Автономный электрогидравлический привод с комбинированным управлением скорости выходного звена

Привод предназначен для управления скоростью выходного звена электрогидравлического исполнительного механизма в системах управления летательных аппаратов. Привод содержит электронные блоки управляющего микропроцессора и усилителя-инвертора, бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, нерегулируемый насос, гидроцилиндр, гидрокомпенсатор, клапаны подпитки, предохранительные клапаны, фильтр, датчик положения штока гидроцилиндра, при этом он снабжен электрогидравлическим клапаном реверса с линейным электродвигателем, датчиком положения золотника клапана реверса и датчиками перепада давления на входе и выходе клапана реверса, при этом насос выполнен нереверсивным, а гидрокомпенсатор выполнен взводимым и включает пружинный блок, плунжер взвода, фиксатор плунжера взвода, резьбовую втулку регулирования хода плунжера взвода и электромагнит снятия взвода компенсатора, при этом регулирование скорости выходного звена при малых сигналах рассогласования следящего привода выполнено с обеспечением дроссельного регулирования, а при средних и больших сигналах рассогласования - объемного регулирования. Технический результат - повышение надежности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к следящим электрогидравлическим системам управления и может быть использовано в качестве автономного исполнительного электрогидравлического механизма в системах управления летательных аппаратов.

Известны автономные электрогидравлические приводы электрогидростатического типа, например привод ЕНА фирм Lucas Aerospace, Liebherr-Aerospace Lindenberg, схема которого показана на Фиг.1 (Источник информации: Состояние и результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию перспективных электрогидростатических приводов для систем управления полетом самолетов Airbus // Обзор по материалам иностранной печати, Выпуск 1 / Под общей редакцией Е.А. Малышева. - М., НИИСУ, 2003. Первоисточник: Moorhouse Derek, Maxwell Carl, Bildstein Marcus, Electro hydrostatic actuator for primary flight controls of very large aircraft, Recent Advances in Aerospace Activation Systems and Components, June 13-15, 2001, Toulouse, France).

Привод включает блок электроники электродвигателя и клапана кольцевания 1, бесколлекторный двигатель постоянного тока 2, реверсивный нерегулируемый насос 3, гидроцилиндр 8, и вспомогательные элементы: газогидравлический гидрокомпенсатор 10, антикавитационные клапаны насоса 4, предохранительные клапаны 5, электрогидравлический клапан кольцевания 6, антикавитационные клапаны цилиндра 7, фильтр 12 с его предохранительным клапаном 13, клапан безопасности 14. Привод замкнут позиционной обратной связью 15.

Скорость перемещения штока гидроцилиндра 8 регулируется подачей насоса 3, которая в свою очередь управляется скоростью вращения вала электродвигателя 2, задаваемой электронным блоком 1. В замкнутой гидросистеме привода необходимо поддерживать некоторый минимальный уровень давления (обычно порядка 0,3...0,8 МПа) для обеспечения надежного заполнения цилиндров насоса без кавитационных процессов в нем и силовом гидроцилиндре. Этот уровень давления обеспечивается работой гидрокомпенсатора 10 при всех допустимых температурах рабочей жидкости.

При нарастании управляющего сигнала на электродвигателе электрогидростатического привода от нулевого уровня часть сигнала идет на преодоление момента сухого трения в насосе и подшипниках электродвигателя, после начала вращения вала электромотора требуется некоторая скорость его вращения, при которой насос своей подачей компенсирует расход утечки жидкости через свои зазоры при давлении подачи, необходимом для преодоления сухого трения в гидроцилиндре и нагрузке привода. Таким образом, чтобы сдвинуть объект регулирования, на вход электрогидростатического привода надо подать некоторый минимальный управляющий сигнал. Значительная величина этого сигнала ухудшает работу такого привода при малых управляющих сигналах и ограничивает функциональные возможности электрогидростатического привода, что является его недостатком.

Насос электрогидростатического привода должен работать при переменной скорости вращения приводного вала от нулевой до скорости в (10...20) тысяч оборотов в минуту, обеспечивая пропорциональность между вытесняемым расходом жидкости и скоростью вращения вала, обладать малым трением подвижных частей и обеспечивать небольшой расход утечки жидкости через зазоры, выдерживать высокие давления нагнетания и иметь большой ресурс работы. Обеспечение комплекса этих противоречивых требований представляет собой трудную техническую задачу, для решения которой требуются высококачественные материалы, специальные технологии и высокоточная обработка деталей. Необходимость обеспечения реверсивной работы насоса в рассматриваемом приводе сужает поле его возможных конструктивных решений, дополнительно усложняет задачу и увеличивает стоимость насоса.

Привод-прототип находится под избыточным давлением не только во время работы, но весь срок его службы. Это обстоятельство является дополнительным недостатком привода, т.к. усложняет задачу обеспечения герметичности его наружных уплотнений и, по этой причине, ограничивает выбираемую величину давления в сливной полости привода. В рассматриваемом приводе-прототипе используется газогидравлический компенсатор, однако последний указанный недостаток присущ автономным приводам и с известным гидрокомпенсатором пружинного типа, в котором давление жидкости создается не сжатым газом, а подпружиненным поршнем.

Технической задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом автономном электрогидравлическом приводе с комбинированным управлением скорости выходного звена, содержащем электронные блоки управляющего микропроцессора и усилителя-инвертора, бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, нерегулируемый насос, гидроцилиндр, гидрокомпенсатор, клапаны подпитки, предохранительные клапаны, фильтр, датчик положения штока гидроцилиндра,

согласно изобретению использован электрогидравлический клапан реверса с большой площадью рабочих окон, управляемый линейным электродвигателем, датчик положения золотника клапана реверса и датчики перепада давления на его входе и выходе, а насос выполнен нереверсивным. При этом микропроцессор привода управляет работой насоса (регулируя скорость приводного электродвигателя) и клапана реверса так, что обеспечивает различные режимы регулирования скорости выходного звена привода в зависимости от величины сигнала рассогласования следящего привода: при больших и средних сигналах рассогласования реализуется преимущественно объемный принцип регулирования скорости штока гидроцилиндра с его высокими энергетическими показателями, при малых сигналах рассогласования обеспечивается дроссельный принцип регулирования скорости, для которого характерны максимальная чувствительность и минимальные ошибки воспроизведения заданного движения,

согласно изобретению применен взводимый гидрокомпенсатор, имеющий пружинный блок с ограничением максимальной длины предварительно сжатой пружины, плунжер взвода, под торец которого подведено давление подачи насоса, фиксатор плунжера взвода, втулку регулирования хода плунжера взвода и электромагнит снятия взвода компенсатора. Взводимый гидрокомпенсатор развивает требуемую величину давления в сливной полости привода только после кратковременной подачи давления под торец плунжера взвода, при этом для взвода компенсатора использован пусковой алгоритм управляющего микропроцессора привода, по которому при включении привода золотник клапана реверса на некоторое время устанавливается в нейтральное положение для фиксации выходного штока привода и исключения силового воздействия привода на объект регулирования, подачей сигнала на электродвигатель приводится во вращение насос и развивается давление подачи, которое смещает плунжер взвода гидрокомпенсатора до его фиксации, после взвода компенсатора пусковой сигнал с электродвигателя снимается и после небольшой выдержки для снижения давления подачи насоса начинается нормальная работа следящего привода,

согласно изобретению может быть использован ограничитель расхода для улучшения характеристик привода при внешней помогающей нагрузке привода.

Согласно изобретению предлагаемый привод отличается от прототипа:

- Использованием нереверсивного насоса и пропорционального клапана реверса с большой площадью рабочих окон, управляемого электрическим сигналом.

- Применением алгоритма управления подачей насоса и открытием окон клапана реверса, обеспечивающего различные режимы регулирования скорости выходного звена привода в зависимости от величины сигнала рассогласования следящего привода: при больших и средних сигналах рассогласования реализуется преимущественно объемный принцип регулирования скорости штока гидроцилиндра, при малых сигналах рассогласования используется дроссельный принцип регулирования скорости.

- Применением конструкции пружинного гидрокомпенсатора, обеспечивающей приведение его в рабочее состояние (взвод) при кратковременном повышении давления под торцом плунжера взвода и возвращение в выключенное ненапряженное состояние (снятие взвода) путем включения электромагнита.

- Применением пускового алгоритма управляющего микроконтроллера привода, по которому при включении привода обеспечивается приведение гидрокомпенсатора в рабочее состояние (взвод) путем кратковременного подъема давления подачи насоса при зафиксированном клапаном реверса выходном звене привода, а также снятие взвода гидрокомпенсатора при выключении привода.

Указанные отличия позволяют:

- Использовать в приводе более простые и дешевые нереверсивные нерегулируемые насосы, например поршневой насос с клапанным распределением.

- Обеспечить комбинированное управление скоростью выходного звена привода, при котором большие и средние сигналы рассогласования следящего привода отрабатываются с малыми потерями мощности, близкими к минимальным потерям при объемном принципе регулирования. Малые сигналы рассогласования, при которых потребляемая приводом мощность мала и энергетические показатели не столь важны, переводят привод в режим дроссельного регулирования, для которого характерны максимальная чувствительность и минимальные ошибки воспроизведения заданного движения.

- Поддерживать в замкнутой гидросистеме привода некоторый минимальный уровень давления, необходимый для устранения кавитационных процессов в насосе и силовом гидроцилиндре, только во время работы привода. При выключении привода избыточное давление в нем снимается, что упрощает задачу обеспечения герметичности наружных уплотнений привода при его хранении и увеличивает его надежность.

- Щадящий режим работы уплотнений привода при его хранении позволяет повысить уровень минимального давления в работающем приводе для повышения его динамической жесткости.

Указанные отличия являются принципиальными и создают новизну предлагаемого решения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где:

на Фиг.1 показана схема прототипа электрогидравлического привода,

на Фиг.2 показана принципиальная схема заявляемого автономного электрогидравлического привода с комбинированным управлением скорости выходного звена.

Автономный электрогидравлический привод с комбинированным управлением скорости выходного звена (привод) содержит: электронные блоки управляющего микропроцессора и усилителя-инвертора, обеспечивающего работу бесколлекторного электродвигателя постоянного тока 9, нереверсивный нерегулируемый насос 8, золотниковый клапан реверса 17, управляемый линейным электродвигателем 18, гидроцилиндр 20 и вспомогательные элементы: гидрокомпенсатор 10, клапаны подпитки 19, предохранительные клапаны сливной полости 6 и полости нагнетания 7, ограничитель расхода, фильтр 4 с его предохранительным клапаном 5, электрический датчик положения золотника клапана реверса 3, электрические датчики перепада давления 2 на входе и выходе клапана реверса. Привод замкнут позиционной обратной связью с помощью датчика положения штока гидроцилиндра 1.

Клапан реверса 17 управляется микропроцессором с помощью линейного электродвигателя 18 таким образом, что смещение золотника клапана пропорционально сигналу рассогласования позиционного контура следящего привода. Пропорциональный режим обеспечивается работой контура управления клапаном, замкнутого отрицательной позиционной обратной связью с помощью датчика 3 положения золотника клапана. Рабочие окна клапана реверса имеют большую площадь, обеспечивающую малый (порядка нескольких атмосфер) перепад давления на полностью открытых окнах даже при максимальной подаче насоса.

При больших и средних сигналах рассогласования следящего привода управляющий микропроцессор задает скорость вращения электродвигателя пропорционально абсолютной величине сигнала рассогласования. В результате при значительных открытиях окон клапана абсолютная величина скорости перемещения штока гидроцилиндра 20 регулируется преимущественно подачей насоса 8, которая в свою очередь управляется скоростью вращения вала электродвигателя 9, т.е. работа привода с комбинированным управлением похожа на работу электрогидростатического привода с той лишь разницей, что электродвигатель и насос работают в нереверсивном режиме, а изменение направления движения штока гидроцилиндра осуществляется переключением клапана реверса 17.

При малых сигналах рассогласования следящего привода управляющий микропроцессор, используя информацию датчика 2 о перепаде давления на входных каналах клапана реверса, регулирует скорость вращения электродвигателя и, соответственно, подачу насоса таким образом, что поддерживает давление питания клапана реверса на некотором минимальном уровне. При этом скорость выходного звена привода регулируется золотниковым клапаном при его малых открытиях подобно тому, как это происходит в дроссельном приводе. Сигнал датчика 2 перепада давления на выходных каналах клапана реверса используется для корректировки работы микропроцессора с целью улучшения характеристик привода при его нагружении.

Взводимый пружинный гидрокомпенсатор 10 имеет пружинный блок 16 с ограничением максимальной длины предварительно сжатой пружины, плунжер взвода 14, под торец которого подведено давление подачи насоса, фиксатор 12 плунжера взвода, резьбовую втулку 13 регулирования хода плунжера взвода и электромагнит 11 снятия взвода компенсатора. Рабочая жидкость заполняет камеру компенсатора снаружи сильфонной оболочки с жестким дном. При выключенном приводе пружинный блок 16 имеет возможность сместиться на своем основании вправо и не давит на жесткое дно сильфона компенсатора, при этом избыточное давление жидкости в компенсаторе практически отсутствует и определяется только небольшим воздействием упругого сильфона. После включения привода и подачи достаточно большого давления под торец плунжера взвода 14 он смещается влево до упора втулки 13 в корпус компенсатора и надвигает пружинный блок на жесткое дно сильфона. При упоре втулки 13 в корпус компенсатора фиксатор 12 защелкивается на кольцевой выступ втулки 13 и фиксирует плунжер взвода и пружинный блок 16 в этом рабочем положении. Теперь взведенное состояние гидрокомпенсатора будет сохраняться вне зависимости от величины давления под торцом плунжера взвода 14. При рабочем положении пружинного блока две его обоймы сближаются и предварительно сжатая пружина, упираясь в жесткое дно сильфона компенсатора, развивает давление в нем. При выключении привода управляющий микроконтроллер кратковременно включает обмотку электромагнита снятия взвода компенсатора 11, который поворачивает фиксатор 12 и освобождает плунжер взвода. Пружинный блок смещается на своем основании вправо и перестает развивать давление в гидрокомпенсаторе. Предварительное поджатие пружины в рабочем положении может регулироваться втулкой 13 и закрепляться контргайкой 15.

Применение взводимого гидрокомпенсатора не оказывает влияния на основной принцип работы привода с комбинированным регулированием скорости выходного звена, однако существенно улучшает качество привода: избыточное давление в выключенном приводе практически отсутствует, что упрощает обслуживание, исключает возможность утечки жидкости во время хранения привода и повышает надежность привода. В работающем приводе плунжер гидрокомпенсатора может развивать давление в сливной магистрали до величины, оптимальной для повышения динамической жесткости привода.

Предохранительный клапан сливной полости 6 препятствует возможному повышению давления в гидрокомпенсаторе при внешней помогающей силе на штоке гидроцилидра. Предохранительный клапан полости нагнетания 7, открываясь при чрезмерном нагружении привода, ограничивают величину максимального давления в ней. Предохранительный клапан фильтра 5 обеспечивает работу привода и целостность фильтра при его засорении. Клапаны подпитки 19 препятствуют падению давления в полостях гидроцилиндра ниже минимального уровня при наличии помогающей силы на штоке. Ограничитель расхода не является обязательным элементом привода, он может быть любого известного типа, например на основе дроссельных регуляторов, и служит для улучшения его работы при наличии внешней помогающей силы на штоке гидроцилидра.

1. Автономный электрогидравлический привод с комбинированным управлением скорости выходного звена, содержащий электронные блоки управляющего микропроцессора и усилителя-инвертора, бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, нерегулируемый насос, гидроцилиндр, гидрокомпенсатор, клапаны подпитки, предохранительные клапаны, фильтр, датчик положения штока гидроцилиндра, отличающийся тем, что он снабжен электрогидравлическим клапаном реверса с линейным электродвигателем, датчиком положения золотника клапана реверса и датчиками перепада давления на входе и выходе клапана реверса, при этом насос выполнен нереверсивным, а гидрокомпенсатор выполнен взводимым и включает пружинный блок с ограничением максимальной длины предварительно сжатой пружины, плунжер взвода, под торец которого подведено давление подачи насоса, фиксатор плунжера взвода, резьбовую втулку регулирования хода плунжера взвода и электромагнит снятия взвода компенсатора, при этом регулирование скорости выходного звена при малых сигналах рассогласования следящего привода выполнено с обеспечением дроссельного регулирования, а при средних и больших сигналах рассогласования - объемного регулирования.

2. Привод по п.1, отличающийся тем, что он снабжен ограничителем расхода.