21. Назначение и состав гидроприводов
Из различных видов вспомогательных силовых систем наибольшее распространение на летательных аппаратах (ЛА) получили электрические и объемные гидравлические системы. Области применения этих систем на ЛА четко разграничены: гидравлические системы, в основном, используются как силовые устройства и приводы, а электрические – как командные устройства. Гидравлические агрегаты и устройства применяются на современных ЛА настолько широко, что многие из этих аппаратов буквально ими насыщены.
В настоящее время гидросистемы применяются в системах управления ЛА, в механизмах поворота крыла или двигателя на самолетах с вертикальным взлетом и посадкой, для уборки и выпуска шасси, тормозных щитков, изменения формы и геометрии крыла, управления двигателями и воздушными винтами, реверса тяги двигателей, в качестве привода бортовой холодильной установки, спецоборудования на самолетах сельскохозяйственной авиации, радиолокационных установок и установок вооружения, для запуска авиадвигателей и в системах заправки самолетов топливом в воздухе и других целях. Особенно следует отметить рациональность применения гидроприводов в качестве стартеров для запуска основных двигателей. В большинстве подобных систем насос основной гидросистемы, работая от наземной установки, превращается в стартер, раскручивающий основной двигатель до оборотов, соответствующих режиму его малого газа (~5000 об/мин), после чего насос-стартер автоматически переключается на насосный режим.
Применение гидросистем упрощает во многих случаях оборудование современных ЛА. Например, применение гидросистемы для привода топливных насосов позволяет размещать последние в топливных баках и, следовательно, улучшать охлаждение насосов. Гидравлические системы незаменимы в системах наводки в радарных поисковых установках с самонаведением, к быстродействию которых предъявляются особо высокие требования. Возможность получения вращающих моментов большой величины при малых габаритах и весе гидромоторов обеспечили им широкое применение в системах управления многих типов ЛА. Гидроприводы нашли применение для регулирования скорости электрогенераторов переменного тока при возможных колебаниях скорости приводных двигателей. Широкое применение гидросистемы нашли также в различного рода наземном оборудовании, обслуживающем ЛА, как-то в системах заправки топливом, в подъемниках, лебедках и транспортерах, установках для запуска управляемых снарядов и прочее.
1.2. ПРЕИМУЩЕСТВА ГИДРОПРИВОДОВ
Широкое применение гидроприводов на современных ЛА обусловлено преимуществами этих систем, основными из которых являются:
1) малые габариты и вес, приходящийся на единицу мощности; последний параметр часто оценивается также удельной мощностью (весовой отдачей), под которой понимают отношение мощности к весу; габариты современного гидравлического ротативного мотора составляют всего лишь 12-13 % габаритов электродвигателя той же мощности, а вес насосов и гидромоторов составляет 10…20 % веса электроагрегатов подобного назначения такой же мощности;
2) высокий показатель по отношению вращающего момента гидромотора к его инерции, благодаря чему они отличаются высоким быстродействием (также как и насосы); это является чрезвычайно важным параметром, и в особенности применительно к следящим приводам;
3) высокая приёмистость и малое запаздывание при отработке командных сигналов, свойственные гидроприводу, особенно важны для быстродействующих следящих механизмов, в частности для приводов управления ЛА в воздухе;
4) возможность непрерывного (бесступенчатого) регулирования выходной скорости и осуществления высокой степени ее редукции, а также плавность, равномерность и устойчивость движения, большой срок службы и высокий КПД; кроме того, в гидросистемах конструктивно проще осуществляется защита их от чрезмерно высоких перегрузок и обеспечивается демпфирование автоколебаний;
5) простота изготовления, простота обслуживания и возможность работы в любых климатических и температурных условиях, высокие коммутационные качества;
6) надежность и долговечность; срок службы под нагрузкой насосов и гидромоторов около несколько тысяч часов;
7) гидродвигатели вращательного движения отличаются от электрических жесткостью скоростных характеристик под нагрузкой, а также допускают неограниченную по времени работу при сколь угодно малых скоростях, сохраняя при этом постоянство заданных характеристик зависимости угловой скорости от нагрузки.
1.3.ТРЕБОВАНИЯ,ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕК ГИДРОСИСТЕМАМ ЛА
В связи с усложнением авиационной техники и повышением скоростей полета сверхзвуковых ЛА возросли требования к гидравлическим устройствам в соответствии с особенностями новых условий их работы, основными из которых являются высокие температуры внутри ЛА, обусловленные в основном кинетическим нагревом его обшивки при полетах на этих скоростях, а также теплом, выделяемым силовыми двигателями и выделяющимся при работе гидравлических агрегатов. При полетах со скоростями 3М температура окружающей среды в месте размещения гидросистем 300 0С, а температура рабочей жидкости 230 0С. Следует отметить, что при оценке влияния температур критическим фактором является не температура окружающей среды, а рабочая температура жидкости и самих гидроагрегатов.
В наиболее напряженных температурных условиях находятся гидросистемы авиадвигателей, а также насосы и силовые цилиндры, поскольку они обычно размещаются в наиболее горячих зонах ЛА, к тому же сам насос выделяет большое количество тепла.
Из всего этого следует, что во многих случаях применение гидросистем, и в особенности в гидросистемах авиадвигателей, температурные условия становятся настолько жесткими, что существующие гидроагрегаты и многие применяющиеся материалы и рабочие жидкости становятся непригодными. Требуются новые рабочие жидкости, исследуется возможность применения в гидросистемах жидких металлов и расплавленных солей.
Особые требования предъявляются к гидросистемам беспилотных ЛА. Это обусловлено тем, что отказ гидросистемы на пилотируемом ЛА в большинстве случаев можно компенсировать с некоторыми ограничениями ручным управлением, тогда как на беспилотных ЛА вышедшая из строя гидравлика не может быть восстановлена или заменена.
Для гидросистем управляемых снарядов и ракет огромное значение имеют габариты и вес гидроагрегатов, в том числе и вес рабочей жидкости, поэтому они зачастую работают на повышенных давлениях. Системы этих аппаратов работают в весьма тяжёлых условиях при больших ускорениях и вибрациях.
Для таких аппаратов считается необходимым требованием готовность к действию (к полёту) после продолжительного хранения. Рабочие жидкости должны сохранять свои характеристики в течение этого срока, быть стойкими против разложения и старения, а также не склонными к кристаллизации при вибрациях. Так же должны сохранять свои характеристики резиновые уплотнения, пневмогидравлические аккумуляторы и регулирующие устройства.
частиц, с другой – создание надежных средств очистки рабочих жидкостей в гидросистемах.
1.4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГИДРОПРИВОДОВ ОБЪЕМНОГО ТИПА
В ЛА применяются гидросистемы (гидроприводы) объемного типа, которые обеспечивают благодаря высокому объемному модулю упругости жидкости практически жесткую связь между ведущим и ведомым звеньями гидравлического механизма. Принцип их действия основан на законе Паскаля, гласящем, что всякое изменение давления в какой-либо точке покоящейся капельной жидкости, не нарушающее ее равновесия, передается в другие точки без изменения. Следовательно, если к поршню площадью F заполненного жидкостью закрытого сосуда приложить силу Р, то она уравновесится силой давления жидкости р=Р/F на этот поршень и в соответствии с указанным законом это давление будет действовать в любой точке жидкости (трением поршня пренебрегаем), а, следовательно, и на поверхности сосуда (рис.1).
П
оложение
сохранится, если в качестве сосуда взять
два закрытых поршнями цилиндра 1
и 2,
соединенных трубопроводом (рис.2). При
перемещении поршня 3
цилиндра 1
жидкость будет вытесняться в цилиндр
2,
приводя его поршень 4
в движение, причем давление р1=Р1/F1,
развиваемое силой Р1,
будет действовать по закону Паскаля и
на поршень 4.
Если пренебречь потерями давления в
системе, то давления в цилиндрах 1
и 2
будут одинаковыми и равными:
,
где F1 и F2 - площади поршней.
При полной герметичности сосудов 1 и 2 и практически несжимаемости жидкости перемещения поршней 3 и 4 будут связаны уравнением равенства описываемых ими объемов:
h1·Fh2·F2 , где h – перемещение поршней, или
V1·F1=V2·F2 ,
Мощность, затрачиваемая на перемещение поршня в цилиндре 1, выражается соотношением:
N=P1·V1=p1·F1·V1=p·F1·V1.
Так как величина F1·V1 является расходом жидкости Q, то условие передачи энергии можно (при отсутствии сил трения) представить в виде:
P1·V1=p·Q=P2·V2,
где p·Q – мощность потока жидкости, Р2·V2 – мощность, развиваемая поршнем цилиндра 2, т.е. работа выходного звена системы, отнесённая к единице времени.
На основании уравнения (1) можно составить и следующие выражения:
.
ренебрегая гидравлическим сопротивлением и трением поршней при их движении (принимаем р1=р2=р), можно записать:
где p – удельное давление жидкости в сосудах; Р1 и Р2 – силы, развиваемые давлением жидкости на поршни.
Из схемы, представленной на рис.2, видно, что приведённые зависимости будут справедливы и в том случае, если в качестве насоса использовать сосуд 2, а в качестве двигателя – сосуд 1, т.е. рассматриваемая система является обратимой. Это свойство обратимости важно для гидравлических систем ротативного (вращательного) действия, в которых в качестве насоса и двигателя можно использовать конструктивно одинаковые агрегаты.
На рис.3 показана упрощенная схема гидравлической передачи с гидродвигателем прямолинейного возвратно-поступательного движения. Передача состоит из насоса 1 с резервуаром 5 и гидродвигателя (силового цилиндра) 2, соединённых маслопроводами. Реверс гидродвигателя (изменение направления движения штока силового цилиндра) осуществляется распределительным устройством (краном) 3, с помощью которого изменяется направление потока жидкости от насоса к двигателю. В положении распределителя (крана) 3, представленном на рис.3, жидкость от насоса 1 поступает в левую полость силового цилиндра 2, перемещая его поршень в правую сторону. Жидкость же, вытесняемая поршнем из правой (нерабочей) полости цилиндра 2 по сливным трубопроводам через распределитель 3, удаляется в резервуар (бак) 5.
При установке (повороте) распределителя 3 в противоположное положение жидкость от насоса 1 будет поступать в правую полость цилиндра 2 и отводиться в бак 5 из левой его полости, поршень в этом случае будет перемещаться в левую сторону. При повышении давления жидкости сверх расчетной величины откроется предохранительный клапан 4 и жидкость от насоса через него будет поступать (переливаться) в бак.
На рис.4 и 5 представлены схемы гидравлической передачи с гидродвигателем (гидромотором) 2 вращательного движения.
Реверс гидродвигателя 2 этих гидропередач осуществляется либо с помощью распределительного устройства 3 (рис.4), либо путём изменения направления потока жидкости самим насосом 1 (рис.5). В последнем случае система должна быть снабжена обратными клапанами 7, которые отсоединяют нагнетательную линию от бака 5, и одновременно обеспечивают подпитку всасывающей полости насоса в случае, если в ней создается вакуум в результате утечек жидкости.
при условии герметичности агрегатов и практической несжимаемости жидкости выходное звено двигателя будет перемещаться (или вращаться) с определённой скоростью, при которой будет обеспечено соблюдение условие:QН=QМ ,
где QМ и QМ – теоретические расходы насоса и гидродвигателя в единицу времени.
Регулирование скорости гидродвигателя осуществляется в мощных передачах (мощность более 5 л.с.) изменением расхода (производительности) насоса, а в передачах меньших мощностей – посредством дросселя 6 (рис.3 и 4), с помощью которого часть жидкости будет отводиться через предохранительный (переливной) клапан 4 в бак 5. При полном перекрытии трубопровода дросселем 6 вся жидкость будет удаляться в бак и скорость гидродвигателя 2 будет равна нулю.
что дроссельное регулирование связано с потерей мощности и нагревом жидкости, поскольку энергия, соответствующая расходу жидкости через клапан 4 в бак, под давлением его настройки превращается в тепло.
характеризуемых
механическим
и объёмным
КПД гидроцилиндра:
,
.
Угловая скорость вала и крутящий момент на нём можно также выразить:
,
МТ.М=W·p,
г
де
QТ.М
- теоретический расход, W
– удельный
объём гидроцилиндра:
.
6.2.МНОГОПЛАСТИНЧАТЫЕ ПОВОРОТНЫЕ ГИДРОЦИЛИНДРЫ
Распространены также двух - и трёхпластинчатые поворотные гидроцилиндры (рис.28,б), при применении которых можно соответственно увеличить крутящий момент. Однако угловая скорость при этом же расходе жидкости и угол поворота при этом уменьшаются. Для многопластинчатого гидроцилиндра будем иметь:
;
,
где z – число пластин.
где - наружный диаметр, - напряжение материала, - максимальное давление, - запас прочности (обычно n=3,2), m - коэффициент ослабления (для цельнотянутых труб m=1).
исходя из внутреннего диаметра: ,
где - допустимое напряжение стенки цилиндра.
Расчёт цилиндров на устойчивость
Гидроцилиндры под действием давления жидкости и внешней осевой нагрузки работают на сжатие как балки переменного сечения, причём прочность их зависит от характера нагружения и вида заделки концов цилиндра. Наиболее распространённым на практике случаем является нагружение шарнирного закрепления цилиндра продольно сжимающей силой Р, направленной по оси цилиндра. При известном (критическом) значении этой силы может возникнуть прогиб цилиндра, который при дальнейшем увеличении нагрузки приводит к её разрушению.
Расчёт на продольный изгиб при длине L>10dн производят по известной формуле Эйлера:
где Р – разрушающая сжимающая нагрузка, Е – модуль упругости материала (для стали Е=22·105 кгс/см2), L - общая длина цилиндра с выдвинутым штоком, и - наружный и внутренний диаметры, k – коэффициент, зависящий от способа заделки концов штока, J – момент инерции, равный .
Когда оба конца заделаны на шарнирах, принимается k=1,0; когда один конец заделан, а другой свободен (жёсткое крепление цилиндра на станине) - k=2,0.
При расчёте напряжения в штоке на продольный изгиб его расчётную длину принимают равной 0,8 расстояния между буксами при полностью выдвинутом штоке.Для расчёта напряжения (сжатия) коротких штоков, длина которых не превышает десяти диаметров, можно пользоваться выражением: ,
где Р – нагрузка на шток; f – площадь поперечного сечения штока.
Запас прочности для цилиндров р ≤ 300 атм. принимают n=3.
Толщину донышка цилиндра можно определять по формулам:
- для плоского донышка: ;
- для сферического донышка:
.
В соответствии с приведённым, напряжение в стенке цилиндра можно определить по формуле:
,
где D и d – внешний и внутренний диаметры цилиндра.
Расширение корпуса цилиндра
В целях предохранения уплотнений от разрушения и преждевременного износа необходимо, по возможности, устранять расширение корпуса цилиндра, с тем чтобы избежать увеличения радиального зазора между ним и поршнем. Изменение диаметра Δd (см) цилиндра определяется по следующему уравнению, основанному на законе Гука:
,
где Е – модуль упругости (для стали Е=2·106 кгс/см2), S – зазор (см), - коэффициент Пуассона (для стали =0,3).
5.4. МЕМБРАННЫЕ И СИЛЬФОННЫЕ ГИДРОЦИЛИНДРЫ
В ряде систем и, в частности, в гидроавтоматике, распространены мембранные и сильфонные гидроцилиндры (исполнительные механизмы). У первых рабочая камера образована корпусом и эластичной мембраной, у вторых – внутренней поверхностью сильфона.
Конструктивно мембранный гидравлический (или пневматический) цилиндр (исполнительный механизм) имеет защемлённое по периферии круглое эластичное (преимущественно – резинотканевое) кольцо диаметром D, связанное по центру с выходной нагрузкой (рис.26,а). Как правило, это кольцо имеет жёсткий центр 1, диаметр d, которого составляет 0,75..0,85D. Давление, в случае резинотканевой мембраны, обычно не превышает 1МПа.
Упругая часть мембраны выполняется плоской (рис.26,а) или тороидальной, гофрированной – (рис.26,б). Первая конструктивно проще второй, однако эффективная её площадь изменяется при перемещении центра интенсивнее, чем у мембраны с тороидальной упругой частью. Кроме того, плоская мембрана допускает значительно меньший ход центра в сравнении с гофрированными или тарельчатыми.
Для малых прямолинейных перемещений применяют также эластичные гармоникообразные цилиндры – сильфоны (рис.27). Сильфоны изготавливают из металлов, а при небольших давлениях – и из других материалов (резины, фторопласта).
Металлические сильфоны бывают однослойные и многослойные (до пяти слоёв), причём многослойные сильфоны при той же общей толщине, размерах и нагрузке имеют значительно больший ход.
Применяют сильфоны с наружным диаметром от 5 до 250 мм. Для однослойных сильфонов малых диаметров допускается давление до 30 кгс/см2, больших диаметров – до 2 кгс/см2. Максимальная величина перемещения металлического сильфона обычно не превышает 25% его свободной длины, причём из них 15% отводится на сжатие и 10% на растяжение. Сильфоны предпочтительнее нагружать внешним давлением, причём допустимое значение давления в этом случае превышает давление при внутреннем нагружении на 25…30%.
За эффективный диаметр сильфона можно приблизительно принять средний диаметр гофров, в соответствии с чем усилие Р, развиваемое цилиндром – сильфоном при действии внутреннего давления жидкости, может быть приближённо (пренебрегая влиянием жёсткости сильфона) вычислено:
где - средний диаметр гофров, - полезная (эффективная) площадь сильфона, D1 и D2 – внешний и внутренний диаметры гофра.