5.1. Назначение и типы усилительных устройств

Усилительные устройства предназначены для усиления мощности ПСУ до уровня, достаточного для перемещения регулирующего органа с помощью Ис. У. Усиление мощности ПСУ осуществляется за счет подвода энергии от внешнего источника.

В зависимости от вида используемой энергии УУ подразделяются на:

• Гидравлические;

• Пневматические;

• Электрические;

• Электрогидравлические.

5.2. Принцип действия, особенности конструктивного выполнения, алгоритмы функционирования элементов САУ и САР: усилительных устройств

Гидравлические и пневматические усилительные устройства принципиально не различаются между собой и могут быть разделены на два класса: дроссельные и струйные.

В качестве дроссельных усилителей наиболее распространенными являются усилители типа «сопло-заслонка», золотниковый усилитель и усилитель со скользящей втулкой («втулкой-ползушкой»). Разновидностью усилителя типа «сопло-заслонка» являются маятниковые усилители (одно- и двухплечевые).

Струйные усилители подразделяются на усилитель с подвижным соплом, усилитель с подвижной заслонкой и усилитель с перекрытием («сопло-нож»).

5.2.1. Дроссельные усилители

А. Дроссельный усилитель типа «сопло-заслонка»

Дроссельные усилители типа «сопло-заслонка» бывают непрерывного и дискретного (импульсного) действия. Рассмотрим устройство, принцип действия и эксплуатационные характеристики усилительного устройства (УУ) непрерывного действия.

5.2.1.1. Принцип действия, особенности конструктивного выполнения

Усилительное устройство типа «сопло-заслонка» состоит из неуправляемого дросселя 1 постоянного сечения (рис. 5.1.а.) и управляемого дросселя (сопла) 2 с заслонкой 3. Рабочая жидкость (газ) с давлением питания р_пит. через нерегулируемый дроссель подается в междроссельную камеру, которая соединена с магистралью 4, идущей к исполнительному устройству.

Если сопло (дроссель 2) полностью перекрыто заслонкой (входная координата Х = 0), в междроссельной камере устанавливается максимальное давление (выходной сигнал р), и весь расход жидкости идет к исполнительному устройству. По мере удаления заслонки от сопла расход через сопло возрастает, а через исполнительное устройство - падает, вследствие чего выходной сигнал р уменьшается.

у

р_пит

1 2 3

х р

р_пит Q₁ УУ

Q

4 Q₂, р_сл

Q р х

а) б)

Рис. 5.1.

Принцип работы УУ основан на законе сохранения расходов:

Q1 = Q + Q2.

Функциональная схема усилителя типа сопло-заслонка изображена на рис. 5.1, б. Входным сигналом усилителя является перемещение заслонки «х», выходным – давление р и расход жидкости Q, подвод внешней энергии – р_пит.

5.2.1.2. Алгоритм функционирования

X  Q2  Q р

Таким образом, дроссельный усилитель типа «сопло-заслонка» преобразует входное механическое перемещение заслонки Х в изменение расхода Q или давления р рабочей жидкости (газа) на выходе.

5.2.1.3. Статические и динамические характеристики

Статическую характеристику усилителя можно получить из условия равенства расходов жидкости через дроссель постоянного сечения и через управляемый дроссель 2, т.е.

Q1 = Q2 + Q (5.1)

Известно, что расход жидкости через дросселирующие элементы пропорционален площади проходного сечения и зависит от перепада давления на нем. Чаще всего принимают, что расход либо прямо пропорционален перепаду давлений, либо пропорционален корню квадратному их перепада.

Величина Q определяется конструктивными особенностями исполнительного устройства. Для расходов Q1 и Q2 получим:

Q₁ = ₁ f₁ , (5.2)

Q₂ = ₂ f₂ , (5.3)

где Q₁ и Q₂ - объемные расходы жидкости;

 ₁ и ₂ - коэффициенты расхода, зависящие от числа

Рейнольдса , изменяющиеся в пределах 0,5…0,7;

f₁ и f₂ - площадь проходного сечения нерегулируемого

дросселя и эффективная площадь проходного

сечения регулируемого дросселя;

• - плотность жидкости;

P_сл - давление среды, в которую происходит

истечение жидкости (давление слива).

Подставим зависимости (2) и (3) в равенство (1). Тогда, полагая, что

f₂ = K x, где , получим:

X = (5.4)

В конкретных устройствах обычно р_пит, р_сл, f₁ и  ₁ практически постоянны. Рассматривая небольшое изменение (по участкам), значения ₂ и К можно считать постоянным.

Статическая характеристика дроссельного усилителя типа сопло-заслонка (выражение 5.4) приведена на рис. 5.2.

P рабочий диапазон

Q=0

Q¹ Q

Q¹¹ Q¹

0 x

Рис 5.2.

Рабочий диапазон УУ стараются выбрать на участке характеристики, близком к линейному. Тогда в рабочем диапазоне р = KX, где К – коэффициент усиления, зависит от (р_пит – р_сл) и :

_пит  _сл  ,   К,

зависит от формы поперечного сечения сопла и его размеров.

Наибольший К получается при поперечном сечении сопла – прямоугольном. Но изготовление сопла прямоугольной формы связано с технологическими трудностями, поэтому чаще применяется круглое сопло:

dc = (0,5 – 1,5 мм); d заслонка = (3 – 4) dc

Если при работе р_пит и р_с меняются, то становится нестабильной характеристика усилителя. Для улучшения статических характеристик УУ необходимо поддерживать постоянный перепад давления на дросселе 1, тогда р будет зависеть только от Х, но это усложняет конструкцию, так как требуется регулятор постоянного перепада.

Для увеличения коэффициента усиления могут применяться двух-, трех- и более каскадные усилители. Однако, такие усилители являются более сложными устройствами по сравнению с однокаскадными усилителями.

По своим динамическим характеристикам усилитель типа «сопло-заслонка» можно считать пропорциональным (усилительным) звеном, если пренебречь сжимаемостью рабочего тела.

Для улучшения динамических характеристик необходимо максимально уменьшить силы сухого трения и инерционность элементов усилителя. С этой целью ось заслонки устанавливают в подшипниках, саму заслонку по габаритам и массе выполняют минимальной. Уменьшение габаритов и массы производят до разумного предела – не в ущерб прочности.

5.2.1.4. Эксплуатационная надежность и стабильность характеристик. Возможные неисправности

Достоинства УУ: просто по конструкции, имеет высокую надежность, чувствительность и быстродействие, требует незначительных усилий для перемещения заслонки. Однако оно обладает рядом недостатков:

• непроизводительные расходы рабочей жидкости;

• необходимость обеспечения в эксплуатации достаточно высокой степени фильтрации рабочей жидкости, особенно при эксплуатации в запыленных районах.

Нестабильность характеристик вызвана, главным образом, изменением температуры окружающей среды и рабочего тела, что приводит к изменению упругости пружин, входящих в усилительные устройства.

С целью устранения «вредного» влияния температуры под пружины устанавливаются термокомпенсаторы, представляющие собой набор биметаллических пластин.

Настройка выполненного УУ осуществляется подбором дросселя 1. Так как часть рабочей жидкости сливается через сопло 2, то увеличивается чувствительность УУ, уменьшается вероятность перегрева или переохлаждения рабочей жидкости.

Разновидность дроссельного усилителя типа «сопло-заслонка» являются маятниковые усилители (бесконтактные клапаны).Они бывают одноплечевые (рис.5.3, а.) и двухплечевые (рис. 5.3, б.).

+ у  + у 

1 1

а) 2 2 б)

р_пит р Q р_пит р Q

Рис. 5.3.

УУ маятникового типа состоит из маятникового клапана 1 и канала 2, соединенного с ИУ. Положение клапана, а, следовательно, и расход жидкости в канале 2, определяется координатой y, являющейся выходным сигналом измерительного устройства. Характеристики маятниковых усилителей аналогичны УУ «сопло-заслонка».

Возможные неисправности таких усилительных устройств связаны, главным образом, с загрязнением рабочего тела, что может привести к засорению регулируемого жиклера или заклиниванию подвижного маятника. Эти неисправности приводят к выходу из строя усилительных устройств.

С целью недопущения отказов необходим тщательный контроль за чистотой рабочего тела (топлива в системе топливопитания, масла в системе смазки, жидкости АМГ-10 или применяемых газов) в эксплуатации.

Усилительное устройство типа «сопло-заслонка» применяется в САУ частотой вращения роторов вертолетного ГТД ТВ3-117, в системе управления расходом топлива в ФКС двигателя АЛ-31, в топливном автомате запуска двигателя НК-25.

Усилительные устройства маятникового типа:

-одноплечевые - применяются в САУ частотой вращения двигателей АЛ-21Ф, АЛ-31, НК-25;

-двухплечевые – в САУ G_ТФ по внешним условиям АЛ-31.

Б. Дроссельный золотниковый усилитель

5.2.1.1. Принцип действия, особенности конструктивного выполнения

Дроссельные золотниковые усилители бывают одностороннего действия и двухстороннего действия.

Золотниковый дроссельный усилитель двустороннего действия (рис. 5.4.) состоит:

1. корпуса (гильзы);

2. канала подвода рабочей жидкости к ИсУ.

3. золотника;

4. канала подвода рабочей жидкости с давлением р_пит.

П

3

4

1

одвод энергии к УУ осуществляется путем подвода рабочей жидкости из магистрали питания с давлением р_пит. Давление р и расход Q на выходе из усилителя (в каналах 4) определяется координатой Х золотника 3 и нагрузкой на усилитель.

Р_пит

2

Рис. 5.4

Пояски золотника выполняют функцию дросселирующего элемента. Золотники бывают:

1. идеальными (ширина пояска П равна ширине окна гильзы К);

2. проточными (П < К);

3. отсечными (П > К).

5.2.1.2. Алгоритм функционирования

В УУ двустороннего действия при перемещении золотника вправо в правый канал 2 подводится жидкость с давлением р, а левый канал 2 соединяется со сливом. Перепад давлений в каналах зависит от величины перемещения Х золотника.

5.2.1.3. Статические и динамические характеристики

Статическая характеристика дроссельного золотникового усилителя представлена на рис.4.в., где изображены характеристики для трех золотников:

1 .идеального; 2. проточного (П < К); 3.отсечного (П > К).

р 1 2 3

0 х

Рис. 5.5

Все дроссельные усилительные устройства по динамическим свойствам можно считать усилительными (пропорциональными) звеньями.

5.2.1.4. Эксплуатационная надежность и стабильность характеристик. Возможные неисправности

Чувствительность дроссельного золотникового усилителя зависит от ширины поясков золотника. Наибольшей чувствительностью к сигналам управления от ИУ отличается проточный золотник, наименьший – золотник с перекрытием. Настройка данного УУ осуществляется подбором диаметра дросселя 1.

Для улучшения динамических характеристик необходимо уменьшать массу золотника (применение полых золотников, уменьшение размеров золотников).

Достоиства: золотниковый усилитель имеет высокий КПД, и коэффициент усиления, его характеристики мало зависят от изменения температуры.

Он обладает повышенной чувствительностью к загрязнению рабочей жидкости, так как загрязнение может привести к «схватыванию» (заклиниванию) трущейся пары. Для компенсации этого недостатка на поясках золотника выполняются кольцевые проточки, в которых собираются посторонние частицы, попадающие в жидкость. В эксплуатации авиационной техники требуется тщательный контроль за чистотой рабочей жидкости. Из-за износа возможно появление люфтов в соединениях, что может привести к появлению зон нечувствительности. Дроссельный золотниковый усилитель сложен в изготовлении, так как пара «гильза-золотник» требует специальной подгонки, что значительно удорожает процесс их производства.

Дроссельные золотниковые усилители получили широкое распространение в САУ летательным аппаратом и его силовой установки. Применяется в САУ частотой вращения, в системе ограничения максимального значения частоты вращения ротора низкого давления, в автомате приемистости, в системе управления осевым компрессором двигателей Д-30КП, Д-30КУ, в системе блокировок включения форсажных контуров двигателей АЛ-31, НК-25, в системах управления компрессором и реактивным соплом двигателя АЛ-21Ф.

5.2.2. Электрогидравлические усилители

Электрогидравлические усилители можно разделить на усилители :

• с релейной характеристикой (одно- и двухтактные);

• с пропорциональной характеристикой.

А. Электрогидравлические усилители с релейной характеристикой (одно- и двухтактный)