NO138260B - Elektrohydraulisk omformer. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrohydraulisk omformer for omforming av et elektrisk signal til et hydraulisk signal, ved hjelp av en elektrisk påvirkbar strupeanordning for et hydraulisk medium.

Det er kjent innen den elektrohydrauliske servoteknikk å gjennomføre omformingen av et elektrisk signal til et hydraulisk signal ved hjelp av en elektromagnetisk forårsaket geometri-forandring av en hydraulisk strupeanordning. Denne strupefor-andring blir, for det meste ved hjelp av forstemming av en hydraulisk bro, benyttet til utstyring av en skyver eller en plateforsterker som hever den lave omformerytelse til det nød-vendige nivå.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en strupeanordning hvis strupeverdi kan styres uten geometri-forandring.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at strupeanordningen omfatter et rør som er innrettet til å føre en laminær strøm av det hydrauliske medium, og at rørets vegger består av et materiale med elektrisk motstand for å muliggjøre elektrisk oppvarming av stort sett hele rørets lengde.

På denne måte kan mediets viskositet, hvormed strupingens hydrauliske motstand forandrer seg proporsjonalt, styres ved hjelp av den elektriske oppvarming av en drosselvegg som står i berøring med mediet.

I det etterfølgende vil enkelte utførelsesformer og anvend-elseseksempler for oppfinnelsen beskrives nærmere under henvis-ning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom en første utførelsesform av en utvendig oppvarmet struper.

Fig. 2 viser et snitt langs linjen II i fig. 1.

Fig. 3 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom en ytter-ligere utførelsesform av struperen.

Fig. 4 viser et snitt langs linjen IV i fig. 3.

Fig. 5 viser et snitt langs linjen V i fig. 3.

Fig. 6 viser et snitt langs linjen VI i fig^ 3.

Fig. 7 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom en ytter-ligere utførelsesform av struperen.

Fig. 8 viser et snitt langs linjen VIII i fig. 7.

Fig. 9 viser et tverrsnitt gjennom en utvendig oppvarmet struper Ifølge fig. 2, men med en kjølekappe. Fig. 10 viser et tverrsnitt gjennom en utvendig oppvarmet struper ifølge fig. 2, men med vakuum om varmelederen. Fig. 11 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom en første utførelsesform av en innvendig oppvarmet struper.

Fig. 12 viser et snitt langs linjen III i fig. 11.

Fig. 13 viser et skjematisk lengdesnitt gjennom en ytter-ligere utførelsesform av den innvendige .oppvarmete struper.

Fig. 14 viser et snitt langs linjen XIV i fig. 13.

Fig. 15 viser benyttelsen av en viskotermisk struper som styreelement for en fireveis-sleide i en selvutliknende halvbro med laminær nullutjevningsstruper. Fig. 16 viser en konstruktiv utførelsesform av den laminære nullutjevningsstruper ifølge fig. 15. Fig. 17 viser i et snitt langs linjen XVII i fig. 18 et innspent varmerør med avtastning med fotocelle. Fig. 18 viser i sideriss langs linjen XVIII i fig. 17 det innspente varmerør som avtastes med en fotocelle. Fig. 19 viser en skjematisk gjengivelse av et overbelast-ningsvern med mekanisk avtasting. Fig. 20 viser et forstørret utsnitt av fig. 17 på varme-rørets loddepunkt på lavtrykkssiden, idet det er vist en termisk isolering mellom en holder og røret.

Prinsipielt kan den foreliggende viskotermiske struper ut-føres på to forskjellige måter:

a) Varmeveggen danner samtidig og alene struperveggen.

b) Strupingen finner sted mellom veggene til et hull og

en koaksial varmtråd, idet hullveggen holdes utenfor de termiske

vekselvirkninger.

De utvendig oppvarmete varianter ifølge a) byr den fordel at de gir en relativt enkel konstruksjon, selv om fremstillingen av tynnrør i de ønskete små dimensjoner ikke er problemfri. For en gitt varmeytelse er dessuten den oljemengde som påvirkes større enn ved varianten ifølge b) siden heftebetingelsene blir styrt ved alle strupervegger på grunn av oppvarmingen. Som ulempe ved den utvendig oppvarmete variant gjelder disses treg-het siden varmeveggen samtidig må kunne stå imot trykkpåkjen-ningen og derfor trenger en viss veggtykkelse som samtidig ved sin varmekapasitet virker ugunstig inn på elementets frekvens-egenskaper.

Den innvendig oppvarmete variant ifølge b) er konstruk-sjonsmessig komplisert og tillater bare en begrenset påvirkning av oljestrømmen siden strupevirkningen ikke kan styres av ytter-veggen. Derimot er den mekaniske påkjenning på varmelederen lav. Dette tillater en slik konstruktiv utforming at varmelederens varmekapasitet forblir lav til tross for den størst mulige varmeoverflate, noe som gir seg utslag i en gunstig frekvens-karakteristikk.

Den enkleste utførelse av.en viskotermisk, utvendig oppvarmet struper er et varmerør 1 som er vist i fig. 1 og 2 og som på trykksiden over et loddested 2 er forbundet med en til-koplingsflens 3. På lavtrykksiden befinner det seg en tilkoplingsklemme 4 med en strømtilførsel 5, som er isolert fra de øvrige maskindeler. Dersom det på lavtrykksiden oppstår util-latelig høye trykk for plastslangetilkopling, må det benyttes en isoleringsflens. For å kunne redusere elementet ved store rørlengder til brukbare dimensjoner, kan rørstykket være spiralformet oppviklet. Det må imidlertid hindres enhver berøring med andre deler, for eksempel støttedeler.

En videreutviklet utførelsesform av en utvendig oppvarmet struper er vist i figurene 3 til 6. Her blir et varmerør 1'

som ligger mellom en flens 3' og en tilkoplingsklemme 4' redus-ert i tverrsnitt ved flattrykking, hvorved omformerens virk-ningsgrad blir øket.

Skal viskositetsendringen for en gitt varmeytelse bli maksimal, må det benyttes tverr.snittgeometrier som kombinerer den størst mulige varmeflate med det lavest mulige gjennom-strømningstverrsnitt, såsom et flatt, ovalt rør l<1>'" ifølge fig. 7 og 8. Idet varmerørets veggtykkelse på grunn av den frekvensbegrensende termiske kapasitet må reduseres til et minstemål, kan et varmerør med vilkårlig tverrsnittsgeometri ikke motstå trykkreftene uten stor deformering. Derfor blir røret ved store arbeidstrykk forsynt med støtteplater 6, som samtidig tjener som kjøleribber. Dersom man vil holde varme-rørets koldtemperatur på referansetemperaturen til et medium, kan dette skje ved at varmelederen 1 omstrømmes i en kapsel 7. Den anordning som er vist skjematisk i fig. 9 øker imidlertid den varmeeffekt som er nødvendig for motstandsforandringen, siden en del av varmen blir ført bort av referansevæsken. Derimot blir f rekvens<g>an<g>.en, litt bedret siden avkjølingen skjer hurtigere.

Et system som er fullstendig avsondret fra omgivelsenes termiske innflytelser er vist i fig. 10, hvor det mellom varme-røret 1 og en tett kapsel 8 blir opprettholdt et vakuum som reduserer varmetapet til varmerørets utvendige vegg til en ubetydelig stråling.

Den enkleste innvendig oppvarmete utførelsesform av en viskotermisk struper er gjengitt i fig. 11 og 12. En båndformet varmetråd 10 blir holdt koaksialt i en boring 11 i et fortrinns-vis isolerende legeme 12 ved hjelp av to endeholdere 13a og 13b, idet strømtilførselen henholdsvis -bortførselen såvel som trykk-tilkoplingen skjer via flenser 14a og 14b. Til tross for de fremragende dynamiske egenskaper er denne byggemåte bare sjelden anvendbar, siden den relativt lave varmeoverflate ikke tillater noen stor påvirkning av oljestrømmen. Den i fig. 13 og 14 viste stjerneformete utforming av varmetråden 10 utgjør imidlertid en tilfredsstillende løsning av dette problem samtidig som den i tillegg forbedrer varmetrådens mekaniske styrke vesentlig.

Varmetråder såvel som varmerør kan enklest fremstilles

av nikkel-krom-stål eller nikkel-krom-legeringer. Fysikalsk optimale forhold oppnås imidlertid bare med titan- eller zirkon-legeringer siden disse legeringer kombinerer lav varmekapasitet med høy elektrisk motstand.

En mulig benyttelse av den viskotermiske struper er vist

i fig. 15. En fireveis sleide 15 med differensial-endestempler blir påtrykket med et matetrykk p på et lite endestempel 16, noe som krever et trykk Pc på et stort endestempel 17, hvis størrelse bare avhenger av endestemplenes flateforhold hvis sleiden 15 skal forbli i likevekt. Dersom en laminær trimstruper 19 blir slik innstilt i den viskotermiske strupers uoppvarmete

tilstand at det ikke strømmer noen olje fra matetrykksiden over en nålstruper 20 inn i den laminære halvbro trimstruper 19 - viskotermisk struper 18, så må det ved forstemming av broen ved forandring av strupermotstanden på stedet for struperen 18 flyte en oljestrøm over nålstruperen 20 for å opprettholde P^. Dette betyr imidlertid at hele sleiden 15 må bevege seg for

å frigi det nødvendige tverrsnitt ved 20. Følgelig danner den viskotermiske struper 18 utløsemotor for sleiden 15, som blir betegnet som elektrohydraulisk fireveis-servbventil med selv-utjevnende halvbro. Ved siden av den beskrevne anordning befinner det seg tilsvarende i fig. 15 alle elementer til en normal servoventil, en elektrisk servoforsterker 21, forbrukertilkoplinger 22 og 23, en tank-returledning 24 og en matetrykkledning 25,

som alle er skjematisk anordnet i et hus 26.

Referanse-brogrenen til servoventil-styretrinnet må like-ledes vies den nødvendige oppmerksomhet. Trimstruperen 19 må i signalløs tilstand oppvise karakteristikker som er lik karak-teristikkene til den viskotermiske struper. Tilsvarende for-søker man å utforme de to strupere geometrisk lik hverandre og å la dem arbeide i et område med like Reynolds-tall.

Dette kan teoretisk oppnås på enkel måte ved at man som strupere benytter to like rørstykker som det da ville herske likt trykkfall over, dvs. Pc = 1/2 p. Dette er i praksis knapt mulig, idet man knapt kan fremstille to absolutt identiske rør. Man hjelper seg derfor med trimstruperen som er vist i fig. 16. Et rørstykke 27 med en litt lavere motstand enn den ønskete verdi blir loddet inn i to hull 28, 29 i en plate 30 og lagt spiralformet om en gjengetapp 31. Rørstykket blir da ved til-trekking av en mutter 3 2 sammentrykket med en skive 33 til den ønskete motstand er nådd.

Den beskrevne omformer kan fordelaktig benyttes isteden-for de kjente elektromagnetisk styrte omformere, så lenge den elektriske strøm i forhold til den påvirkete strøm av det hydrauliske medium ikke blir så stor at røret blir ødelagt ved overoppvarming. Med de utførelseseksempler av den elektrohydrauliske omformer ifølge oppfinnelsen, som blir beskrevet i det følgende, blir det forsøkt å beskytte omformeren mot elektrisk overbelastning ved hjelp av en anordning som ved en gitt temperatur for det elektrisk oppvarmete rør avbryter eller be-grenser den elektriske styrestrøm.

Dette kan oppnås ved at det er anbrakt en anordning for optisk eller mekanisk avtasting av den lengdeutvidelse av røret som er proporsjonal med temperaturen på røret, idet denne anordning frembringer et signal som tjener til å begrense eller avbryte det oppvarmende styresignal, for derved å beskytte omformeren mot overoppvarming.

For å sikre en sikker avtasting, kan rørets lengdeutvidelse forsterkes sterkt. Ved fast innspenning av rørendene blir

det ved oppvarming av røret påtvunget dette en utknekking, idet

.utknekkingen i rørmidten,.utgjør det mangedobbelte av. den effek-tive lengdeutvidelse av røret. Derved blir overbelastningsvernet på grunn av lange koplingsveier i stor utstrekning uavhengig av forstyrrelser, særlig når det blir truffet ekstra forholdsregler for å holde rørholderen fri for termiske påvirkninger. Varmerøret 41 i fig. 17 og 18 er på lavtrykksiden innloddet i en holder 42 og på trykksiden i en klemme 43. Klemmen 43 er via et elektrisk isolerende blad 44 forbundet fast med holderen 42. Styrestrømtilførselen skjer over en tråd 45. Røret 41 er innloddet med en svak utknekking slik at utknekkingsret-ningen er gitt. Ved oppvarming tiltar utknekkingen som en følge av lengdeutvidelsen inntil varmerøret i stillingen 41' avbryter en lysstråle 46 fra en lyskilde 47 til et fotoelement 48. Foto-elementets signal påvirker det oppvarmete styresignal, enten ved å utløse et relé som avbryter forbindelsen mellom en servoforsterker og klemmen 43 eller ved at det på grunn av signalet blir innkoplet en motkopling foran servoforsterkerens utgangs-trinn. Ifølge fig. 17er holderen 4 2 skrudd fast til en ventil 50 som skal styres ved hjelp av skruer 49.

Fig. 19 viser skjematisk et tilsvarende overbelastnings-vern som mekanisk anordning. Det oppvarmende styresignal fra servoforsterkeren 51 blir ved en bestemt utknekking av det oppvarmete rør 41 avbrutt ved hjelp av en isolert taster 42

via en kontakt 53. Mekaniske kontakter oppviser imidlertid den ulempe at de er mindre driftssikre, slik at den utførelsesform som er vist i fig. 17 og 18 foretrekkes.

For å sikre en god virkning av overbelastningsvernet,

må referansestillingen til rørinnspenningen forbli konstant, det vil si holderen 4 2 må ikke påvirkes av den termiske inn-flytelse på det oppvarmete rør 41 og det utløpende varmehyd-rauliske medium på lavtrykkssiden. Den direkte oppvarming av

røret 41 kan unngås ved at man ifølge fig. 20 forsyner det elek-

trisk oppvarmete rør 41 ved dets ender med et meget tynt, elek-

trisk godt ledende sjikt 54, hvorved rørets oppvarmingssone blir holdt i en avstand a fra holderen 42. Oppvarmingen fra det varme hydrauliske medium kan bare begrenses ved hjelp av en termisk kortslutning mellom loddepunktet for røret 41 på holderen 4 2

(fig. 17) og ventilen 50. Dette krever et holdermateriale med meget høy varme-ledningsevne, for eksempel aluminium eller kobber.

Claims (13)

1. Elektrohydraulisk omformer for omforming av et elektrisk signal til et hydraulisk signal, ved hjelp av en elektrisk påvirkbar strupeanordning (1,10,11,18) for et hydraulisk medium, karakterisert ved at strupeanordningen (1,10, 11,18) omfatter et rør (1,11,41) som er innrettet til å føre en laminær strøm av det hydrauliske medium, og at rørets vegger består av et materiale med elektrisk motstand for å muliggjøre elektrisk oppvarming av stort sett hele rørets lengde.

2. Omformer i samsvar med krav 1, karakterisert ved at rørets (l<1>) tverrsnittsflate avtar i strømnings-retningen for det hydrauliske medium.

3. Omformer i samsvar med krav 1, karakterisert ved at røret (l',!<111>) har ovalt tverrsnitt.

4. Omformer i samsvar med et av kravene 1 eller 3, karakterisert ved at det for økning av rørets (l1 '') radiale formbestandighet er anbrakt tverribber (6) på røret.

5. Omformer i samsvar med et av kravene 1, 3 eller 4, karakterisert ved at det er anordnet organer (7) for å muliggjøre omspyling av røret (1) med en væske slik at røret holdes på en referansetemperatur så lenge det ikke foreligger noe signal om oppvarming.

6. Omformer i samsvar med et av kravene 1, 3 eller 4, karakterisert ved at røret (1) er anordnet i en evakuert omgivelse (8) for å isolere termisk de deler som er utsatt for temperaturvariasjoner.

7. Omformer i samsvar med krav 1, karakterisert ved at rørets tilkoplinger er små sammenliknet med rørdimen-sjonene og består av et materiale hvis varmeledningsevne og varmekapasitet er lav i forhold til de samme størrelser for røret, slik at .praktisk talt bare røret er utsatt for temperaturvariasjoner .

8. Omformer i samsvar med et av kravene 1-7, karakterisert ved at røret (1,11,41) består av en titan-legering som inneholder minst 80% titan.

9. Omformer i samsvar med et av kravene 1-7, karakterisert ved at røret (1,11,41) består av en zirkon-legering med et minste innhold på 50% zirkon.

10. Omformer i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det finnes en anordning (47,48,52,53) for optisk eller mekanisk avføling av den lengdeutvidelse av røret som er proporsjonal med temperaturen på det elektrisk oppvarmete rør (41), idet denne anordning frembringer et avfølingssignal som tjener til å begrense eller avbryte signalet som styrer oppvarmingen, for å beskytte omformeren mot overopphetning.

11. Omformer i samsvar med krav 10, karakterisert ved at røret (41) ved begge sine ender er fast innspent ved hjelp av en holder (42) og at avtastingsanord-ningen er slik anbrakt at den avtaster den sideveis rørut-knekking som opptrer ved rørets utvidelse.

12. Omformer i samsvar med krav 10 eller 11, karakterisert ved at den omfatter en lyskilde (47) og et fotoelement (48), som er slik anordnet at den lysstråle (46) som er rettet mot fotoelementet, blir avbrutt ved en bestemt sideveis utknekking av det elektrisk oppvarmbare rør (41).

13. Omformer i samsvar med et av kravene 10-12, k a r a k - terisert ved at røret (41) for å unngå en direkte termisk innvirkning fra røret på holderen (4 2) i begge ender er forsynt med et elektrisk ledende sjikt (54), på en slik måte at den elektrisk oppvarmbare sone av røret blir kortere enn rørets lengde.