Электрогидравлический следящий привод

 

Использование: в качестве рулевой машины в системах управляемых летательных аппаратов, а также в системах управления любых других машин и механизмов. Сущность изобретения: электрогидравлический следящий привод содержит размещенный в корпусе насос с нагнетающей и отводящей магистралями, регулирующий элемент которого связан с сервопоршнем, имеющим командную полость, гидродвигатель, соединенный обратной связью с распределителем, выполненный в виде золотника с командным пояском и втулки с центральными окнами и двумя рядами отверстий, одни из которых связаны с поршневыми полостями гидродвигателями, а другие - с отводящей магистралью. На наружной поверхности втулки расположена перегородка таким образом, что центральные окна через окно разделены ею. Перегородка образует с корпусом две полости, одна из которых подключена к нагнетающей магистрали, а другая - к командной полости сервопоршня. 3 ил.

Изобретение относится к электрогидравлическим следящим объемно-дроссельным приводам и может быть использовано в качестве рулевой машины в системах управляемых летательных аппаратов, а также в системах управления любых других машин и механизмов, где требуется высокое быстродействие, точность отработки управляющих команд, большие усилия на исполнительном звене, высокая надежность, компактность, ограниченное потребление энергии от источника питания, высокий КПД, малый вес и габариты, отсутствие регламентных работ при эксплуатации, автономность.

В настоящее время известно несколько типов электрогидравлических следящих объемных приводов, выполненные по схемам, приведенным в книге Гамынина Н.С. и др. Гидравлический следящий привод, М. Машиностроение, 1968, в патентах США N 3095906, Великобритании N 1152228.

Известны также электрогидpавлические приводы, разработанные по авт.свид. СССР NN 517879, 86340, 87039, 505262.

Однако известные типы электрогидравлических следящих приводов имеют ряд существенных недостатков, тормозящих их дальнейшее усовершенствование и делающих их непригодными для управления вновь разрабатываемыми объектами, например, летательными аппаратами, со значительно возросшими требованиями по ряду параметров.

К недостаткам вышеперечисленных приводов в разной степени можно отнести: наличие вспомогательного насоса; недостаточно высокую частоту пропускания управляющего сигнала; низкий КПД; конструктивную и технологическую сложность изготовления; большой вес и габариты; большую зону нечувствительности; склонность к самозагрязнению; наличие большого количества конструктивных элементов, сложность кинематических связей; дороговизну изготовления; нелинейность скоростной характеристики, повышенный самонагрев рабочей жидкости.

Известен автономный электрогидравлический следящий привод с объемным управлением по авт. свид. СССР N 505262. Детальная конструктивно-технологическая проработка этого привода показала ряд существенных недостатков, которые практически не были преодолены. Остались конструктивная и технологическая сложность кинематических связей между элементами блока, пружинный выбор люфтов в золотниковых парах увеличения не позволяет с достаточной точностью обеспечивать их нулевое положение при отсутствии команд от системы управления. Отсутствие усилителя в первом каскаде делает схему практически неработоспособной при изменяющихся по знаку командах низкой частоты. Запитка компенсационно-поддавливающего устройства от полостей насоса и полости управления не может обеспечить стабильного давления в сливной полости блока. Необходимость сложной индивидуальной регулировки элементов схемы делает практически невозможным организацию крупносерийного производства изделий.

В качестве ближайшего прототипа предлагаемого изобретения принят электрогидравлический следящий привод с объемным управлением.

Прототип содержит: насос регулируемой производительности с реверсируемой подачей, два клапана предохранительных, два клапана подпитки, гидродвигатель, ограничитель мощности, компенсационно-поддавливающее устройство, гидроусилитель, насос постоянной производительности, клапан перепуска.

Данному прототипу присущи недостатки: жесткая обратная связь усилителя с люлькой насоса и наличие следящей втулки во втором каскаде усилителя не позволяют приводу отрабатывать высокочастотные управляющие команды; наличие вспомогательного насоса повышает потребление энергии на режиме отсутствия управляющих сигналов и снижает общий КПД привода; конструктивная и технологическая сложность; большой вес и габариты; высокая зона нечувствительности.

Целью изобретения является устранение вышеотмеченных недостатков: расширение полосы пропускания меняющихся по знаку с высокой частотой (например, до 80 Гц) управляющих команд; уменьшение веса источника энергопитания привода; снижение потребляемой мощности от ограниченного запаса источник питания на всех режимах работы; уменьшение зоны нечувствительности;
уменьшение веса и габаритов;
повышение надежности;
повышение КПД;
уменьшение стоимости изготовления и эксплуатации.

Кроме того, повышается линейность скоростной характеристики; упрощается конструкция и повышается технологичность производства.

Это достигается тем, что введен автономный электрогидравлический преобразователь-распределитель с двухкаскадным усилением, запитанный постоянным настроенным давлением от введенного в схему редукционного клапана, принимающий слабые электрические команды управления обоих полярностей от системы управления и преобразующий их в линейные возвратно-поступательные перемещения безынерционной втулки первого каскада усиления и следящего золотника второго каскада усиления.

Второй каскад усиления, включающий следящий золотник и запрессованную втулку в корпус, осуществляет дозированный проток рабочей жидкости, пропорциональный величине управляющей команды, к регулятору производительности насоса, выполняет реверс потока рабочей жидкости от насоса к соответствующей полости гидродвигателя в зависимости от знака управляющей команды и дозировку потока в зависимости от величины этой команды.

Автономный электрогидравлический преобразователь-распределитель двухкаскадным усилением выполнен автономно регулируемым узлом в едином компактном корпусе, на котором закреплен электромагнит, шарнирно связанный с подвижной безынерционной втулкой, скользящей по четырехкромочному трехступенчатому золотнику с переменным и постоянным жиклерами.

Золотник размещается в двухступенчатой втулке, запрессованной в корпус, в которой выполнено 6 рядов окон. Через эти окна осуществляется подвод и отвод рабочей жидкости соответственно к нагнетающей и всасывающей полостям насоса, к двум полостям гидродвигателя, к редукционному клапану, к регулятору производительности насоса.

В одном из шести рядов расположены четыре профильных окна, при этом диаметрально противоположные окна попарно объединены фигурными каналами на поверхности втулки и каналами в корпусе и выведены к двум уплотнительным разъемам, подсоединяемым соответственно к полости нагнетания насоса и к регулятору производительности насоса поступает рабочая жидкость под перепадом, пропорциональным управляющей команде, а от насоса к гидродвигателю поступает расход рабочей жидкости, пропорциональный управляющей команде. Объединение диаметрально противоположных окон разгружает золотник от боковых сил, что повышает чувствительность преобразователя-распределителя. Каждый ряд окон втулки имеет на корпусе преобразователя-распределителя по одному уплотняемому выводу для подсоединения к соответствующим элементам рулевого привода.

Кроме того, автономный электрогидравлический преобразователь-распределитель связан соответствующими каналами со сливной полостью привода, с компенсационно-поддавливающим устройством, с клапаном подпитки.

Редукционный клапан поддерживает постоянное давление в управляющей магистрали преобразователя-распределителя и в полости компенсационно-поддавливающего устройства и соединен каналами с нагнетающей полостью насоса, сливной полостью, предохранительным клапаном, сервомеханизмом насоса.

Изобретение представляет собой автономный блок, единоразово заправленный рабочей жидкостью, имеющий крепежные устройства для подсоединения к управляющему объекту и его рулевому органу и электрические разъемы для подсоединения к электронной системе управления объекта и источнику электропитания пpивода.

Привод не имеет гидравлических связей с системами объекта, не требует регламентных работ в течение всего срока технической гарантии.

Все элементы изобретения расположены в металлическом корпусе и объединены соответствующими гидравлическими, электрическими и механическими связями.

На прилагаемом чертеже на фиг.1 показана электрогидравлическая схема предлагаемого привода; на фиг.2 разводка гидравлических каналов во втулке преобразователя-распределителя в зоне среднего пояска золотник второго каскада усиления; на фиг. 3 развертка втулки по наружной поверхности в той же зоне.

Привод состоит из электродвигателя 1, насоса 2 регулируемой производительности, редукционного клапана 3, преобразователя-распределителя 4 с двухкаскадным усилением, гидродвигателя 5, компенсационно-поддавливающего устройства 6, предохранительного клапана 7, клапана подпитки 8.

В нерабочем состоянии люлька 9, шарнирно связанная с регулятором 10, поджата пружиной 11 к толкателю 12 на угол максимальной производительности насоса 2.

Насос 2 гидравлически связан каналами а, б и в с преобразователем 4, каналом г с клапаном подпитки 8, каналом д с предохранительным клапаном 7, каналом е с редукционным клапаном 3, каналом ж с регулятором 10.

Редукционный клапан 3 представляет собой подпружиненный золотник. Он гидравлически связан каналом и со сливной полостью привода, каналом е с насосом 2, каналом к с преобразователем-распределителем 4, каналом л с компенсационно-поддавливающим устройством 6. Редукционный клапан 3 предназначен для поддержания постоянного давления в каналах к и л.

В нерабочем состоянии золотник клапана поджат пружиной к верхнему упору, канал е сообщен с каналами к и л.

Автономный электрогидравлический преобразователь-распределитель 4 с двухкаскадным усилением принимает слабые электрические команды от электронной системы управления 13 объекта, преобразует их в линейные возвратно-поступательные перемещения безынерционной втулки 16 первого каскада усиления и следящего золотника 4 второго каскада усиления, осуществляющего дозированный проток рабочей жидкости, пропорциональный величине управляющей команды, к регулятору 10 производительности насоса 2, выполняющего реверс потока рабочей жидкости от насоса 2 к соответствующей полости или гидродвигателя 5 в зависимости от знака управляющей команды и дозировку потока в зависимости от знака управляющей команды и дозировку потока в зависимости от величины этой команды.

Преобразователь-распределитель 4 гидравлически связан каналами а, б, в с насосом 2, каналом г с клапаном подпитки 8, каналом д с предохранительным клапаном 7, каналами е и к с редукционным клапаном 3, каналом л с компенсационно-поддавливающим устройством, каналом м с регулятором 10, каналами н и о с гидродвигателем.

Преобразователь-распределитель представляет собой автономный окончательно отрегулированный узел, смонтированный в едином корпусе. На корпусе установлен электромеханический преобразователь 14, поводок 15 которого шарнирно связан с безынерционной втулкой 16, скользящей по трехступенчатому четырехкромочному золотнику преобразователя-распределителя 4 с жиклерами постоянного сечения п и переменного сечения р. Золотник скользит в двухступенчатой втулке 17 с шестью рядами окон, из которых один ряд профильные. Профильные окна с и т строго расположены на одном уровне втулки, диаметрально противоположные окна объединены фигурными выборками у и ф на наружной поверхности втулки и разделены уплотняющим пояском х.

Выборка у сообщена с каналом м, выборка ф с каналом в.

Все каналы преобразователя-распределителя 4 заканчиваются на наружной поверхности его корпуса уплотнительными разъемами для подсоединения к соответствующим разъемам корпуса привода 18.

Гидродвигатель 5 предназначен для перемещения рулевых органов различных механизмов, например, рулей летательных аппаратов, с заданной скоростью и в полном соответствии с управляющими командами по величине и направлению и с усилием в соответствии с действующей внешней нагрузкой.

Гидродвигатель 5 представляет собой поршень, гидравлически связанный каналами е и о с преобразователем-распределителем и имеет обратную электрическую связь с системой управления 13 объекта.

Компенсационно-поддавливающее устройство 6 предназначено для поддержания в сливной полости привода постоянного давления, выше атмосферного, обеспечивающего бескавитационную работу насоса 2, а также для компенсации изменяющегося объема жидкости при колебаниях ее температуры при всех условиях эксплуатации и хранения привода.

Компенсационно-поддавливающее устройство 6 представляет собой двухступенчатый поршень, связанный каналом ц со сливной полостью привода, каналом л с редукционным клапаном 3, каналом к с преобразователем-распределителем 4.

В нерабочем состоянии поршень компенсационно-поддавливающего устройства находится в строго определенном положении, определяемом объемом заправленной жидкости и ее температурой.

Предохранительный клапан 7 предназначен для ограничения предельного давления в магистралях нагнетания.

Клапан 7 представляет собой подпруженный золотник, связанный каналом ш с толкателем 12, каналом д с насосом 3, регулятором 10, каналами щ, э со сливной полостью.

В нерабочем состоянии золотник клапана 7 поджат пружиной в нижнем положении, каналы д, ш, э рассоединены.

Клапан подпитки 8 предназначен для восполнения утечек рабочей жидкости из каналов а и б, а также для запирания этих каналов при попутных нагрузках на поршни гидродвигателя 5, когда давление в них растет выше сливного.

Клапан 8 связан каналом ю со сливом, каналом г с насосом каналами а и б с преобразователем-распределителем 4.

Изобретение работает следующим образом.

При подаче рабочего напряжения на клеммы электродвигателя 1 ротор насоса 2 при отсутствии управляющих команд выходит на обороты холостого хода. С ростом оборотов ротора насоса растет давление рабочей жидкости в каналах в, д, е, ж. Когда давление в канале е достигнет величины, на которую настроена пружина редукционного клапана 3, его золотник перемещается вверх, между каналами к и е кромкой золотника образуется дроссель.

В каналах к и л устанавливается постоянное давление управления, которое поддерживается клапаном 3 независимо от дальнейшего роста давления в канале е и расхода рабочей жидкости через клапан 3.

Давление в канале л, воздействуя на двухступенчатый поршень компенсационно-поддавливающего устройства 6, перемещает его вниз, повышая давление через канал ц в сливной полости привода до расчетного значения за счет подбора рабочих площадей поршня компенсационной-поддавливающего устройства.

По каналу к рабочая жидкость поступает к преобразователю-распределителю 4, через жиклер п поступает во внутреннюю расточку золотника и через нее к жиклеру р и в глухую полость я. Жиклер р устанавливает перепад давлений между каналом к и полостью я. В результате воздействия давление в канале к и полости я на соответствующие эффективные площади золотника преобразователя-распределителя 4 на нем появляется усилие, устанавливающее золотник в нейтральное положение. Этому положению золотника соответствует положение втулки 16, отрегулированное установкой электромеханического преобразователя 14 при отсутствии управляющих команд. При этом жиклер р открыт на такую величину, при котоpой наступает равновесие сил, воздействующих на золотник от указанных выше давлений. При нейтральном положении золотника его кромки рассоединяют канал в с каналами а и б, запирают каналы н и о, поддерживают настроенный перепад давлений между каналами н и о, поддерживают настроенный перепад давлений между каналами в и м. Этот перепад по каналам м и ж поступает к поршню регулятора 10, который сжимает пружину 11 и устанавливает люльку 9 насоса 2 на угол минимально отрегулированной производительности, обеспечивающей работу привода на холостом режиме, т.е. при отсутствии управляющих команд и нагрузок на гидродвигателе.В этом положении привод находится в состоянии готовности к исполнению управляющих команд, поступающих от электронного блока управления объекта.

Потребляемая приводом мощность от источника питания электродвигателя 1 определяется расходом рабочей жидкости через жиклер р, например, до 1 л/мин при перепаде, на который настроен редукционный клапан, например 20 кгс/см2.

При подаче на электромеханический преобразователь 14 управляющей команды положительного знака поводок 15 повернется по часовой стрелке на строго определенный угол, пропорциональный величине команды. (Знак команды и направление угла поворота выбраны условно). Втулка 16 переместится вниз, увеличив проходное сечение жиклера р. Давление в полости я упадет. Нарушится равновесие золотника преобразователя-распределителя 4. Он переместится вниз, точно отслеживая перемещение втулки 16, пока снова не наступит равновесие сил на золотнике. При этом пропорционально величине управляющей команды открываются профильные окна с и т во втулке 17, сообщая каналы в и м, а также канал а сообщается с каналом н, канал в с каналом о.

Между каналами в и м перепад уменьшается пропорционально поданной команде. На эту же величину уменьшается перепад на регуляторе 10. Пружина 11 перемещает поршень вверх, который поворачивает люльку 9 на увеличение производительности насоса 2. Производительность насоса будет увеличиваться до тех пор, пока установится новое равновесное состояние регулятора 10 под действием силы затяжки пружины 11 и перепада давлений между каналами м и е, соответствующее заданному положению золотник преобразователя распределителя 4.Одновременно по каналам в и о рабочая жидкость поступает в верхнюю полость гидродвигателя 5, а по каналам н и а вытесняется из его нижней полости на вход в насос 2.

Поршень гидродвигателя перемещается вниз, перемещая руль управляемого объекта.

Скорость его перемещения определяется величиной наклона люльки 9 насоса 2. Величина давления рабочей жидкости в каналах в, д, е, ж, м, о определяется величиной рабочего усилия на руле управляемого объекта, которое передается на поршень гидродвигателя 5.

При перемещении поршня гидродвигателя вниз по обмотке потенциометра 19 обратной связи скользит закрепленный на поршне ползунок. Изменяется ток в цепи потенциометра обратной связи, который в электронном блоке 13 управления объектом сравнивается с величиной заданной управляющей команды. При их равенстве ток управления, поданный на электромеханический преобразователь 14, снижается до нуля. При этом поводок 15 возвращает втулку 16 в нейтральное положение, сечение жиклера р уменьшается, давление в полости я увеличивается. Под действием гидравлических сил золотник преобразователя-распределителя отслеживает за втулкой 16 вверх и при достижении равенства гидравлических сил на золотнике он устанавливается в первоначальное нейтральное положение.

Канал в отсоединяется от каналов м и о, канал а от канала н. Окна с и т во втулке 17 закрываются.

Между каналами б и м, а равносильно между каналами ж и м увеличивается перепад, пружина 11 поршнем регулятора 10 сжимается, люлька 9 уводится на угол минимальной производительности насоса 2.Так как каналы О и Н гидродвигателя 5 гидравлически заперты золотником преобразователя-распределителя 4, поршень гидродвигателя продолжает удерживаться в выдвинутом на заданную величину положении сколь угодно, пока не последует последующая команда от системы управления на его перемещение.

При самопроизвольном перемещении поршня гидродвигателя ползунок потенциометра 20, скользя по обмотке, изменяет ток в цепи обратной связи от электронного блока 13 поступает команда на электромеханический преобразователь 14, по знаку соответствующая возвращению поршня в заданное ранее положение.

При подаче на электромеханический преобразователь управляющей команды противоположного знака, например, отpицательного, узлы привода работают аналогичным образом.

Гидродвигатель 5 привода может с высокой степенью точности отрабатывать команды управления любых разновидностей, например, синусоидальную, в диапазоне частот от 0 до 80 Гц.

При повышении нагрузок на рулевом органе объекта, к которому подсоединен поршень гидродвигателя 5 выше, расчетной, когда давление в канале д превышает настроенное, клапан 7 сжимает пружину и сообщает канал д с каналом ш. Толкатель 12 перемещает поршень регулятора 10 вниз, люлька 9 устанавливается на угол меньшей производительности насоса 2. Если давление в канале д продолжает расти и дальше, золотник перемещается дальше вверх, сообщая канал д с каналом э, перепуская на слив часть рабочей жидкости, останавливая рост давления и предохраняя насос 2 от поломки.При падении давления в канале г ниже настроенного рабочая жидкость из сливной полости по каналу ю сжимает пружину клапана 8 и поступает по каналу г на вход б в насос.

При попутных нагрузках на поршне гидродвигателя 5, когда давление в каналах а, б, г повышается, клапан 8 отсекает эти каналы от сливной полости.

Автономный электрогидравлический следящий объемно-дроссельный привод по сравнению с известными рулевыми приводами имеет целый ряд существенных преимуществ:
1. При отсутствии управляющих команд и нагрузок на гидродвигателе (режим холостого хода) и при отработке управляющих команд, изменяющихся по знаку с низкой частотой, когда поршень гидродвигателя совершает большие перемещения, привод эффективно работает в режиме высокоэкономичного объемного управления.

При увеличении частоты изменения по знаку управляющих команд, когда поршень гидродвигателя совершает малые возвратно-поступательные перемещения, например, при отработке синусоидальной команды с частотой до 80 Гц, привод автоматически перестраивается на режим высокодинамичного дроссельного управления, значительно расширяя полосу пропускания управляющих команд по сравнению с объемным управлением.

Этот эффект достигнут введением в схему автономного электрогидравлического преобразователя-распределителя с двухкаскадным усилением оригинальной конструкции, который выполняет несколько функций, имеет малые подвижные массы, не имеет жесткой обратной связи с регулятором производительности насоса, автоматически настраивает блок на режим объемного или дроссельного управления в зависимости от поступившей команды.

2. Потребляет меньшую по сравнению с известными приводами мощность от источника энергопитания на всех режимах эксплуатации, что позволяет существенно уменьшить вес источника энергопитания, что весьма важно в условиях применения привода для управления летательными аппаратами.

Устранен источник самозагрязнения и повышенного самонагрева ограниченного объема рабочей жидкости, которой заправлен привод.

Это достигнуто исключением из схемы привода вспомогательного насоса постоянной производительности, введением в схему преобразователя-распределителя, работающего без вспомогательного насоса.

3. Рулевой привод имеет лучшие по сравнению с прототипом динамические характеристики, так как насос перестал быть реверсивным, люлька насоса не проходит через нуль при реверсе потока рабочей жидкости от насоса к полостям гидродвигателя, уменьшилось количество и вес подвижных элементов в преобразователе-распределителе по сравнению с гидроусилителем в прототипе.

4. Имея уменьшенное по сравнению с прототипом число конструктивных элементов, совмещение нескольких функций во введенном в схему преобразователе-распределителе вместо гидроусилителя, что позволило исключить из схемы привода насос постоянной производительности, клапан перепуска, один клапан подпитки, один клапан предохранительный, отсутствие сложных кинематических связей между узлами привода и автономность их технологической настройки, привод получился более простым конструктивно и технологичен в изготовлении, компактен, уменьшен вес и габариты, повышена надежность, уменьшились расходы на изготовление и эксплуатацию привода.

При испытаниях привода подтвердились полностью ожидаемые в процессе проектирования выходные параметры.

Выявлены все преимущества по сравнению с известными рулевыми приводами.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД, содержащий размещенный в корпусе насос с нагнетающей и отводящей магистралями, регулирующий элемент которого связан с сервопоршнем, имеющим командную полость, гидродвигатель, соединенный обратной связью с распределителем, выполненным в виде золотника с командным пояском и втулки с центральными окнами и двумя рядами отверстий, одни из которых связаны с поршневыми полостями гидродвигателя, а другие - с отводящей магистралью, отличающийся тем, что он снабжен перегородкой, расположенной на наружной поверхности втулки, причем центральные окна через одно разделены перегородкой, образующей с корпусом две полости, одна из которых подключена к нагнетающей магистрали, а другая - к командной полости сервопоршня.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3