121

КУРС ЛЕКЦИЙ

Исполнительные устройства САУ ЛА. Приводы СУ. Основы разработки.

ЛЕКЦИЯ 1.

ВВЕДЕНИЕ.

Привод является исполнительным механизмом САУ ЛА - обеспечивает перемещение органов управления ЛА в соответствии с командами приборов СУ (аэродинамическими и газовыми рулями, поворотными управляющими соплами, поворотными двигателями, кольцевыми рулями, сопловыми блоками, центральным телом сопла ракетного двигателя и пр.).

Приводы преобразуют электрический сигнал от комплекса командных приборов СУ ЛА в перемещение органов управления по трём каналам: тангажу, рысканию, крену.

По типам приводы разделяются на электрогидравлические, газогидравлические, газовые, электрические.

В состав приводов входят:

1. Первичный источник питания.

2. Преобразователь энергии.

3. Исполнительное устройство - рулевые машины.

4. Усилитель - сумматор командного сигнала и сигнала обратной связи по положению ОУ.

5. Корректирующие связи.

6. Элементы магистралей, кабельная сеть

ОБОБЩЁННАЯ СХЕМА ПРИВОДА.

ВИДЫ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИВОДОВ

1. Первичные источники питания:

а)ампульная батарея (для электрических, электрогидравлических приводов);

б) воздушные аккумуляторы давления (для пневмогидравлических, пневматических приводов);

в) ТТГГ (для газогидравлических, газовых приводов);

г) ЖГГ (для газогидравлических, газовых приводов).

2) Преобразователи энергии:

а) газогидравлический аксиальнопоршневой моторнасосный агрегат;

б) газогидравлический пластинчатый моторнасосный агрегат;

в) газогидравлический турбонасосный агрегат;

г) электрогидравлический насосный агрегат;

д) газогидравлический вытеснитель.

3) Исполнительные механизмы - рулевые машины:

а) объёмные;

б) дроссельные.

Электромеханические преобразователи рулевых машин:

а) шаговые двигатели,

б) поляризованные реле,

в) пьезомеханические реле.

Газовые или гидравлические усилители:

а) золотники цилиндрические,

б) золотники плоские,

в) струйная трубка,

г) клапанные реле,

д) в многокаскадном исполнении - комбинация из а)...г).

Силовые цилиндры:

а) поступательные;

б) поворотные;

в) механические преобразователи «винт-гайка»;

г) преобразователь «поршень-вилка - вал».

Рассмотрим в качестве примера газогидравлический привод со следящим по положению исполнительным механизмом, который более подробно, сначала по-элементно, а затем в совокупности будет рассмотрен в последующих лекциях. При этом, будут даны основы разработки основных элементов привода, включая расчёты статических и динамических характеристик.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИВОДА

В основу разработки закладываются знания и требования разработчиков системы управления, органов управления и двигательных установок.

В тоже время, требования минимизации энергетических и габаритно-массовых показателей приводов ЛА, в силу существенных масс приводов, определяют необходимость оптимизации параметров приводов и смежных систем, по крайней мере, на уровне их непосредственной связи.

Решение этих задач параметрической оптимизации позволяет обеспечить оптимизацию по внешним связям. Разумеется, этому этапу должна предшествовать оптимизация по внутренним параметрам привода – необходимое условие проектирования и выбор схемы привода.

Требования и перечень параметров формируются как со стороны разработчиков системы управления, так и со стороны разработчиков органов управления.

Прежде всего, к ним следует отнести:

1. Выходную мощность, обеспечивающую управление нагрузкой – органами управления.

2. Время непрерывной работы – определяется, как правило, временем работы двигательной установки, суммируемого со временем пауз до включения последующих двигательных установок плюс время, необходимое для выхода на режим минимальной потребной мощности с учётом разбросов и допусков на посыл командных сигналов от системы управления.

3. Допустимая масса привода – важнейший параметр для разработчика теоретического чертежа ЛА. Этот параметр принимает участие в показателе эффективности ЛА полезной нагрузке.

4. Допустимые габариты привода, которые задаются разработчиками ДУ и определяют степень совершенства аэродинамических качеств ЛА.

5. Допустимая динамика привода – параметр, определяющий динамическое качество ЛА – способность парировать и противостоять возмущениям, в том числе и факторам спецвоздействий, обеспечивая выполнение задачи с заданной точностью.

6. Требования к механической стойкости, стойкости к ударным воздействиям и вибропрочности.

7. Требования к стойкости на действие спецфакторов, в том числе к локальным сильнодействующим температурным воздействиям.

8. Стойкость к транспортировочным нагрузкам.

Порядок разработки привода.

Этап 1. Разработка теоретического чертежа изделия и составление массовой сводки его элементов.

Разработчик привода имеет минимальную информацию, в самом грубом приближении, в виде данных о суммарной нагрузке, требуемом времени перекладки из одного крайнего положения в другое органа управления ЛА и времени работы ДУ.

Используя материалы работ по параметрическим областям применения приводов минимальной массы N=f(t), определяют тип привода, его состав и массу привода m₁ (рис.2).

Так как в исходных данных к этому моменту отсутствуют сведения по динамике движения ЛА, то практически вытеснительные схемы исключаются из рассмотрения в силу малой площади области применения в координатах «N-t”, которую они занимают на диаграмме областей минимальных масс. Значение m₁ принимается к сведению разработчиком ЛА и используется в массовой сводке изделия. По результатам выбора типа привода, мощности и времени работы из гаммы разработанных ранее элементов приводов формируется привод I-го этапа, общие виды которых выдаются для выпуска конструктивно-компоновочной схемы ЛА.

Этап II - формирование технического задания на РП по мере накопления данных, поступающих от разработчиков ЛА, ОУ и СУ. В ТЗ включают данные о составе нагрузок, ходе штока (угла поворота вала) рулевой машины, уточняется время работы с учётом циклограммы команд СУ, температурного диапазона эксплуатации, ограничения по допустимой массе m_д и объёму V_д, которые появляются в результате проработки конструктивно-компоновочной схемы ДУ.

На основании ТЗ разрабатывается эскизный проект, в результате которого уточняются состав и характеристики РП, в том числе и его масса, и создаются общие виды элементов и гидравлическая схема соединений.

По результатам проведения II этапа возможны два исхода: либо m₂ m_д, тогда процесс проектирования завершается и начинается выпуск конструкторской и эксплуатационной документации, либо m₂  m_д – в этом случае приступают к III этапу.

Уменьшение массы m₂ целесообразно, начиная с методов, не приводящих к существенному усложнению и изменению конструкции элементов РП.

Этап III – собственно совершенствование энергомассовых характеристик, пользуясь аппаратом параметрической оптимизации.

В случае, если в результате проведённых мер не обеспечивается выполнение требование по допустимой массе, приступают к IV этапу – рациональному построению структуры РП за счёт конструктивной модернизации элементной базы.

Современная практика разработки приводов предусматривает исполнения ряда этапов: инженерной записки или аванпроекта, технического предложения, эскизного проекта. По мере увеличения объёма информации по каждому из этапов степень приближения к конечному результату повышается, причём в процессе проведения проектных работ учитывается как наработанный объём элементной базы, так и необходимость применения новых технических решений в связи с выдвижением повышенных требований к эффективности.

ЛЕКЦИЯ 2.

АНАЛИЗ СХЕМНО-КОНСТРУКИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГГРП И РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.

1. Твёрдотопливный газогенератор.

ТТГГ является первичным источником энергии газогидравлического моторнасосного агрегата – преобразователя энергии газа в гидравлическую энергию потока жидкости – минерального масла.

В состав ТТГГ входят следующие узлы: камера, крышка, фильтр газовый, газовод, заряд, навеска, пирозапал, бронировка, теплозащитное покрытие заряда.

Камера является тонкостенным (1…2 мм) прочным стальным цилиндром сварной конструкции, оканчивается резьбовой частью, которая свинчивается с крышкой. Камера служит для размещения заряда. Твёрдотопливный заряд выполнен из твёрдого смесевого топлива для привода, как правило, торцового горения. Снаружи и дна топливо покрыто бронирующим составом (бронировкой), а с торца поверхность не бронируется. Бронировка выполняется из полимерных материалов, обеспечивает горение топлива со стороны торца и охлаждает продукты горения топливо с 2000 С до 1200 С. При разложении бронировки около 5…10% смешивается с продуктами и составляет газоприход в ТТГГ, который потребляется АПМНА для создания необходимой мощности для потребителя энергии – рулевых машин.

Навеска представляет из себя крупные фракции пороха, типа КЗДП, обеспечивающие надёжное воспламенение заряда ТТ. Навеска размещается в упаковке из АГ-4, заклеенной с одной стороны миткалевой лентой.

Крышка выполнена в виде стальной оболочки оживальной формы. Внутри крышки размещается навеска и фильтр.

По внутренней поверхности корпус и крышка покрыты теплозащитным материалом (ТЗП) для предохранения стальных оболочек от действия высокотемпературного газа (1200…1400С) при работе ТТГГ.

Для обеспечения стойкости конструкции ТТГГ от действия спецфакторов ядерного взрыва и внешнего нагрева снаружи от струи газа основного двигателя корпус и крышка ТТГГ покрывают вспененным ТЗП.

Фильтр, установленный в крышке, производит очистку продуктов сгорания ТТ от твёрдых включений и К-фазы, обеспечивая надёжную длительную работу (5…6 мин) потребителю горячего газа. Фильтры имеют модификации:

А) механические, выполненные из металлической сетки с мелкими (5..10 к) фракциями, спечённых нихромовых шариков, «путанки» - спрессованной нихромовой проволоки,

Б) газодинамические циклонного типа имеют вход в улитку, где центробежными силами крупные, тяжелые частицы осаждаясь на внутренней поверхности бункера и дне, очищают поток газа и через корпус направляют к потребителю.

Пиропатрон – устройство, обеспечивающее запуск ТТГГ, состоит из токопроводящей спиральки, вмурованной в форсажную таблетку быстрогорящего пороха, корпуса и форсажной трубки, открытым торцом направленной на воспламенитель. При подаче импульса тока на токопроводящую спираль от системы управления в соответствии с временной циклограммой команд, происходит воспламенение форсажной таблетки, которая, воспламеняясь, образует высокое давление в течение малого времени в камере ТТГГ. Газ, под действием высокого перепада меду камерой пиропатрона и крышкой ТТГГ, с высокой скоростью потока газа воздействует на КЗДП воспламенителя, воспламеняя по всей поверхности гранулы КЗДП, обеспечивает условия для начала работы заряда ТТГГ. Прогревая слой поверхности при действии высокого давления, заряд воспламеняется, прогревая последующие слои топлива, инициируются предпосылки для прогрева по своду слоёв топлива и его устойчивой газификации. В силу малых фракций компонентов смесевого топлива процесс горения является квазистационарным без существенных пульсаций при обеспечении постоянного давления.

Устойчивая работа ТТГГ обусловлена равенством газоприхода и расхода при постоянном давлении. Чем выше уровень давления, тем больше скорость горения топлива.

Не затрагивая рассмотрение на начальном этапе изучения переходные процессы, стационарная работа ТТГГ описывается в соответствии с законом сохранения массового расхода:

Закон скорости горения топлива для различных составов подчиняется следующим выражениям:

Наиболее общим для большинства современных рецептур является степенной закон зависимости скорости горения топлива от давления.

В нём:

u – скорость горения,

u₁ – коэффициент чувствительности скорости горения к окружающей температуре,

Р – давление газа,

 - показатель степени в законе горения топлива.

В зависимости от фракций компонентов топлива  =0,4…1,2. При этом переход  через 1 характеризует неустойчивый режим работы топлива, но его динамические качества улучшаются.

Коэффициент чувствительности к температуре заряда t_з изменяется по отношению к номинальной температуре эксплуатации по линейному закону и изменяется для t_з =0…35С в пределах u₁=0,01…0,015.

Поэтому при выборе поверхности горения топлива следует ориентироваться на u_1min=0,01 с тем, чтобы обеспечить минимальные энергетические показатели газа.

Расчёт конструктивных, геометрических параметров заряда начинается с расчёта поверхности горения, которая входит в формулу для газоприхода в виде:

где  =1,55*10^-3 кГ/см³ - удельный вес топлива.

Зная потребный минимальный расход в потребителе, определяют поверхность из S выражения:

Длина заряда определяется из условия возможности эксплуатации заряда твёрдого топлива при максимальной температуре окружающей среды, т. е. при максимальном газоприходе и безусловной реализацией минимального времени работы заряда t_з

Таким образом, масса заряда оценивается из очевидного выражения

Разброс давления P_min…P_max определяется диапазоном температуры эксплуатации и степенью стабильности критического сечения сопла.

Давление в камере сгорания ТТГГ устанавливается в соответствии с законом сохранения расхода в потребителе (сопло, газовый мотор, объёмный расход в вытеснителе) и определяется из соотношения Бори:

где:

=1,55*10^-3 кГ/см³ – уд. вес топлива,

А = 8…10*10^-3 1/с – коэффициент истечения газа через сопло,

 - площадь проходного сечения сопла или эффективное сечение потребителя.

Если уравнение Бори представить в координатах расход – давление, то анализировать внутрибаллистические процессы в ТТГГ удобно, рассматривая взаимное расположение и пересечение газоприходных и расходных кривых. На рис. представлены указанные кривые для показателей степени в законе горения а) <1 и б) >1.

P P

а)<1 б) >1

На графике а) представлен случай устойчивой работы топлива, когда любому отклонению давления от точки пересечения приходной и расходной кривых при действии возмущающих факторов соответствует возврат давления в исходное положение обусловленный либо превышением расхода над приходом при увеличении давления либо превышением прихода над расходом при снижении давления.

На графике б) представлен случай неустойчивой работы топлива, когда при снижении давления наблюдается превышение расхода над приходом газа, что приводит к прекращению процесса горения. В случае увеличения давления от точки пересечения кривых наблюдается превышение прихода над расходом, в результате чего происходит неуправляемый рост давления в камере сгорания ТТГГ и разрыв последнего.

Для обеспечения устойчивой работы топлива при >1 в случае отклонения давления от значения в точке пересечения кривых прихода и расхода необходимо организовать отрицательную обратную связь по изменению площади критического сечения потребителя (при увеличении давления – уменьшение критического сечения (пунктир на б) и наоборот). При реализации отрицательной обратной связи по расходу для >1 обеспечивается наряду с устойчивой работой топлива и высокое быстродействие переходных процессов изменения давления в камере сгорания, что обусловливает создание предпосылок для реализации двигателей глубокого регулирования тяги (расхода) на твёрдом топливе.

В случае использования ТТГГ для привода газовых двигателей насосных агрегатов оптимальным является применение твёрдого топлива с <1 (0,5…0,65).

ЛЕКЦИЯ 3. Динамические режимы работы ТТГГ.

Для исследования динамических режимов процессов горения уравнение Бори дополняется уравнением состояния газа в виде уравнения Клайперона:

где:

V- объём камеры сгорания ТТГГ,

m- масса газа в пределах свободного объёма камеры сгорания,

R- универсальная газовая постоянная [кГ*см/(кг*К)],

Т- температура газа [К].

Дифференцируя уравнение состояния по частям - правое и левое выражения, получаем:

Так как процесс изменения объёма камеры сгорания линейно зависит от скорости горения

то, подставляя в дифференциальное уравнение газового баланса, получим:

Уравнение нелинейно, решение находится методом Лагранжа при замене переменной Р^=z (см. А.А.Шишков, Б.В. Румянцев Газогенераторы ракетных систем, изд-во “Машиностроение” 1981 г.).

Для анализа динамического состояния внутрикамерных процессов в ТТГГ достаточно эффективна линеаризованная модель, которая позволяет, используя преобразование Лапласа, строить переходные процессы в камере сгорания на действие возмущающих факторов, наиболее часто встречающихся в практике отработки и отработки конструкции.

Остановимся на двух, наиболее часто встречающихся возмущениях, изменении площади проходного сечения сопла и изменении поверхности горения топлива.

Расчёт переходного процесса в ТТГГ на изменение площади проходного сечения сопла.

Исходные данные:

1. Давление в камере ТТГГ Р [кГ/см²]

2. Массовый расход

3. Закон горения топлива

где:

u₁=0,011 - коэффициент чувствительности скорости горения к температуре,

ν=0,62 - показатель степени в законе горения.

4. Начальный свободный объём V_о [cм³].

5. Универсальная газовая постоянная R=4000 кг/(кГ·ºК).

6. Температура газа T=1200 ºК.

7. Время действия возмущения τ [с].

8. Изменение критического сечения .

9. Удельный вес =1,55*10^-3 [кГ/см³].

Методические указания.

1.Дифференциальное уравнение работы ТТГГ на основании уравнения сохранения массы

где:

V =V_o+u₁P^ντS - текущее значение объёма.

k=1,25 - коэффициент изоэнтропы.

3 .Линеаризация уравнения (1):

С учётом:

ΔР·Δσ~0,

(Р+ΔР)^ν=Р^ν+ νР^(ν-1) ΔР

п олучим:

и ли в операторах Лапласа:

где:

4. Передаточная функция ТТГГ при изменении критического сечения:

является апериодическим звеном первого порядка с переходной функцией, полученной на ступенчатое изменение проходного сечения в виде:

П римечание. Определение стационарного значения проходного сечения сопла производят из уравнения Бори для стационарного режима работы ТТГГ:

Расчёт переходного процесса в ТТГГ на изменение площади поверхности горения.

Исходные данные:

1. Давление в камере ТТГГ Р [кГ/см²]

2. Массовый расход

3 . Закон горения топлива

где:

u₁=0,01 - коэффициент чувствительности скорости горения к температуре,

ν=0,62 - показатель степени в законе горения.

4. Начальный свободный объём V [cм³].

5. Универсальная газовая постоянная R=4000 [кгcм/(кГ·ºК)].

6. Температура газа T=1200 ºK.

7. Время действия возмущения τ [с].

8. Возмущение ΔS.

9. Удельный вес =1,55*10^-3 [кГ/см³].

Методические указания.

1 .Дифференциальное уравнение работы ТТГГ на основании уравнения сохранения массы

где:

V =V_o+u₁P^ντS - текущее значение объёма.

k=1,25 - коэффициент изоэнтропы.

2 .Линеаризация уравнения (1):

С учётом:

ΔР·ΔS~0,

(Р+ΔР)^ν=Р^ν+ νР^(ν-1) ΔР

получим:

и ли в операторах Лапласа:

г де:

3. Передаточная функция ТТГГ при изменении поверхности горения:

является апериодическим звеном первого порядка с переходной функцией на ступенчатое изменение поверхности горения в виде:

Примечание:

О ценку стационарного значения поверхности горения производить по уравнению Бори:

Возмущение в виде изменения поверхности горения S(t) характерно для случая программной смены режима работы ТТГГ. Как правило, для экономии массы ТТГГ свод заряда профилируют в соответствии с участками работы возмущённого движения ЛА, полученными в результате моделирования. При этом, статистический анализ возмущённых траекторий показывает, что наиболее напряжёнными являются участки:

1. Разделения ступеней,

2. Действие в процессе полёта специальных факторов ПФЯВ.

S

2)

1)

t

Знание динамики горения топлива при переходе с режима на режим расширяет область применения ТТГГ с различными потребителями газовой энергии.

Возмущение в виде изменения площади проходного сечения критики сопла характерно при длительном времени работы ТТГГ к моменту окончания работы, когда происходит или зашлаковка сопла или разгар сопла.

Следует отметить, что переходные процессы изменения давления в камере сгорания на возмущения в виде изменения поверхности или критического сечения могут быть идентичны, что затрудняет анализ аномалий в ТТГГ в процессе эксплуатации.

Применяемые в настоящее время методы определения зашлаковки сопел сводятся к замерам фактических размеров сопла до и после испытаний и к анализу характера зависимости Р(t). Однако эта процедура не даёт истинной картины состояния сопла во время работы, поскольку подъём и последующие спады давления могут происходить как из-за зашлаковки сопла, так и из-за аномальной работы порохового заряда (длительное или кратковременное изменение поверхности горения). Сравнение диаметра критического сечения сопла до и после испытаний не позволяет определить действительную причину аномальной работы, так как сопло, работавшее основное время без изменения своего состояния, может подвергнуться интенсивной зашлаковки по окончании работы ТТГГ при спаде давления и догорании остатков топлива, когда в продуктах сгорания содержание К-фазы повышено.

В основу метода идентификации возмущений положено сравнение переходных процессов, протекающих в ресивере – камере-анализаторе переходных процессов при действии двух основных видов возмущения: изменение критического сечения сопла (или изменения оборотов газового мотора) и изменения величины поверхности горения.

Рассмотрим задачу определения переходного процесса в ресивере ТТГГ на возмущающее воздействие в камере сгорания - изменение критического сечения сопла камеры сгорания в результате зашлаковки.

Исходные данные:

1. Давление в камере ТТГГ Р [ кГ/см²]

2. Массовый расход [кГ/с]

3 . Закон горения топлива

где:

u₁=0,01 - коэффициент чувствительности скорости горения к температуре,

ν=0,62 - показатель степени в законе горения.

4. Начальный свободный объём камеры сгорания V_о [cм³].

5. Универсальная газовая постоянная R=4000 [кгсм/(кГ·ºК)].

6. Температура газа T=1200 ºK.

7. Время действия возмущения τ [с].

8. Объём ресивера V_р [cм³].

9. Проходное сечение сопла ресивера σ_р=2σ_о [cм²].

10. Изменение проходного сечения сопла Δσ_o=0,1σ_о

11. Удельный вес =1,55*10^-3 [кГ/см³].

Методические указания.

1.Дифференциальные уравнения изменения процессов горения топлива в камере сгорания топлива в ТТГГ и камере ресивера на основании уравнения сохранения массы имеет вид

где:

V=V_o+u₁P^ντS- текущее значение объёма.

Р _р- давление в ресивере.

k=1,25 - коэффициент изоэнтропы.

2 .Линеаризуя уравнения (1):

с учётом:

ΔР·Δσ~0,

(Р+ΔР)^ν=Р^ν+ νР^(ν-1) ΔР

п олучим:

и ли в представлениях операторов Лапласа:

г де:

4. Передаточная функция ТТГГ при изменении критического сечения:

п редставляется не минимально-фазовым колебательным звеном с переходной функцией на ступенчатое изменение проходного сечения в виде:

П римечание. Определение стационарного значения проходного сечения сопла и стационарного давления в ресивере при отсутствии возмущения находят из решения уравнения Бори для стационарного режима работы ТТГГ:

Как следует из графиков переходных функций изменения давления в камере сгорания и в ресивере, качественная картина их имеет существенное различие. При скачкообразном уменьшении величины критического сечения увеличение давления в камере сгорания носит экспоненциальный характер, в то время как реакция давления в ресивере имеет на момент действия возмущения характерный провал с последующим экспоненциальным ростом. Такая картина свойственна реакции устойчивого неминимально-фазового звена на скачок возмущения. Физически провал давления образуется из-за инерционности процесса роста скорости горения на первоначальное уменьшение критического сечения при последующем увеличении газоприхода и перехода давления на новый стационарный уровень.

Рассмотрим процедуру определения переходного процесса в ресивере ТТГГ на возмущающее воздействие в камере сгорания - изменение поверхности горения заряда.

Исходные данные:

1. Давление в камере ТТГГ Р [кГ/см²]

2. Массовый расход

3. Закон горения топлива

г де:

u₁=0,01 - коэффициент чувствительности скорости горения к температуре,

ν=0,62 - показатель степени в законе горения.

4. Начальный свободный объём камеры сгорания V_o [cм³].

5. Универсальная газовая постоянная R=4000 [кгсм/(кГ·ºK)].

6. Температура газа T=1200 ºK.

7. Время действия возмущения τ [c] .

8. Объём ресивера V_р [cм³].

9. Проходное сечение сопла ресивера σ_р=2σ_о.

10. Изменение поверхности горения ΔS=0,1S_o.

11. Удельный вес =1,55*10^-3 [кГ/см³].

Методические указания.

1.Дифференциальные уравнения изменения параметров в камере сгорания ТТГГ и ресивере на основании уравнения сохранения массы имеют вид

где:

V=V_o+u₁P^ντ - текущее значение объёма.

Р_р- давление в ресивере.

k=1,25 - коэффициент изоэнтропы.

3 .Линеаризуя уравнения (1):

с учётом:

ΔР·ΔS~0,

(Р+ΔР)^ν=Р^ν+ νР^(ν-1) ΔР

п олучим:

и ли в операторах Лапласа:

где:

4 . Передаточная функция изменения давления в камере ресивера при изменении критического сечения:

является колебательным звеном с переходной функцией на ступенчатое изменение проходного сечения между камерой сгорания и ресивером в виде:

Примечание. Стационарные значения поверхности горения и давления в ресивере при отсутствии возмущения находят в результате решения уравнения Бори для стационарного режима работы ТТГГ:

Как следует из графиков переходных функций изменения давления в камере сгорания и в ресивере качественно картина их поведения аналогична. При скачкообразном увеличении величины поверхности горения увеличение давления в камере сгорания носит экспоненциальный характер и реакция давления в ресивере также изменяется по экспоненте.

Сопоставляя переходные процессы в камере сгорания и в ресивере на действие скачка уменьшения критического сечения и действие скачка увеличения поверхности горения, отмечается следующее:

1. характер процессов изменения давления в камере сгорания на действие двух возмущений различной природы аналогичен, поэтому определить источник возмущения, оперируя давлением в камере сгорания, не представляется возможным,

2. характер процессов в ресивере имеет существенное различие (экспонента - в случае изменения поверхности горения, отрицательное перерегулирование – в случае изменения проходного сечения сопла), что позволяет однозначно определить источник аномалии и своевременно принять меры по его устранению.

Целесообразно рассмотреть эффективность применения ТТГГ при использовании различных потребителей газовой энергии на примере установки на выходе камеры сгорания сопла для турбонасосного агрегата и газового мотора с гидронасосом аксиально-поршневого типа.

Применение в составе приводов органов управления ЛА в качестве первичного источника энергии твёрдотопливного газогенератора (ТТГГ), обеспечивающего газовой энергией газогидравлические преобразователи (аксиально-поршневой мотор-насосный агрегат (АПМНА) или турбонасосный агрегат (ТНА)), обусловливает необходимость проведения сравнительной оценки энергомассовых показателей ТТГГ для случая равных значений выходной мощности привода.

Полагая, что объёмные коэффициенты полезного действия газового мотора и турбины совпадают, целесообразно провести расчёт массовых характеристик ТТГГ для рассматриваемых газогидравлических преобразователей.

Как известно 1,2, в заданном температурном диапазоне эксплуатации работа ТТГГ в составе АПМНА характеризуется постоянным давлением в камере сгорания топлива и минимальным разбросом расхода газа, обеспечиваемым гидравлическим клапаном постоянного давления, установленного между магистралями высокого и низкого давлений рабочей жидкости. Работа же ТТГГ в составе ТНА на сопло постоянного критического сечения обусловливает существенный разброс давления и расхода газа в заданном температурном диапазоне эксплуатации.

При степенном законе скорости горения топлива от давления, представленного в виде u=u₁P^, имеем выражение минимального массового прихода газа для двух случаев применения ТТГГ:

где:

u_1min - минимальное значение коэффициента чувствительности скорости горения топлива к окружающей температуре,

 - показатель степени в законе горения,

 - плотность топлива,

S – поверхность горения.

Длина заряда топлива определяется по выражению:

д ля АПМНА –

д ля ТНА –

О бъём заряда топлива при известной и равной для рассматриваемых случаев поверхности горения S составляет:

Из уравнения баланса для ТТГГ, работающего на сопло, получается выражение для отношения максимального давления к минимальному, в виде:

Р азница массы зарядов ТТГГ для ТНА и АПМНА, отнесённая к m_min, с учётом полученных выше выражений, составляет:

Для используемых на практике соотношений u_1max/u_1min=1,2 при =0,62 экономия массы топлива при использовании ТТГГ с АПМНА достигает m=0,4 (40%) (см. рис).

Лекция 4. Газо-гидравлические преобразователи энергии.

Следующему за ТТГГ газо-гидравлическим преобразователем энергии следует уделить особое внимание как наиболее сложному конструктивному элементу. Действительно, в АПМНА соединены два функциональных элемента:

• газовый двигатель, работающий на горячем газе,

• гидравлический насос, работающий на минеральном масле.

Таким образом, в едином корпусе используются материалы, температура которых должна выдерживать 800…1000С, причём в режиме высоких оборотов, и обычные материалы, применение которых широко используется в гидромашиностроении. В состав АПМНА входят до 1000 единиц сборочных деталей, каждая из которых имеет специфичное функциональное значение.

Жаростойкие стали, из которых изготовлены блок цилиндров газового двигателя, кардан, обеспечивающий синхронизацию вращения блока цилиндров и вала, соединяющего газовый двигатель и гидравлический насос, сочетаются с жаростойким чугуном поршневой группы и высокотемпературным сплавом латуни и меди, из которого выполнен газовый распределитель.

Блок цилиндров газового двигателя прижимается к газовому распределителю цилиндрической пружиной через тонкостенный стакан с термокомпенсационными окнами, размещённый внутри пружины. Усилие пружины подбирается, исходя из условия обеспечения баланса сил прижима и отжима от эпюры давления газа, образованной в зазоре газового распределителя при поступлении газа от ТТГГ и отжимающей блок цилиндров от распределителя при вращении.

С целью снижения теплонапряжённости в деталях газового мотора в конструкции предусмотрено охлаждение ходовой части газового двигателя за счёт принудительной подачи жидкости из магистрали нагнетания через дозирующий дроссельный пакет шайб в корпус газового двигателя. Жидкость, после обеспечения охлаждения, смешивается в зоне выхлопного отверстия газового распределителя с отработанным газом и выводится через выхлопную трубу наружу под давлением, которое образуется под поршнями после совершения работы расширения.

При этом, температура смеси не превышает 400С, которая позволяет эксплуатировать газовый двигатель в течение нескольких (5…10 мин) непрерывно.

Та часть жидкости, которая расходуется на охлаждение, компенсируется из пополнительного бака – вытеснителя, при принудительном поддавливании газовой полости из магистрали выхлопа газогидравлической смеси газового двигателя. При этом, образующийся подпор бака рабочей жидкости, обеспечивает бескавитационный режим работы насоса.

Газовый двигатель преобразует энергию давления газа в механическую энергию на валу, соединённого через наклонный диск с помощью кардана с вращающимся блоком цилиндров. Нагрузкой газового двигателя является давление жидкости в магистрали нагнетания, величина которого устанавливается настройкой регулировки переливного клапана. Расходные характеристики переливного клапана могут иметь различный вид в зависимости от конструктивного исполнения (рис.1).

P

Q

Рис.1

При совместной работе ТТГГ и АПМНА целесообразно применение в напорной магистрали привода переливного клапана с компенсацией гидродинамической силой, который независимо от потребляемого расхода сохраняет в магистрали нагнетания постоянное давление, а через коэффициент редукции, равный отношению площадей поршней газового двигателя к насосу – и давление газа в ТТГГ.

Инвариантность давления от расхода обеспечивается гидродинамической разгрузкой запорно-регулирующего органа переливного клапана при изменении расхода в широком диапазоне за счёт специального профилирования каналов слива (рис.2).

Р

Таким образом, независимо от разбросов оборотов неизменностью действия нагрузки на насос обеспечивается работа ТТГГ в режиме постоянного давления, что приводит к экономии массы заряда, как показано в лекции 3, на 25…30% по сравнении с работой ТТГГ на сопло.

Д авление на входе в газовый двигатель и его значение оценивается с помощью равенство момента движущего и момента нагрузки:

Энергетические показатели совместно работающиx ТТГГ и газового двигателя оценивается механической характеристикой моноблока М=f().

Д ля получения выражения механической характеристики через параметры ТТГГ и ГМ используем уравнение газового баланса:

Подставляя в это выражение момент движущий , получим

С учётом М_Н=Const (давление нагнетания Р_н поддерживается постоянным гидродинамически разгруженным клапаном) рабочий режим системы ТТГГ-ГМ находится в точке «О» пересечения механической характеристики с нагрузочной

М

О



Точка «О» является точкой устойчивого равновесия и свидетельствует о параметрах режима совместной работы ТТГГ и АПМНА.

Удельные объёмные расходы за оборот ГМ и ГН находятся из суммарных объёмных характеристик, которые являются конструктивными параметрами газового мотора и насоса с учётом особенностей конструктивного исполнения газового и гидравлического распределителей. Если для гидравлического насоса q_н – паспортная величина, то для газового мотора необходимо при согласовании характеристик с ТТГГ проведение подробного расчёта q_м.

Как было изложено ранее, работа ТТГГ на ГМ характеризуется переменной площадью эффективного критического сечения, образованного при входе отверстий вращающегося блока цилиндров в прорезь, выполненную в газораспределителе, на участке впуска газа в поршневую полость в цикле расширения объёма. Отверстие образуется в результате пересечения цилиндрического отверстия блока цилиндров с серпообразным каналом распределителя газа.

Газоприход от ТТГГ расходуется на:

-заполнение переменного поршневого объёма блока цилиндров, находящегося в просвете серпообразного канала ( );

-заполнение через переменное проходное сечение «начального объёма при подключении очередного цилиндра к серпообразному каналу в зоне неизменного объёма под поршнем – нижняя «мертвая точка» ( );

-непроизводительные утечки через зазоры между поршнями и гильзами блока цилиндров, находящихся в просвете серпообразного канала, и через зазор между рабочим торцем блока цилиндров и зеркалом распределителя газа ( ).

Таким образом, уравнение баланса массового секундного расхода газа для ТТГГ и ГМ записывается в следующем виде:

Н а рис. построены кривые изменения объёмов от угла поворота блока цилиндров «а» по каждому плунжеру (всего их 7) и суммарная объёмная характеристика «б» газового мотора с учётом угла отсечки = 52 газового распределителя.

V_i V_

10





5

Графики строились по выражению справедливого для одного цилиндра:

где:

• о тносительный текущий объём;

V _o- начальный объём;

- максимальное значение относительного объёма.

Как следует из графика суммарной объёмной характеристики, средний объёмный расход газа по углу dV_ср/d=tg. Минимальный массовый расход по углу m_Vmin, характеризуемый изломом кривой суммарной характеристики и получаемый в результате выхода отверстия блока цилиндров из просвета серпообразного канала (рис.), составляет dV_ср/d=tg.

Энергетические показатели газового мотора его рабочий цикл определяются индикаторной диаграммой каждого поршня, который производит работу за счёт расширения подпоршневого объёма. Индикаторная диаграмма строится в плоскости «давление – объём». Степень совершенства рабочего цикла оценивается полнотой индикаторной диаграммы, другими словами, интегралом под кривой давления, а также, минимизацией потерь механической энергии в процессе впуска газа в полость силового цилиндра.

В работе [Труханова] показано, что оптимальным для режима работы газового двигателя в диапазоне частот вращения 6000…10000 об/мин является круглое отверстие впуска с диаметром ~4,5 мм.

При составлении расчётной методики использованы метода расчёта динамики глухих камер при турбулентных и ламинарных дросселей. Все выводы проводятся при двух общих допущениях.

Неустановившиеся процессы течения газа через переменный дроссель рассматриваются как квазистатические, т. е. принимается, что в переходном процессе в каждый момент времени мгновенное значение расхода газа через дроссель такое же, каким оно было бы при данной разнице давлений в условиях установившегося течения; действие сил инерции, неучтённое при введении этого допущения, приводит к запаздываниям, характеризуемым постоянными времени, обычно несоизмеримо малыми по сравнению с постоянными времени, обусловленными ёмкостью камер.

Предполагается, что изменение состояния газа в полости блока цилиндров подчинено адиабатическому закону; в действительности при переходных процессах чаще всего состояние некоторой массы газа в полости не следует закону адиабаты, и обычно для камер рассматриваемых типов процессы изменения состояния являются промежуточными между адиабатическими и изотермическими процессами. Однако разница между временами заполнения и опорожнения полостей при изотермическом и адиабатическом изменениях состояния газа в полости невелика.

При получении выражений для построения индикаторной диаграммы ГМ следует различать полости с дросселями турбулентными (истечение газа через переменное отверстие блока цилиндров) и ламинарными (истечение газа через кольцевой зазор между плунжером и блоком цилиндров).

Алгоритм расчёта предусматривает выполнение трёх этапов:

1. Цикл заполнения полости при переменном расширении объёма.

2. Цикл расширения и опорожнения через торцовый и кольцевой зазоры.

3. Цикл опорожнения через переменное выхлопное отверстие.

Для получения характеристик заполнения и опорожнения будем пользоваться расчётной схемой, представленной на рис.

f(t)

Р_к, V(t)

Р ₁

V

V _o

_отс _вых t

+

+

+ =t

Считая, что заполнение полости цилиндра происходит при Р₁=const, и учитывая, что температура газа Т=const, получим из характеристического уравнения выражение для изменения параметров в полости:

В ыражение для изменения массы газа в полости имеет вид:

из которого следует зависимость для массового расхода газа:

С другой стороны, в соответствии с формулой для массового расхода имеем:

где для докритического и сверхкритического истечений значения (r) записываются в следующем виде:

г де:

r=P_К/Р₁ – относительное давление в полости цилиндра; k – показатель адиабаты; R – газовая постоянная; V(t) – текущий объём полости блока цилиндров; f(t) – текущая площадь проходного сечения;  - коэффициент расхода газа; Т – абсолютная температура.

П риравняв правые части выражений для массового секундного расхода и разделив переменные r и t, получаем:

Считаем с погрешностью < 5…7%, что f(t)=k_ft,

где:

n – обороты в минуты газового мотора,

f_max – максимальная площадь отверстия в блоке цилиндров,

 - угловой размер отверстия в блоке цилиндров для впуска газа в полость,

V_o – “начальный” объём полости ГМ,

V_max – максимальный объём, образуемый при движении поршня,

d_ц – диаметр поршня,

D_б – диаметр делительной окружности блока цилиндров,

 - угол наклона оси выходного вала ГМ к оси вращения блока цилиндров.

Для t <60 Cost =1-(t )²/2. Подставив f(t)=k_ft и V(t) в последнее равенство, получим:

где:

Подставим функцию _с(r) для сверхкритического истечения в полость ГМ и выполним интегрирование левой и правой частей дифференциального уравнения в пределах 0…t и r_o…r_кр:

где:

• о тносительное начальное давление в полости цилиндра, равное относительному давлению выхлопа газа,

r_кр – относительное критическое давление в полости цилиндра.

Интегрируя правую и левую части, получим:

Преобразование полученного соотношения приводит к получению зависимости давления в полости блока цилиндров от времени для сверхкритического истечения газа в полость:

Для определения времени заполнения полости при сверхкритическом истечении следует в t_зc подставить относительный критический перепад давления

Для нахождения зависимости давления от времени при докритическом перепаде между входным давлением и относительном критическом перепаде давления необходимо комплекс _Д(r) подставить в исходное выражении. В результате имеем:

После интегрирования получаем:

откуда:

При подстановке r=1 получаем время заполнения полости при докритическом перепаде давления.

Полное, суммарное время заполнение полости ГМ находят сложением соответствующих времён при сверхкритическом и докритическом перепаде:

Лекция 5. Индикаторная диаграмма на участке расширения и выхлопа газа. Оценка пульсаций давления при совместной работе ТТГГ и ГМ.

Цикл опорожнения полости газового мотора после отсечки от отверстия впуска до подхода блока цилиндров к отверстию выхлопа происходит через кольцевой зазор, образуемый между полостью и двигающимся поршнем (рис.), при увеличивающемся, по мере поворота ГМ, объёме полости.



Рис.

Для полости с движущимся поршнем дифференциальное уравнение имеет вид:

где:

- проводимость кольцевого зазора; d_ц – диаметр поршня;  - кольцевой зазор в плунжерной паре, =(374+5,03Т)10^-12 Нс/см² – динамическая вязкость газа; l – длина плунжера.

Разделив переменные, произведём интегрирование в пределах Р_t…P_к:

где Р_t – текущее значение давления (Р_t<Р_к) или в безразмерном виде r= Р_t/Р_к.

Обозначив V_o/k_V+1=a>1, получим:

Откуда выражение для определения времени, при котором происходит опорожнение полости блока цилиндров, для случая истечения газа через ламинарный дроссель имеет вид:

Так как t - угол поворота блока цилиндров относительно распределителя газа является геометрическим размером, то подставив  в t_ОП, можно определить давление газа в полости ГМ к моменту выхлопа.

После окончания цикла расширения газа при его истечении через зазор наступает цикл выхлопа газа из полости в выхлопную магистраль (рис.).

Рис.

Так как угол, при котором опорожняется полость мал =t<14, то V(t)=Const и Cost=1, а объём полости представляет максимальное значение и вычисляется по соотношению:

Полагая r=Pвых/Рк=Const, имеем

Подставляя последнее равенство в характеристическое уравнение dG=(V/RT)dP_к, записываем следующее дифференциальное уравнение, описывающее процесс изменения давления в цикле выхлопа газа из ГМ:

Тогда уравнение истечения газа из полости газового мотора

имеет вид:

Для сверхкритического перепада давления, когда r_кр<0,5, дифференциальное уравнение имеет вид:

В пределах интегрирования t=0…t, r=1…r_кр время опорожнения вычисляется по выражению:

Для докритического перепада давления между полостью и магистралью выхлопа, когда r_кр>0,5, дифференциальное уравнение имеет вид:

Интегрирование правой части для произвольных «k» не производится. Проведём эту операцию для горячего газа k=1,25 и воздуха k=1,4.

Для горячего газа в пределах интегрирования 0…t и r_кр…r_o=1 время опорожнения определяется по выражению:

где:

Для воздуха в пределах интегрирования 0…t и r_кр…r_o=1 время опорожнения определяется по выражению:

где:

В ремя полного опорожнения полости :

Таким образом, построение индикаторной диаграммы давления в полости блока цилиндров состоит в припасовке соответствующих циклов диаграммы. Качественнная картина индикаторной диаграммы представлена на рис.

P

V

_ реальная диаграмма,

_ идеальная диаграмма.

Разница в площади идеальной и реальной диаграмм свидетельствует об эффективности, совершенстве газового цикла в газовом моторе.

Оценка влияния пульсаций давления, источником которой является вращающийся блок цилиндров, на работу ТТГГ.

Совместная работа ТТГГ и ГМ характеризуется наличием пульсаций давления на входе в газовый мотор за счёт отсечки отверстия впуска газа в полость ГМ от ТТГГ.

Считая, что основная часть газоприхода идёт на заполнение полости поршня (только 20…25% затрачивается на непроизводительные утечки) целесообразно рассмотреть влияние пульсаций давления в полости ГМ на работу ТТГГ.

Частота появления в просвете газовода переменных объёмов полостей цилиндров, а, следовательно, частота изменения расхода обусловлена скоростью вращения блока цилиндров в соответствии с механической характеристикой энергоблока ТТГГ-ГМ и может быть рассчитана по соотношению

г де:

z – число поршней блока цилиндров;

 - угловая скорость блока цилиндров.

Для наглядности представления расчётной методики оценки пульсаций целесообразно использовать расчётную схему, представленную на рис.



При выводе уравнений приняты следующие допущения:

• продукты сгорания твёрдого топлива подчиняются уравнению состояния для идеального газа;

• температура газа и перепад давления на фильтре постоянны.

У равнение сохранения массы для камеры сгорания 1 заряда имеет вид:

где V-свободный объём камеры сгорания заряда, Р₁-давление газа в камере сгорания, m_рас-массовый секундный расход газа.

Расход газа через фильтр 2 при докритическом перепаде давления между камерой сгорания и газоводом 3 (Р₂/Р₁>0,5) определяется выражением:

где ₁-площадь эффективного сечения, которое представляет собой фильтр, обеспечивающий перепад давления Р= Р₂-Р₁, давление Р₂-давление в газоводе.

После подстановки уравнение состояния будет иметь вид:

Дифференциальное уравнение нелинейно. Проведение линеаризации правой части в окрестности установившихся параметров Р₁₀, Р₂₀ разложением в ряд Тейлора и отбрасывание членов второго порядка малости даёт погрешность результата динамики процессов не превышающей 10…12%.

Линеаризация первого члена правой части приводит к результату в виде:

Линеаризацию второго члена следует провести по двум переменным Р₁ и Р₂, при этом:

где:

Подставив линеаризованные члены уравнения в уравнение расхода, получим линейное дифференциальное уравнение первого порядка для оценки давления в камере сгорания:

Используя преобразование Лапласа, получим передаточную функцию, как реакцию давления в камере сгорания на изменение давления в газоводе:

Для апериодического звена первого порядка амплитудно-частотная характеристика имеет вид:

График АЧХ представлен на рис. для следующих параметров: k=1,25; =0,5; u₁=0,03; =1,55*10^-3 кГ/см³; S=35,7 cм²; Р10=6 Мпа; Р20=5,5 МПа; ₁=0,232 см²; R=4000 кГсм/(кг*К); Т=1400 К; V=500 cм³; k₁=-0,62; k₂=-0,467.

А()

1,0

0,75

0,5

0,25

 [рад/с]

0 25 50 75 100

Из графика следует, что амплитуда колебаний давления в камере ТТГГ при возмущении в газоводе колебаний давления на частотах  близких к 0 составляет 0,77 изменения в газоводе. При увеличении частоты колебаний в газоводе в диапазоне 5…50 рад/с наблюдается падение коэффициента передачи колебаний до ~ 25%, а при рабочих частотах >100 рад/с ослабление коэффициента становится пренебрежимо мало.

Лекция 6. Исполнительные механизмы органов управления (рулевые машины).

Команда от системы управления в виде непрерывного тока (аналогового сигнала) или последовательности импульсов БЦВМ после преобразовательно-усилительных операций поступает на вход исполнительного механизма (ИМ).

ИМ преобразует, усиливает слаботочный сигнал управления от комплекса командных приборов летательного аппарата или непосредственно от пилота в пропорциональное перемещение или вращение выходного звена (штока, вала) рулевой машины (РМ). Шток, вал через кинематику или непосредственно передают движение органам управления, парируя возмущения или обеспечивая программное управление летательным аппаратом.

Сигнал от СУ приходит на вход электромеханического преобразователя (ЭМП) аналогового или импульсного типов:

А) поляризованного реле,

Б) шагового двигателя.

В ЭМП происходит преобразование величины тока или количества импульсов в пропорциональное движение выходного вала.

На валу ЭМП установлен регулирующий орган гидроусилителя, как правило, следующих видов:

А) дроссель гидроусилителя типа «сопло-заслонка»,

Б) золотник плоский или цилиндрический,

В) струйная трубка.

Гидроусилитель преобразует перемещение регулирующего органа в перепад давления на поршне силового цилиндра ИМ (РМ).

Под действием образовавшегося на поршне перепада давления совершается движение штока (вала). При движении происходит перемещение устройства отрицательной обратной связи (механического или электрического), вырабатывающего сигнал, пропорциональный командному сигналу, который суммируется со входным сигналом, обнуляя последний, и останавливает движение штока, образуя нулевой сигнал рассогласования. Шток (вал) и орган управления останавливаются в положении пропорциональном величине входного сигнала.

Поясним принцип работы РМ на двух схемах ИМ с поступательным и поворотным движением выходного звена.

А - А

Водило

T

А

А

В

В-В

Рвх

Последовательность импульсов поступает на вход в ШМ. Их число пропорционально углу отклонения летательного аппарата. Выходной вал ШМ поворачивается на угол пропорциональный входному сигналу, а полярность угла поворота определяется порядком коммутации обмоток ШМ. При неподвижной коронной шестерни с помощью сателлитов обеспечивается поворот водила и вместе с ним поворотной части, где выполнены прорези, плоского золотника относительно неподвижного отверстия, к которому подводится рабочая жидкость под давлением. Величину давления формирует источник питания за счёт настройки либо газового клапана в случае использования вытеснительного источника питания либо настройки гидравлического переливного клапана, установленного между магистралями высокого и низкого давлений.

В результате отклонения прорезей относительно отверстия подачи рабочей жидкости в одной из полостей образуется высокое давление, близкое к входному, а в другой – низкое давление, близкое по величине к сливному.

Под действием образовавшегося перепада давления Р=Р₁-Р₂ на поршне образуется сила , действующая в сторону, обеспечивающую возврат золотника в среднее положение относительно прорези подачи жидкости от источника питания.

Возврат золотника в исходное положение производится рейкой штока, поворачивающей , при неподвижной шестерни вала ШМ, коронную шестерню, а вместе с нею вращающиеся сателлиты через водило возвращают золотник в исходное положение. При этом поршень останавливается в положении соответствуюшему количеству поданных на ШМ импульсов, а направление движения определяется порядком распределения импульсов по обмоткам ШМ (рис.).

Прямая Обратная

В рассматриваемой рулевой машине коэффициент передачи от ШМ к золотнику составляет 360ШД 60ЗОЛ 25 мм штока.

В поворотной РМ реализована единичная отрицательная обратная связь по положению – угол поворота золотника равен углу поворота выходного вала (рис.).

Схема аналоговой РМ с электрической обратной связью.

Uвх

S

Uос

Рсл

ГРУ

Р₃

Р₄

Uос

Y

X

ГД – гидродвигатель,

ГРУ – гидрораспределитель, распределяет входной поток рабочей жидкости между полостями ГД,

ПСУ – преобразовательно-суммирующее устройство,

ПОС – потенциометр отрицательной обратной связи.

ЭМП – электромеханический преобразователь.

Принцип работы АРМ.

Исходное положение выходных координат элементов: U_вх=0; U_ос=0; U=0; I_у=0, h=0; Р=Р₁-Р₂=0; У=0; =0.

При подаче входного сигнала U_вх появляется сигнал ошибки U= U_вх- U_ос, что ведёт к появлению тока управления в обмотках ЭМП I_у=k_iU, что приводит к отклонению заслонки ЭМП h=k_эмп I_у.

Перемещение заслонки приводит к перемещению золотника x=k_гуh, при этом на поршне образуется разность давлений Р=Р₁-Р₂, под действием которой происходит движение штока Y, а вместе с ним и органа управления r.

Перемещение подвижной системы происходит до тех пор, пока сигнал отрицательной обратной связи не уравновесит входной сигнал, т.е. U= U_вх- U_ос=0. В этом случае все параметры приходят в исходное, нулевое положение, кроме входного сигнала U_вх, сигнала обратной связи U_ос и положения штока У и связанного с ним отклонения выходного вала привода . При этом будет выполняться условие Y=k_прU_вх.

Следует отметить, что это условие справедливо при отсутствии нагрузки на выходном валу привода. При наличии усилия сопротивления нагрузки на выходном валу указанное соответствие будет выполняться с некоторой ошибкой. Величина этой ошибки будет тем больше, чем больше момент сопротивления нагрузки.

Задача описания работы РМ заключается в описании связи перемещения золотника “x” с перемещением штока ГД «Y», т.е. с нахождением зависимости Y=f(x). Представленная ниже расчётная схема существенно облегчает решение этой задачи.

Рсл

x

Y

Pн

Q₃

Q₃

Исходными являются уравнения:

1. Неразрывности расходов через дросселирующие отверстия золотника,

2. Уравнения равновесия сил, приложенных к поршню или равновесия моментов на выходном валу привода.

Расход жидкости через дроссель.

Р₁

Р₂

Р₁=Р_н-Р₁ – потеря давления на входном дросселе,

Р_д=Р₁-Р₂ – перепад давления, создающий усилие на штоке,

Р₂=Р₂-Р_сл – потеря давления на выходном дросселе.

При допущении, что Р₁=Р₂=Р выполняется, равенство потерь на дросселях, имеем:

о ткуда

- это уравнение связывает потери давления на дросселе с перепадом давления на поршне.

Расход через дроссель определяется на основании уравнения Бернулли соотношением:

где:

Н агрузочная характеристика исполнительного механизма.

С учётом знаков перемещения золотника и перепада давления, имеем:

Нагрузочная характеристика показывает, как под действием нагрузки (Р_д) меняется расход через золотник. Видно, что при увеличении нагрузки – противодавления со стороны ГД расход уменьшается и может вовсе стать равным нулю, когда Р_д=Р_н.

Частным случаем нагрузочной характеристики является силовая и расходная характеристики – статические характеристики ГУ.

Расходная характеристика – зависимость расхода через золотник от перемещения золотника при нагрузке равной нулю Р_д=0. Эту характеристику также называют характеристикой холостого хода. Полагая Р_д=0, получим:

k_З – чувствительность золотника по расходу.

Расходная характеристика определяет скорость перемещения поршня ГД при отсутствии нагрузки на штоке в режиме холостого хода, поскольку

где

А_П – эффективная площадь поршня.

Силовая характеристика.

Силовой характеристикой называют зависимость перепада давления Р_д на поршне от положения золотника при Q_З=0:

Р_д=Р_нSignx

График силовой характеристики показывает, что перепад давления на поршне меняется практически скачком при изменении знака перемещения золотника.

ЛЕКЦИЯ 7. Уравнение движения линеаризованного дроссельного гидравлического привода.

Для составления дифференциальных уравнений движения ДГП используем линеаризованную расходную характеристику по двум переменным параметрам «х» и «Р_д»:

г де:

k_qx, k_qP – частные производные расхода Q_З по соответствующим переменным параметрам, вычисленным в точке x=0; Q_З=0.

Уравнения движения линеаризованного ДГП основываются на двух постулатах:

• балансе расходов жидкости,

• балансе моментов на валу (штоке) привода.

Расход в золотнике идёт на компенсацию расхода пропорционального скорости поршня Q_д и расхода, идущего на компенсацию сжимаемости жидкости за вычетом расхода утечек Q_ут=rP_д:

Скорость поршня связана с расходом:

Уравнение баланса расхода:

где:

V_ТР- объём соединительных каналов между ГР и ГД.

Для каждой из ветвей гидроусилителя:

Учитывая, что Р_д=Р₁-Р₂, можно записать:

Тогда уравнение расходов примет вид:

Уравнение сил или моментов имеет вид:

где:

k_Ш-коэффициент шарнирного момента,

А_П-эффективная площадь поршня,

l-длина рычага кинематической передачи от штока к органу управления,

М_Т-амплитудное значение момента трения.

Линеаризованная структурная схема привода имеет вид:

После преобразований структурная схема ДГП имеет вид:

Где:

постоянная времени темпа нарастания перепада давления Р_д в полости силового цилиндра ГД.

Структурная схема силового ДГП при k_Ш=0 и k_ВТ=0.

Представленный случай предполагает наличие в составе нагрузок только инерционную составляющую, характерную для управления положением маршевого двигателя или поворотного сопла, имеющих достаточно большую массу.

Сворачивая внутренний контур, получим передаточную функцию внутреннего контура: