Рулевая машина
Изобретение относится к области электрогидромеханики и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении и судостроении. Согласно изобретению, рулевая машина содержит трехшестеренный насос, создающий один поток рабочей жидкости, силовой гидроцилиндр и четырехдроссельный золотниковый гидрораспределитель. Последний включает в себя преобразователь, качалку, пружину и золотниковые плунжеры с рабочими поясками, размещенными в полых осях двух ведомых шестерен насоса. Пояски плунжеров вместе с системой прямоугольных отверстий в стенках данных осей образуют комплексы наливных и сливных дроссельных окон. При этом оси снабжены специально выполненными пазами по числу указанных отверстий. В стенках осей в районе их сливных полостей в определенной конфигурации и с определенными суммарными площадями выполнены сквозные круглые радиальные отверстия. Насос имеет два сливных гидравлических канала, которые вместе со сливными полостями насоса выполнены в его нижней планке. Предлагаемая конструкция осей ведомых шестерен и взаимодействующих с ними элементов обеспечивает нарушение сплошности потоков рабочей жидкости в указанных сквозных радиальных отверстиях и изменение направлений векторов ускорений движения частиц рабочей жидкости. В результате длины демпфирования подводящих и отводящих каналов гидрораспределителя выравниваются. Технический результат изобретения состоит в уменьшении нестационарной составляющей гидродинамической силы и повышении тем самым стабильности работы рулевой машины. 1 ил.
Изобретение относится к области электрогидромеханики и может быть использовано в ракетостроении, самолетостроении и судостроении.
Известна рулевая машина (РМ), содержащая электродвигатель, вал которого соединен с ведущей шестерней трехшестеренного насоса, размещенного во внутренней полости, заполненного рабочей жидкостью, корпуса РМ, при этом насос соединен гидравлическими каналами с шариковыми предохранительными клапанами и с рабочими полостями двухдроссельного золотникового гидрораспределителя, включающего электромеханический преобразователь, связанный с установленной на корпусе рулевой машины с помощью плоской нагрузочной пружины качалкой, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, выполненных в виде тонкостенных трубок и размещенных в полых осях ведомых шестерен насоса, являющихся гильзами гидрораспределителя, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия круглой формы, при этом рабочие полости гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра [1, стр. 404-405].
Недостатками указанной РМ являются недостаточная чувствительность, характеризуемая повышенными командными токами трогания, и высокое энергопотребление, обусловленное тем, что насос создает два независимых потока рабочей жидкости.
Наиболее близким аналогом изобретения (прототипом) является РМ, содержащая установленный на корпусе электродвигатель, вал которого соединен с осью ведущей шестерни трехшестеренного насоса, имеющего две ведомые шестерни, одна из которых паразитная, и размещенного во внутренней полости заполненного рабочей жидкостью корпуса, причем насос соединен одним гидравлическим каналом с предохранительным клапаном, а другим каналом - с нагнетательными полостями четырехдроссельного золотникового гидрораспределителя, включающего электромеханический преобразователь, на валике которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых осях ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия круглой формы и сквозные радиальные отверстия прямоугольной формы, при этом пояски золотниковых плунжеров вместе со сквозными радиальными отверстиями прямоугольной формы образуют комплексы наливных дроссельных окон и комплексы сливных дроссельных окон, причем нагнетательные полости гидрораспределителя через сквозные радиальные отверстия круглой формы сообщаются с нагнетательными полостями осей ведомых шестерен насоса, которые через комплексы наливных дроссельных окон сообщены с рабочими полостями гидрораспределителя, при этом рабочие полости гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра и через комплексы сливных дроссельных окон сообщены со сливными полостями осей ведомых шестерен насоса, соединенными сливным гидравлическим каналом с внутренней полостью корпуса, а оси ведомых шестерен насоса снабжены пазами по числу радиальных отверстий прямоугольной формы, выполненными на наружных цилиндрических поверхностях осей в плоскостях, перпендикулярных осям золотниковых плунжеров и проходящих через оси радиальных отверстий прямоугольной формы [2, стр. 1].
Такая РМ характеризуется более низким значением энергопотребления, так как ее насос создает только один поток рабочей жидкости, и более высокой чувствительностью, обусловленной действием на золотниковые плунжеры гидродинамических сил. Однако повышение чувствительности рассматриваемой РМ сопряжено с повышением нестабильности ее работы, так как на ее золотниковые плунжеры помимо стационарной составляющей гидродинамической силы, обусловленной углами истечения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотникового гидрораспределителя, действует значительная нестационарная составляющая Fг.д.н, определяемая как [3, стр. 66-67]:
где 
- плотность рабочей жидкости;
Qo1, Qo2 - расходы рабочей жидкости через комплексы наливных дроссельных окон;
Qo3, Qo4 - расходы рабочей жидкости через комплексы сливных дроссельных окон;
L s - эквивалентная длина демпфирования подводных каналов гидрораспределителя;
Ld - эквивалентная длина демпфирования отводных каналов гидрораспределителя.
Значения параметров Ls и Ld во избежание возникновения неустойчивости в традиционных гидрорапределителях стараются уравнять и максимально уменьшить, так как при симметричной конструкции члены уравнения (1) взаимно уничтожаются [4, стр. 201, 202].
Эквивалентная длина демпфирования подводных каналов L s в конструкции гидрораспределителя РМ - прототипа при невращающихся осях насоса складывается из длины участка канала, связывающего насос с нагнетательной полостью гидрораспределителя, длины нагнетательной полости гидрораспределителя, длины сквозного радиального отверстия круглой формы в оси ведомой шестерни насоса и длины расстояния от оси сквозного радиального отверстия круглой формы до верхнего торца пояска золотникового плунжера в нагнетательной полости оси ведомой шестерни.
Эквивалентная длина демпфирования отводных каналов Ld в конструкции гидрораспределителя РМ - прототипа при невращающихся и при вращающихся осях ведомых шестерен насоса складывается из длины расстояния от нижнего торца пояска золотникового плунжера в сливной полости оси ведомой шестерни насоса до оси гидравлического канала, выполненного в корпусе, и длины участка этого гидравлического канала.
При невращающихся осях ведомых шестерен насоса Ls и Ld равны, однако при вращении осей с высокой угловой скоростью в сквозных радиальных отверстиях круглой формы осей ведомых шестерен насоса происходит нарушение сплошности потоков рабочей жидкости, обусловленное действием на них набегающих стенок этих отверстий, и изменение направлений векторов ускорений движения частиц рабочей жидкости. В результате этого эквивалентная длина демпфирования подводных каналов Ls при вращении осей ведомых шестерен насоса определяется только длиной расстояния от оси сквозного радиального отверстия круглой формы до верхнего торца пояска золотникового плунжера в нагнетательной полости оси, а эквивалентная длина демпфирования отводных каналов Ld остается неизменной. Таким образом соотношение между Ls и Ld нарушается и на золотниковые плунжеры РМ действует нестационарная составляющая гидродинамической силы, приводящая к нестабильности ее работы.
Техническим результатом изобретения является повышение стабильности работы РМ.
Технический результат достигается тем, что в известной РМ, содержащей установленный на корпусе электродвигатель, вал которого соединен с осью ведущей шестерни трехшестеренного насоса, имеющего две ведомые шестерни, одна из которых паразитная, и размещенного во внутренней полости заполненного рабочей жидкостью корпуса, причем насос соединен одним гидравлическим каналом с предохранительным каналом, а другим каналом с нагнетательными полостями четырехдроссельного золотникового гидрораспределителя, включающего электромеханический преобразователь, на валике которого установлена нагруженная плоской пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых осях ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия круглой формы и сквозные радиальные отверстия прямоугольной формы, при этом пояски золотниковых плунжеров вместе со сквозными радиальными отверстиями прямоугольной формы образуют комплексы наливных дроссельных окон и комплексы сливных дроссельных окон, причем нагнетательные полости гидрораспределителя через сквозные радиальные отверстия круглой формы сообщаются с нагнетательными полостями осей ведомых шестерен насоса, которые через комплексы наливных дроссельных окон сообщены с рабочими полостями гидрораспределителя, при этом рабочие полости гидрораспределителя соединены с полостями силового гидроцилиндра и через комплексы сливных дроссельных окон сообщены со сливными полостями осей ведомых шестерен насоса, причем оси ведомых шестерен насоса снабжены пазами по числу радиальных отверстий прямоугольной формы, выполненными на наружных цилиндрических поверхностях осей в плоскостях, перпендикулярных осям золотниковых плунжеров и проходящих через оси радиальных отверстий прямоугольной формы, а сливной гидравлический канал сообщен с внутренней полостью корпуса, при этом, в отличие от прототипа, в стенках осей ведомых шестерен насоса в зонах их сливных полостей выполнены дополнительные сквозные радиальные отверстия круглой формы по числу сквозных радиальных отверстий круглой формы нагнетательных полостей осей ведомых шестерен насоса, отстоящие от сквозных радиальных отверстий прямоугольной формы на те же расстояния, что и сквозные радиальные отверстия круглой формы нагнетательных полостей осей ведомых шестерен насоса, причем суммарная площадь проходных сечений сквозных радиальных отверстий круглой формы нагнетательной полости оси ведомой шестерни насоса и суммарная площадь проходных сечений дополнительных сквозных радиальных отверстий круглой формы сливной полости оси ведомой шестерни насоса равны, при этом сливной гидравлический канал выполнен в нижней планке насоса и в ней же выполнен дополнительный сливной гидравлический канал, также сообщающийся с внутренней полостью корпуса, а дополнительные сквозные радиальные отверстия круглой формы сообщаются со сливными полостями насоса, выполненными в его нижней планке, при этом одна сливная полость насоса соединена со сливным гидравлическим каналом, а другая сливная полость соединена с дополнительным сливным гидравлическим каналом.
Благодаря такой конструкции в дополнительных сквозных радиальных отверстиях круглой формы, располагаемых в зонах сливных полостей осей ведомых шестерен насоса, так же как и в сквозных радиальных отверстиях круглой формы в зонах нагнетательных полостей осей ведомых шестерен насоса происходит нарушение сплошности потоков рабочей жидкости, обусловленное действием на них набегающих стенок этих отверстий и изменение направлений векторов ускорений движения частиц рабочей жидкости, при этом из-за равенства количества отверстий и суммарных площадей их проходных сечений, эффект воздействия набегающих стенок на потоки в этих отверстиях одинаков. В результате этого эквивалентная длина демпфирования отводных каналов золотникового гидрораспределителя при вращении осей ведомых шестерен насоса определяется только длиной расстояний от осей дополнительных сквозных радиальных отверстий круглой формы до нижних торцов поясков золотниковых плунжеров в зонах сливных полостей осей ведомых шестерен насоса. Так как длины демпфирования подводных и отводных каналов золотникового гидрораспределителя РМ в этом случае при вращении осей ведомых шестерен насоса становятся равными, нестационарная составляющая гидродинамической силы, действующей на золотниковые плунжеры, уменьшается, что приводит к повышению стабильности работы РМ.
Совокупность всех указанных существенных признаков позволяет повысить стабильность работы РМ за счет уменьшения нестационарной составляющей гидродинамической силы, действующей на ее золотниковые плунжеры. Так как заявленная совокупность существенных признаков РМ позволяет решить поставленную задачу, то заявленная РМ соответствуют критерию “изобретательский уровень”.
Осуществление заявленного технического решения поясняется с помощью конструктивной схемы, изображенной на чертеже.
РМ содержит электродвигатель 1, вал 2 которого соединен с осью 3 ведущей шестерни 4 трехшестеренного насоса 5, имеющего одну паразитную ведомую шестерню 6, при этом насос размещен во внутренней полости 7 заполненного рабочей жидкостью корпуса 8 РМ и соединен гидравлическим каналом 9 с предохранительным клапаном 10 и гидравлическим каналом 11 с нагнетательными полостями 12 четырехдроссельного золотникового гидрораспределителя. Гидрораспределитель включает электромеханический преобразователь 13, на валике 14 которого установлена нагруженная пружиной 15 качалка 16, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера 17 с поясками 18, размещенные в полых осях 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия круглой формы 21 и сквозные радиальные отверстия 22 прямоугольной формы. Пояски 18 золотниковых плунжеров 17 вместе со сквозными радиальными отверстиями 22 прямоугольной формы образуют комплексы наливных дроссельных окон 23 и комплексы сливных дроссельных окон 24, причем нагнетательные полости 12 гидрораспределителя через сквозные радиальные отверстия круглой формы 21 сообщаются с нагнетательными полостями 25 осей 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5, которые через комплексы наливных дроссельных окон 23 сообщены с рабочими полостями 26 гидрораспределителя, при этом рабочие полости 26 гидрораспределителя соединены с полостями 27 силового гидроцилиндра 28 и через комплексы сливных дроссельных окон 24 сообщены со сливными полостями 29 осей 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5. Оси 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5 снабжены пазами 34, а в стенках осей 19 выполнены дополнительные сквозные радиальные отверстия круглой формы 30, при этом сливные полости 29 осей 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5 через дополнительные сквозные радиальные отверстия круглой формы 30 сообщаются со сливными полостями насоса 31, соединенными сливными гидравлическими каналами 32, выполненными в нижней планке 33 насоса 5, с внутренней полостью 7 корпуса 8 РМ.
РМ работает следующим образом.
При подаче напряжения на электродвигатель 1 его выходной вал 2 приходит во вращение и передает вращение через ось 3 на ведущую шестерню 4 трехшестеренного насоса 5. Вследствие того, что ведомая шестерня 6 является паразитной, насос 5 создает только один поток рабочей жидкости, всасывая ее из полости 7 корпуса 8 РМ, и по гидравлическим каналам 9 и 11 направляет его на предохранительный клапан 10 и в нагнетательные полости 12 гидрораспределителя. Из нагнетательных полостей 12 рабочая жидкость через сквозные радиальные отверстия круглой формы 21 поступает в нагнетательные полости 25 осей 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5 и далее через наливные дроссельные окна 23, образованные поясками 18 и прямоугольными радиальными отверстиями 22, в рабочие полости 26 гидрораспределителя. Из рабочих полостей 26 гидрораспределителя рабочая жидкость поступает в полости 27 гидроцилиндра 28, и через сливные дроссельные окна 24, также образованные поясками 18 и прямоугольными радиальными отверстиями 22, в сливные полости 29 осей 19, откуда через дополнительные круглые радиальные отверстия 30 поступает в сливные полости 31 насоса 5, служащие для сбора рабочей жидкости и выполненные в его нижней планке 33, и по гидравлическим каналам 32 нижней планки 33 во внутреннюю полость 7 корпуса 8 РМ.
При подаче управляющего тока на электромеханический преобразователь 13 его валик 14 за счет действия позиционного момента, создаваемого пружиной 15, поворачивается на определенный угол против часовой стрелки, вместе с ним поворачивается и качалка 16 с закрепленными на ней плунжерами 17. При этом один из плунжеров 17 с пояском 18 движется вниз внутри оси 19 ведомой шестерни 20, а другой плунжер 17 с пояском 18 вверх внутри оси 19 ведомой шестерни 6 трехшестеренного насоса 5, при этом плунжер 17, идущий вниз, увеличивает наливные дроссельные окна 23 и уменьшает сливные дроссельные окна 24 в оси 19 ведомой шестерни 20, а плунжер 17, идущий вверх, уменьшает наливные дроссельные окна 23 и увеличивает сливные дроссельные окна 24 в оси 19 ведомой шестерни 6. В результате в рабочих полостях 26 гидрораспределителя и в полостях 27 силового гидроцилиндра 28 создается перепад давления, вынуждающий поршень и шток силового гидроцилиндра 28 двигаться. При подаче на электромеханический преобразователь 13 управляющего тока обратной полярности его валик 14 за счет действия позиционного момента, создаваемого плоской пружиной 15, поворачивается на определенный угол по часовой стрелке, а вместе с ним поворачивается и качалка 16 с закрепленными на ней плунжерами 17. При этом один из плунжеров 17 с пояском 18 движется вверх внутри оси 19 ведомой шестерни 20, а другой плунжер 17 с пояском 18 вниз внутри оси 19 ведомой шестерни 6 трехшестеренного насоса 5, при этом плунжер 17, идущий вверх, уменьшает наливные дроссельные окна 23 и увеличивает сливные дроссельные окна 24 в оси 19 ведомой шестерни 20, а плунжер 17, идущий вниз, увеличивает наливные дроссельные окна 23 и уменьшает сливные дроссельные окна 24 в оси 19 ведомой шестерни 6. В результате в рабочих полостях 26 гидрораспределителя и в полостях 27 силового гидроцилиндра 28 создается перепад давления, вынуждающий поршень и шток силового гидроцилиндра 28 перемещаться.
При вращении осей 19 насоса 5, выполняющих роль гильз золотниковых плунжеров 17, части потоков, протекающих через дроссельные окна 23 и 24, захватываются стенками осей 19, что приводит к увеличению углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям золотниковых плунжеров 17 и как следствие к уменьшению гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры 17, а следовательно, к увеличению зоны нечувствительности РМ, причем величины этих изменений определяются, в частности, толщиной набегающих стенок осей 19. Однако выполнение пазов 34 в осях 19 насоса 5 уменьшает толщину набегающих стенок и приводит к возникновению “ножевого” эффекта [2, стр.10], в результате которого влияние набегающих стенок ослабляется, что выражается в уменьшении доли потоков, захватываемых стенками осей 19 и как следствие в уменьшении углов наклона суммарных векторов скоростей потоков к осям 19 золотниковых плунжеров 17, а следовательно, приводит к увеличению стационарных составляющих гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры 17 и уменьшению зоны нечувствительности РМ.
Одновременно при вращении осей 19 насоса 5 в сквозных радиальных отверстиях круглой формы 21 и в дополнительных сквозных радиальных отверстиях круглой формы 30 происходит нарушение сплошности потоков рабочей жидкости, обусловленное действием на них набегающих стенок этих отверстий, и изменение направлений векторов ускорения движения частиц рабочей жидкости. В результате этого эквивалентные длины демпфирования подводных каналов гидрораспределителя РМ определяется только длинами расстояний от осей сквозных радиальных отверстий круглой формы 21 до верхних торцов поясков 18 золотниковых плунжеров 17 в зонах нагнетательных полостей 25 осей 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5, а эквивалентная длина демпфирования отводных каналов гидрораспределителя РМ определяется только длиной расстояний от осей дополнительных сквозных радиальных отверстий круглой формы 30 до нижних торцов поясков 18 золотниковых плунжеров 17 в зонах сливных полостей 29 осей 19 ведомых шестерен 20 и 6 насоса 5. Поскольку эти расстояния равны, при функционировании РМ поддерживается равенство эквивалентных длин демпфирования подводных и отводных каналов золотникового гидрораспределителя, за счет чего происходит уменьшение нестационарной составляющей гидродинамической силы, действующей на золотниковые плунжеры 17.
Таким образом в РМ с четырехдроссельным золотниковым гидрораспределителем за счет наличия дополнительных сквозных радиальных отверстий круглой формы в зонах сливных полостей осей ведомых шестерен насоса обеспечивается повышение стабильности работы РМ.
Источники информации
1. В.И.Феодосьев, Г.Б.Синярев. Введение в ракетную технику. М.: Государственное научно-техническое издательство Оборонгиз, 1960.
2. Патент РФ №2131827.
3. Белоногов О.Б., Жарков М.Н., Кудрявцев В.В., Шутенко В.И. Исследование гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры четырехдроссельных рулевых машин//Сб.: Ракетно-космическая техника. Труды. Сер. XII. Вып.3-4. РКК “Энергия”, 1998.
4. Backe W. Systematik der hydraulischen Widerstandsschaltungen in Ventilen und Regelkreisen/ Krausskopf-Verlag GmbH, Mainz, 1974.
Формула изобретения
Рулевая машина, содержащая силовой гидроцилиндр, корпус, установленный на корпусе электродвигатель, вал которого соединен с осью ведущей шестерни трехшестеренного насоса, имеющего две ведомых шестерни, одна из которых паразитная, и размещенного во внутренней полости указанного корпуса, заполненного рабочей жидкостью, причем насос имеет сливные полости и сливной гидравлический канал, сообщенный с внутренней полостью корпуса, соединен одним гидравлическим каналом с предохранительным клапаном, а другим каналом - с нагнетательными полостями четырехдроссельного золотникового гидрораспределителя, включающего в себя электромеханический преобразователь, на валике которого установлена нагруженная пружиной качалка, к концам которой крепятся два золотниковых плунжера, размещенных в полых осях указанных ведомых шестерен насоса, в стенках которых выполнены сквозные радиальные отверстия круглой формы и сквозные радиальные отверстия прямоугольной формы, при этом пояски золотниковых плунжеров вместе со сквозными радиальными отверстиями прямоугольной формы образуют комплексы наливных дроссельных окон и комплексы сливных дроссельных окон, причем указанные нагнетательные полости гидрораспределителя через сквозные радиальные отверстия круглой формы сообщаются с нагнетательными полостями осей ведомых шестерен насоса, которые через комплексы наливных дроссельных окон сообщены с рабочими полостями гидрораспределителя, при этом указанные рабочие полости соединены с полостями силового гидроцилиндра и через комплексы сливных дроссельных окон сообщены со сливными полостями осей ведомых шестерен насоса, причем оси ведомых шестерен насоса снабжены пазами по числу радиальных отверстий прямоугольной формы, выполненными на наружных цилиндрических поверхностях этих осей в плоскостях, перпендикулярных осям золотниковых плунжеров и проходящих через оси радиальных отверстий прямоугольной формы, отличающаяся тем, что в стенках полых осей ведомых шестерен указанного насоса в зонах их сливных полостей выполнены дополнительные сквозные радиальные отверстия круглой формы по числу сквозных радиальных отверстий круглой формы нагнетательных полостей данных осей, отстоящие от сквозных радиальных отверстий прямоугольной формы на те же расстояния, что и указанные сквозные радиальные отверстия круглой формы нагнетательных полостей, причем суммарная площадь проходных сечений сквозных радиальных отверстий круглой формы нагнетательной полости оси ведомой шестерни насоса и суммарная площадь проходных сечений дополнительных сквозных радиальных отверстий круглой формы сливной полости оси ведомой шестерни насоса равны, а указанный сливной гидравлический канал выполнен в нижней планке трехшестеренного насоса, где также выполнен дополнительный сливной гидравлический канал, сообщенный с внутренней полостью корпуса, а указанные дополнительные сквозные радиальные отверстия круглой формы сообщены со сливными полостями насоса, выполненными в его нижней планке, при этом одна сливная полость насоса соединена со сливным гидравлическим каналом, а другая сливная полость соединена с дополнительным сливным гидравлическим каналом.
РИСУНКИ
