[ 1
На правах рукописи
АРЕФЬЕВ Константин Валерьевич
СТРУЙНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РУЛЕВЫЕ МАШИНЫ
С УСТРОЙСТВАМИ КОРРЕКЦИИ
Специальность: 05.04.13. - “Гидравлические машины
и гидропневмоагрегаты”
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Уфа 2006 2
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», на кафедре прикладной гидромеханики.
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
Доктор технических наук, профессор Владимир Александрович ЦелищевОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
Доктор технических наук, профессор Геннадий Григорьевич Куликов Доктор технических наук, с.н.с. Станислав Георгиевич БажайкинВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:
ФГУП «Государственный ракетный центр им. академика В. П. Макеева»
Защита состоится 29 декабря 2006 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа – центр, ул. К.Маркса, 12.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.
Автореферат разослан “_” 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф. Ф.Г. Бакиров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современный этап развития авиационной и ракетнокосмической техники связан с широким применением в системах управления беспилотных летательных аппаратов быстродействующих гидроприводов. Однако результаты полетных испытаний с фиксированием поведения рулевых машин показывают, что в реальных условиях на динамику рулевых машин большое влияние оказывают параметры, носящие случайный или переменный характер, такие как: нежесткость связи с нагрузкой, сухое и вязкое трение, переменный модуль упругости сжимаемости жидкости, гидродинамическое воздействие обратных струй на струйную трубку, стохастический разброс параметров электрогидроусилителя, достигающий 40%. Особое внимание следует уделить недостаточно изученным процессам, протекающим в гидрораспределителе, так как именно они влияют на управляемость и устойчивость привода. Одной из особенностей струйного гидрораспределителя является наличие обратных потоков жидкости в зоне распределения основного потока. Гидродинамические силы, создаваемые реакцией вытекающих из окон приемной платы струй жидкости, сила вязкого трения и инерционная сила воздействуют как на основной поток жидкости, вытекающей из струйной трубки, так и на струйную трубку. Комплекс переменных факторов, оказывающих влияние на струйную трубку, приводит к снижению устойчивости привода и возникновению автоколебаний. Переменные условия эксплуатации усугубляют сложность адекватного исполнения команд, поступающих от системы управления летательного аппарата. Результатом влияния этих факторов является работа рулевых машин по упорам и, как следствие, – «хлопанье» рулевыми плоскостями, зафиксированные при полетных испытаниях. Одним из вариантов устранения данных недостатков является введение дополнительных обратных связей в гидропривод для увеличения устойчивости и управляемости привода, уменьшение статической ошибки, уменьшение зависимости привода от внешних условий. Все это обуславливает актуальность исследований, посвященных изучению влияния нелинейных параметров привода на его динамику с учетом введения дополнительных обратных связей. Дополнительные обратные связи могут быть реализованы в виде электрогидравлических, гидромеханических и электронных корректирующих устройств.
Представленная работа посвящена исследованиям динамических характеристик электрогидравлического следящего привода со струйным гидрораспределителем с дополнительными обратными связями. Разработаны размерные и безразмерные математические модели СГРМ с гидромеханическими и электронными устройствами коррекции, предложены новые конструкции и схемные решения.
При численном моделировании использовались технические данные, полученные на ФГУП «Государственный ракетный центр им. Академика В. П. Макеева».
Целью работы является исследование СГРМ с устройствами коррекции, используемых в системах управления исполнительными механизмами летательных аппаратов, разработка рекомендаций по синтезу и анализу их параметров.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель рулевой машины с учетом нелинейностей, доступных экспериментальному определению;
2. Разработать математические модели струйных гидравлических рулевых машин с гидромеханическими устройствами коррекции;
3. Разработать математические модели устройств электронной коррекции;
4. Разработать методики расчета параметров рулевой машины с устройствами коррекции.
Объект исследования – быстродействующие гидроприводы, а именно однокаскадные струйные гидравлические рулевые машины (СГРМ) систем управления летательными аппаратами (ЛА).
Основания для выполнения работы. Работа явилась обобщением исследований автора в период с 1999 года по настоящее время и выполнена на кафедре “Прикладная гидромеханика” Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). Начальная стадия исследований была отражена в магистерской диссертации, выполненной в УГАТУ и защищенной в 2001 году. В работу вошли результаты НИР проведенных на кафедре ПГМ 1994-2005гг. по проектам “Разработка и исследование струйных гидравлических рулевых машин систем автоматического управления летательных аппаратов” и “Кавитационные явления в струйных гидравлических рулевых машинах;
п.14 по программе «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2002-2004гг.).
К основным физическим процессам и факторам, определяющим функционирование быстродействующего гидропривода, оснащенного устройствами коррекции, отнесены изменение статических и динамических характеристик рулевой машины при влиянии: нежесткости связи с нагрузкой, сухого трения, переменного модуля упругости сжимаемости жидкости, гидродинамического воздействия обратных струй на струйную трубку и стохастического разброса параметров гидроприводов, а также переменной внешней нагрузки.
Методы исследования. Работа основывается на использовании классических теоретических и экспериментальных методов исследования струйных течений, проведения стендовых испытаний, определения внутренних и внешних параметров гидроприводов.
Теоретические исследования базируются на научных основах теории машино- и ракетостроения, теории гидродинамики сплошных и двухфазных сред, теории проектирования гидроприводов, аппарата теории вероятности и математической статистики, положений классической и экспериментальной механики.
Использованы численные методы, методы дифференциального и интегрального исчислений, специальные функции.
В работе использованы экспериментальные материалы Государственного ракетного центра, накопленные за 40 лет разработки и эксплуатации струйных гидравлических рулевых машин. При подготовке, проведении экспериментов и обработке их результатов применяются методы теории планирования эксперимента и статистической обработки результатов.
Достоверность результатов работы обосновывается соответствием численного моделирования и экспериментальных исследований быстродействующих гидроприводов полученных при натурных испытаниях в ФГУП «Государственный ракетный центр им. Академика В. П. Макеева».
На защиту выносятся результаты исследований способов и эффективности коррекции динамических характеристик быстродействующих гидроприводов с помощью устройств коррекции, а именно:
1. Нелинейная математическая модель рулевой машины;
2. Математические модели устройств коррекции струйных гидравлических рулевых машин;
3. Результаты численного моделирования рулевых машин с гидромеханическими и электронными устройствами коррекции;
4. Методики расчетов параметров рулевой машины с устройствами коррекции.
Научная новизна. Разработана математическая модель с учетом нелинейностей, а именно: нелинейности сухого и вязкого трения, переменного модуля упругости жидкости, нелинейности обобщенной характеристики, а также модель с учетом гидродинамического воздействия обратных струй на струйную трубку. На основе исследований быстродействующих гидроприводов предложены: гидромеханическое устройство коррекции; система электронной коррекции; разработаны рекомендации по проектированию струйных гидравлических рулевых машин.
Научные результаты, определяющие научную новизну:
1. Нелинейная математическая модель с учетом гидродинамического воздействия обратных струй;
2. Обобщенная модель быстродействующего гидропривода в безразмерных комплексах;
3. Представлены новые методики расчета и проектирования быстродействующего гидропривода с устройствами коррекции, новые технические решения позволяющие уменьшить время разработки приводов.
Теоретические основы проектирования СГРМ базируются на научных основах теории машино- и ракетостроения, теории проектирования гидроприводов, положений классической и экспериментальной гидромеханики.
Практическая ценность результатов исследований состоит в том, что новые теоретические положения позволили создать методический и программный комплекс, обеспечивающий интенсификацию производства и применения быстродействующего гидропривода в системах управления летательными аппаратами на основе внедрения наукоемких технологий в условиях освоения новой конкурентоспособной техники.
Полученные результаты позволяют получить существенный технический эффект, заключающийся в следующем:
• рекомендации по выбору рациональных параметров устройств коррекции позволят снизить затраты времени и средств на разработку, проектирование и доводку быстродействующих гидроприводов;
• применение разработанных схем коррекции позволит на этапе доводки подобрать рациональные параметры, моделировать применение различных вариантов корректирующих устройств;
• разработанная математическая модель с учетом гидромеханического воздействия обратных струй на струйную трубку позволяет определить конструктивные параметры привода для исключения этого влияния.
Результаты настоящего исследования могут быть рекомендованы для использования в КБ авиационных двигателей, НИИД, НИАТ, НИТИ и др. отраслевых организациях при создании исполнительных механизмов двигателей и летательных аппаратах нового поколения. Результаты работы используются в учебном процессе Уфимского государственного авиационного технического университета для студентов энергетических специальностей.
Апробация работы. Основные результаты работы апробировались при выполнении хоздоговорных тем с Государственным ракетным центром и госбюджетных тем по исследованию характеристик струйных гидравлических рулевых машин. Отдельные законченные этапы работы докладывались и обсуждались на 7 научно - технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» г. Пермь 2001, 2002, 2003; «Исследование, проектирование и отработка регулируемых энергоустановок» Уфа, 2001; «Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей» Уфа, 2001; «Гидропневмоавтоматика и гидропривод-2005». Ковров, 2005; «Мавлютовские чтения»
УГАТУ, 2006. В полном объеме работа докладывалась на кафедре “Прикладная гидромеханика” УГАТУ, на заседании НМС по направлению 657400 «Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника».
Структура и объем работы. Публикации.
Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, содержит 164 рисунка, состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 92 наименований. Основные положения выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 16 работах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, определены ее цель и задачи, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая ценность. Приведены основания для выполнения работы, ее апробация и структура.
В первой главе раскрыто центральное место задач разработки струйных гидравлических рулевых машин в процессе научно – технического развития быстродействующих гидроприводов систем управления ЛА. Рассмотрены различные конструкции, схемы и варианты применения СГРМ (рис.1) в системах управления.
Принцип действия СГРМ (рис.3) основан на балансе давлений в полостях гидродвигателя. Рабочая жидкость под давлением подается в струйную трубку 3, струйная трубка преобразовывает статическое давление рабочей жидкости в динамическое давление струи. Струя, обладающая высокой скоростью, направлена 1- усилитель сигнала ошибки, 2- электромеханический преобразователь, 3- струйный гидроусилитель, 4- гидроцилиндр, 5- датчик обратной связи, 6- нагрузка.
на приемную плату с расположенными на ней приемными окнами, соединенные каналами с полостями гидродвигателя. Конструктивно обеспечивается равенство давлений в полостях гидродвигателя при нейтральном положении струйной трубки, гидродвигатель находится в состоянии покоя. При подаче сигнала задатчика, электромеханический преобразователь (ЭМП) отклоняет струйную трубку от нейтрального положения, что приводит к возникновению перепада давлений в полостях гидродвигателя. При этом шток гидроцилиндра перемещается под действием перепада давлений до тех пор, пока сигнал задатчика не будет скомпенсирован сигналом цепи обратной связи по положению, и струйная трубка 3 не вернется в нейтральное положение. Таким образом, основополагающим принципом ЭГСП является баланс давлений в полостях гидродвигателя.
Вопросам проектирования высоконапорных струйных гидроусилителей посвящены работы отечественных ученых: В.Н.Бадаха, А.И.Баженова, В.П.Бочарова, А.Ю.Домогарова, С.А.Ермакова, В.И.Карева, Э.И.Крамского, И.В.Лебедева, Д.Н.Попова, В.Б.Струтинского, В.М.Фомичева и др., а также накопленные Государственным ракетным центром 40 - летний опыт разработки и эксплуатации. Анализ этих работ показывает, что имеющиеся методы расчета при проектировании СГРМ нуждаются в дальнейшем развитии и уточнении.
На основе подробного анализа развития струйных гидравлических рулевых машин был сформирован круг проблем, подлежащих исследованию.
Во второй главе рассмотрены математические модели рулевых машин с учетом: нежесткости связи с нагрузкой, сухого трения, переменного модуля сжимаемости жидкости и стохастического разброса параметров гидроприводов (рис. 2), а также переменной внешней нагрузки. Ниже представлена базовая математическая модель рулевой машины.
ЭМП предназначен для преобразования электрического сигнала управления в механическое перемещение ведомого звена, к которому присоединяются управляющие элементы гидрораспределителя (струйная трубка).
Уравнение электрической цепи ЭМП где: угол поворота якоря ЭМП, рад ; y- перемещение штока гидроцилиндра, м; Uнапряжение на обмотке ЭМП, В; Ku- коэффициент усиления; Ue- сигнал рассогласования, В; Koc-коэффициент обратной связи; Kne-коэффициент противоЭДС; R- сопротивление обмотки управления, Ом; L- индуктивность обмотки управления, Гн.
Уравнение моментов действующих на якорь ЭМП где: J-момент инерции якоря ЭМП, Н м с 2 ; Kmi – коэффициент характеризующий моментную характеристику, Н м А ; Kma– коэффициент характеризующий жесткость пружины, Н м рад; b - коэффициент вязкого трения, Н м с рад; Cn- жесткость внешней пружины, Н м рад ; Mgd – момент гидродинамического воздействия обратных струй на струйную трубку, Н м.
Вследствие малости угла поворота струйной трубки, выражаем поворот среза сопла его перемещением.
Условием баланса расхода в гидроусилителе является равенство расходов на выходе из струйного гидрораспределителя и расхода в гидродвигателе.
где: А- эффективная площадь гидродвигателя, м2; W0 –вредный объем, м3; Q - m коэффициент восстановления расхода; pm - коэффициент восстановления давления;
z -безразмерное значение перемещения; P - безразмерное значение давления; Cgd жесткость стенок гидроцилиндра, Н м ; Q – расход жидкости через струйную трубку, м3/с; E- модуль упругости жидкости. Учитывается изменение модуля объемной упругости в зависимости от давления, а также от величины растворенного в рабочей жидкости воздуха.
Уравнение движения нагрузки где: M- приведенные к оси штока массы нагрузки, жидкости и др., кг; R- усилие на штоке гидроцилиндра, Н; b- сила вязкого трения; Cn- величина позиционной нагрузки, Н м ; Ftr- сила сухого трения, Н.
На основании приведенной модели произведены расчеты статических и динамических характеристик рулевой машины. Выполнен расчет основных статических характеристик (рис. 4-7), построены временные динамические характеристики с учетом сухого трения, изменения модуля объемной упругости и переменных условий эксплуатации.
Безразмерная регулировочная Безразмерная регулировочная характеристика СГРМ по давлению характеристика СГРМ по расходу Обобщенная статическая характери- КПД СГРМ при различных 1-z=0.2; 2-z=0.4; 3-z=0.6; 4-z=0.7;
5-z=-0.2; 6-z=-0.4; 7-z=-0. Суммарный момент гидродинамического воздействия модель для расчета динамических характеристик СГРМ в размерном и безразмерном виде. Представлена математическая модель с учетом гидродинамического воздействия обратных струй на сложный характер и зависит от комплекса внутренних и внешних параметров привода, максимальный гидродинамический момент рассчитывается по эмпирической формуле (6), полученной на струй на перемещение струйной трубки 1-без учета ГДВ, 2- с учетом ГДВ Гидродинамическое влияние обратных 1-без учета ГДВ, 2- с учетом ГДВ Учет гидродинамического воздейстРисунок 10 вия позволяет точнее моделировать быстродействующий привод, производить подбор конструктивных параметров, исключающих возникновение автоколебаний. Результаты численного моделирования с учетом гидродинамического воздействия адекватны данным, полученным при полетных испытаниях рулевых машин.
Третья глава посвящена гидромеханическим устройствам коррекции. Одним из способов улучшения устойчивости, быстродействия и качества переходных процессов является введение в конструкцию рулевой машины устройств коррекции. В частности, для улучшения динамических свойств ЭГСП с большой инерционной или позиционной нагрузкой, необходимо уменьшить постоянную времени и увеличить коэффициент относительного демпфирования гидропривода со струйно-дроссельным регулированием, что конструктивными методами выполнить не всегда возможно. Наиболее эффективно это достигается с помощью корректирующих устройств (КУ), которые вводятся в следящий гидропривод в виде электромеханических, электрогидравлических и гидромеханических обратных связей. Используя коррекцию, можно повысить устойчивость привода, увеличить его быстродействие, расширить полосу пропускания и устранить резонансные пики на опасных для объекта частотах. Поэтому вопросы коррекции гидравлических следящих приводов имеют большое практическое значение.
В главе рассмотрены: принцип действия, устройство и математические модели рулевых машин с гидромеханическими устройствами коррекции. Приводится метоСГРМ с комбинированным устрой- дика расчета основных параметров КУ, даны ны методики расчета конструктивных параметров гидромеханических устройств коррекции для обеспечения требуемого качества 1 - задатчик, 2 - ЭМП, 3 - гидроусилитель, 6-гидроцилиндр, 4, 5 полости гидроцилиндра, 7 - шток где: Mpd- момент коррекции, Н м.
гидроцилиндра, 8 - гидроконденса- Величина корректирующего воздействия тор, 9 - золотник коррекции, 10- определяется по формулам:
где: lz- длина плеча от оси поворота струйной трубки до заслонки, м; - плотность рабочей жидкости, кг/м3; Ac – площадь сечения сопла, м2; z -коэффициент расхода через золотник; X (t) – перемещение золотника коррекции, м; bz – ширина дросселирующей щели золотника, м.
Уравнение баланса сил на гидроконденсаторе и золотнике коррекции где: Fk – площадь поршня гидроконденсатора, м2; Fdg – площадь торцевых поверхностей корректирующего золотника, м2; Fddg – площадь дополнительных торцевых поверхностей корректирующего золотника, м2; Ck – жесткость пружины гидроконденсатора, Н/м; Cdg – жесткость пружины корректирующего золотника, Н/м; K(t) - перемещение поршня гидроконденсатора, м; X(t) - величина перемещения корректирующего золотника, м.
Уравнение баланса давлений на гидроконденсаторе где: fdr – площадь проходного сечения дросселя.
Для возможности комплексного исследования СГРМ и устройств коррекции подробно рассмотрены математические модели устройств передачи корректирующего воздействия, такие как сопло-заслонка и пружинный рычаг.
На рисунке 12, 13, 14 изображены полученные при численном моделировании переходные процессы, характеризующие СГРМ с устройством коррекции по перепаду и производной от перепада давления в полостях гидродвигателя.
Влияние коррекции на Влияние нагрузки R на Перемещение золотника перемещение нагрузки переходный процесс коррекции от нагрузки 1-с коррекцией;
2-без коррекции.