
- Wiech T., Olszak A., Madeja J. и др. Управляемое вязкое сцепление в электрореологической жидкости // Гидравлика и пневматика. 2005. № 19. С. 811.
- Караваев В.А., Беляев И.А. Гидромашины с электрогидравлическим управлением производства // Гидравлика и пневматика. 2005.
№ 19. С. 2629.
- 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.