5.4.2. Гидроусилители

По функциональной схеме (рис. 5.45) гидроусилитель (ГУ) электрогидравлического следящего привода, воспринимая и усили­ вая сигналы электромеханического преобразователя (ЭМП), обес­ печивает управление исполнительным гидродвигателем (ИД).

Основными признаками классификации гидроусилителей яв­ ляются:

-способ управления потоком жидкости - с дроссельным и струйным управлением;

-наличие или отсутствие обратной связи от управляемого элемента гидроусилителя (как правило, золотник) к управляющему элементу (золотник, заслонка, струйная трубка и т. д.). Здесь име­ ется в виду обратная связь, предусмотренная конструкцией гидро­ усилителя, а не те внутренние обратные связи, которые выделяют­ ся в структурной схеме и отражают реактивное воздействие потока жидкости на управляющие элементы.

На рис. 5.9-5.13 штриховыми контурами показаны наиболее распространенные схемы гидроусилителей.

Статические характеристики гидроусилителей, как и любых других звеньев автоматического регулирования, выражают зависи­ мость установившихся значений между входными и выходными величинами.

Входной величиной У гидроусилителя является перемещение hy управляющего золотника, заслонки и струйной трубки. За вы­ ходную величину принимают либо перемещение управляемого зо­ лотника х3, либо расход жидкости 0з, направляемый к другому бо­ лее мощному гидроусилителю или к исполнительному гидродвига­ телю. Так как расход 0з жидкости на выходе гидроусилителя зависит от нагрузки на подключенные к нему устройства, то удоб­

нее за выходную величину прини­ мать перемещение х3 управляемого золотника. Для ненагруженного гидроуселителя за выходную величину может быть принят расход жидко­ сти 0 3.

ния осциллирующего движения золотника с большой частотой и малой амплитудой, а также значительного изменения давлений в полостях А и Б (рис. 5.9-5.12) при малых смещениях управляющих элементов. Это позволяет существенно уменьшить зону нечувстви­ тельности (показана на рис. 5.56 штриховой линией).

Динамические характеристики гидроусилителей находятся по передаточным функциям, которые можно получить из составлен­ ной системы уравнений, описывающей рабочий процесс того или иного гидроусилителя. Обычно в эту систему уравнений включают:

1)уравнение линеаризованной расходно-перепадной характе­ ристики управляющего элемента;

2)уравнение неразрывности с учетом сжимаемости жидкости;

3)уравнение движения управляемого золотника:

4)уравнения обратных связей (если эти связи предусмотрены в конструкции гидроусилителя).

Предлагается рассмотреть вывод передаточной функции гид­ роусилителя, схема которого показана на рис. 5.9 и 5.57.

ЭМП

Рис. 5.57. Гидроусилитель

• Уравнение линеаризованной расходно-перепадной характери­ стики представляется в виде:

Kh - коэффициент передачи, характеризующий измене­ ние управляющего расхода при смещении заслонки от нейтрального положения;

h- отклонение заслонки (управляющего элемента) от нейтрального положения;

К- крутизна расходно-перепадной характеристики

управляющего элемента; Р = Р - р - разность управляющих давлений в полостях А и Б

гидроусилителя.

Коэффициенты Kh и Кр находятся [13] по графикам функций

„ —

Можно также эти коэффициенты вычислить из рассмотрения баланса расходов через гидравлический мост (рис. 5.57, б), диаго­ нали которого образованы нагрузкой (нагруженный пружинами зо­ лотник) и источником питания.

Рис. 5.58. Графики расхода жидкости:

а - при hy = 0; б - при Ру = 0

Для левой полости гидроусилителя можно записать:

сопло; р.др и |хс - коэффициенты расходов дросселя и сопла (ориенти­

ровочно р др = 0,75-0,8; |!с= 0,65-0,7);

/- площадь проходного сечения дросселя;

dc и йд - диаметр сопла и величина зазора между торцем соп­ ла и заслонкой при нейтральном ее положении (ориентировочно йо =0,ldc);

Рщ и РЬ1 - давления в питающей магистрали гидравлического

• Уравнение неразрывности с учетом сжимаемости жидкости в общем виде можно записать:

dx,

О у - Р г - ^ + Осш,

(5.81)

где F3 - площадь торца золотника;

*3 - перемещение золотника;

Q- составляющая расхода Qv, обусловленная сжимаемостью жидкости.

0 - угол между осью золотника и вектором скорости потока жидкости, протекающей через окно золотника;

\i3 - коэффициент расхода ( |1 3 = 0,7-0,75).

Уравнения (5.75, 5.84, 5.85) описывают линейную модель гид­ роусилителя с управляющим элементом типа сопло-заслонка и с золотником, нагруженным пружинами. С отдельными изменения­ ми эти уравнения могут быть применимы и к другим гидроусили­ телям. В целом данным уравнениям соответствует характеристиче­ ское уравнение третьего порядка, что указывает на возможную не­ устойчивость гидроусилителей. Если положить, что объемы Vv, масса Мз и трение относительно малы (равны нулю), то после пре­ образования уравнений по Лапласу и решения их относительно вы­ ходного х3(/?) и входного h (р) параметров находится переда­

"2*,(С„ +СГ1)

Для других типов гидроусилителей передаточные функции имеют такой же вид, если допущения идентичны.

5.4.3. Структурная схема электрогидроусилителя

Электрогидроусилитель (ЭГУ) представляет собой устройство, объединяющее электромеханический преобразователь (ЭМП) и гидроусилитель (ГУ). В этом устройстве управляемым элементом ЭМП является управляющий элемент ГУ.

Статические характеристики ЭГУ как отдельных агрегатов да­ ются в виде зависимости пропускаемого золотником расхода ( 2 з жидкости от тока управления, подводимого к ЭМП. Эта зависи­ мость в большинстве случаев близка к линейной; нечувстви­ тельность ЭГУ к изменению тока управления обычно не превыша­ ет 1-2 %. Коэффициенты усиления по мощности ЭГУ, определяе­ мые отношением мощности потока жидкости через золотник при максимальном токе управления к электрической мощности управ­ ления, могут равняться 10000-20000 и более.

Общие черты и различия в динамических характеристиках ЭГУ можно установить по их структурным схемам.

Для примера необходимо составить структурную схему ЭГУ, представленного на рис. 5.57, используя уравнение (5.73) ЭМП, в котором значение М н определяется приложенной к заслонке гид­ родинамической силой Ргд. При расстоянии / от центра вращения заслонки до оси сопл М н = Ргд • /

Величина Ргд, благодаря малой величине зазоров между соп­

лами и заслонкой, вычисляется по управляющим давлениям в по­ лостях А и Б гидроусилителя:

где b - поправочный коэффициент (Ь= 1,03-1,06); Fc - площадь проходного сечения сопла. Учитывая, что Ру — Р - P>s , получается

(5.87) Управляющий перепад Ру давлений, пренебрегая массой пц

золотника и трением, находится по уравнению:

(5.88)

или Ру = Крххз .

Учитывая эти соотношения, уравнение (5.73) приводится к виду:

При малых углах поворота заслонки h ~1-ц>я , поэтому переда­ точную функцию гидроусилителя (5.86) можно записать в таком виде:

откуда

(5.90)

где ^ = ^ 1

Рис. 5.59. Структурная схема гидроусилителя

Наконец, по уравнениям (5.89) и (5.90) составляется структур­ ная схема данного гидроусилителя (рис. 5.59).

Необходимо заметить, что, несмотря на отсутствие обратной связи в конструкции усилителя, его структурная схема содержит замкнутый контур. Это объясняется действием на заслонку гидро­ динамической силы Ргд, которая зависит от разности управляющих давлений, в свою очередь, определяющей положение нагруженного пружинами золотника, вследствие чего в гидроусилителе возникает внутренняя (собственная) отрицательная обратная связь от золот­ ника к заслонке.

Прямая цепь структурной схемы ЭГУ состоит из последова­ тельно включенных колебательного и апериодического звеньев. В целом структурной схеме соответствует характеристическое уравнение третьего порядка, что указывает также на возможную неустойчивость гидроусилителя. Правильным подбором парамет­ ров ЛГдф, ЛГф и Крх можно обеспечить устойчивость ЭГУ [13].

Когда условия устойчивости ЭГУ вьполняются, и постоянные времени Тя и I ^ оказываются значительно меньше постоянных времени управляемых усилителем устройств (другого гидроусили­ теля или исполнительного гидродвигателя), можно структурную схему заменить одним пропорциональным звеном с коэффициен­ том усиления:

"1 + K ^ K WKPX

5.4.4.Стуктурная схема электрогидропривода с дроссельным регулированием

Электрогидравлические следящие приводы с дроссельным ре­ гулированием могут различаться по типу исполнительного гидро­ двигателя, по числу ступеней усиления сигналов управления, по типу ЭГУ, по наличию или отсутствию корректирующих элемен­ тов и дополнительных обратных связей.

ометра обратной связи, пропорционален смещению У выходного звена гидроцилиндра. Сравнение сигнала управления мвх с сигна­

лом обратной связи иос осуществляется на входе электронного

(предварительного) усилителя, который представлен в структурной схеме (рис. 5.60) пропорциональным звеном с коэффициентом уси­

ления Кус. Коэффициент Kiu = — в структурной схеме учитывает

Ry

переход от напряжения U к току управления / , где Ry - омиче­

ское сопротивление управляющей цепи электромеханического пре­ образователя (ЭМП). Как видно, данный следящий электрогидро­ привод представляет собой систему автоматического регулирова­ ния с характеристическим уравнением шестого порядка, что свидетельствует о возможной неустойчивости привода. При до­ полнительных условиях структурную схему можно упростить. Наиболее существенно схема упрощается, когда постоянные вре­ мени Тя и Т оказываются значительно меньше постоянных вре­

мени Тг и Гц . В этом случае структурная схема привода приводит­

ся к схеме, показанной на рис. 5.62.

Рис. 5.62. Упрощенная структурная схема ЭГП

Коэффициент передачи Кхи пропорционального звена прямой цепи в такой структурной схеме определяется соотношением:

турная схема еще больше упрощается (рис. 5.63).

Рис. 5.63. Структурная схема ЭГП с ненагруженным гидроцилиндром

5.4.5. Порядок расчета электрогидропривода с дроссельным ре­ гулированием

Для расчета любого электрогидропривода можно наметить три основных этапа: определение основных размеров элементов приво­ да; расчет статических характеристик привода; расчет динамиче­ ских характеристик привода. Предлагается рассмотреть расчет для электрогидропривода, показанного на рис. 5.9.

Для определения основных размеров элементов привода пред­ ставлен следующий порядок расчета: определение размеров сило­ вого исполнительного гидроцилиндра; определение размеров зо­ лотника и подбор его пружин; расчет гидравлического моста.

К основным размерам гидроцилиндра относятся его внутрен­ ний диаметр Dn, диаметр штока dmi и его полный ход 2Утах.

[с]р = — стт = (1,3 -1,5) • 103МПа - предел прочности стали;

п ~ 3 - коэффициент запаса прочности.

Необходимо также произвести проверку устойчивости штока по Эйлеру:

Рабочая площадь гидроцилиндра определяется выражением:

Полный ход штока 2Утах либо определяется конструктивно,

либо задается, исходя из условий компоновки.

К основным размерам золотника относятся его диаметр d3, максимальное перемещение Х 3 от нейтрали и суммарная ширина

Ьок окон втулки, открываемой кромкой золотника. Золотник должен пропускать максимальный расход жидкости Q3 , соответствую­

щий максимальной Vmax скорости холостого хода штока (ненагру-

женный гидроцилиндр) при максимальном смещении золотника

лр3. IP, -Р е

При этом предварительно можно задаться КП~ 0,5 .

Учитывая рекомендации, связанные с конструкцией и техноло­

ким образом, чтобы выполнялось соотношение (5.97). Определив d„ определяют площадь торца золотника:

Для обеспечения линейности статических характеристик ЭГУ

рпо выражению (5.99) и, наконец, риу по выражению

Рг

при этом должно выполняться условие рп > р .

Расчет основных геометрических параметров гидравлического моста производится по допускаемому расходу 2Qc жидкости, про­ текающей через два сопла при нейтральном положении заслонки, при этом

2&=<х-бз (5102)

L •'max

Коэффициент а задается примерно а = 0,05 -0,1.

С другой стороны, в рассматриваемом случае расход жидкости из условия равенства перепадов давления в дросселе и сопле опре­

ражению (5.104) определяется dc, а затем площадь Fc проходного сечения сопла.

Далее из равенства проводимостей плечевого дросселя и сопла

Определив из выражения (5.105) величину / , определяют

/4 Л/.

диаметр плечевого дросселя с/др = — — Диаметр входного дрос-

п

селя гидравлического моста определяется из выражения:

Из условия незасоряемости и влияния облитерации дросселей целесообразно принимать диаметр дросселей не менее 0,1—0,2 мм.

Для расчета статических характеристик привода необходимо знать характеристики ЭМП. При выборе ЭМП следует выполнять

где / - расстояние от центра поворота заслонки до оси сопл; b = (1,03 -1,06) - поправочный коэффициент.

Ориентировочные значения / лежат в пределах 10-20 мм. Выбрав типовой ЭМП по каталогу и зная его характеристики,

варьируют величиной /, при этом изменяется Мн > и фя^ . Необхо­

димо обеспечить условие, чтобы рабочая точка (точка А, рис. 5 55, б), располагалась на моментной характеристике ЭМП, соответствующей i

Далее можно получить коэффиценты:

Задаваясь рядом значений h, определяется по выражениям (5.100) и (5.101) р у р у и Лу, Мн - по выражению (5.87), ф„ -п о

F3Pr

выражению фя = -у-, х3 - по выражению х3 = ^

Результаты расчета рекомендуется сводить в таблицы.

Наложив нагрузочную характеристику Мн = /( ф я) на внеш­

нюю моментную характеристику Мя = /(/,.,Фя), по точкам пересе­

чения (рис. 5.55, б) отыскивается зависимость фя = /(/,.), то есть

статические характеристики привода

этого анализа, далее будет рас­ смотрена только первоочередная задача - обеспечение устойчиво­ сти следящего электрогидропривода.

Итак, устойчивость отдельных контуров и в целом электрогид­ ропривода можно определить построением соответствующих лога­ рифмических частотных характеристик L (со) и ср/; (со) [22]. Струк­

турная схема (рис. 5.60) состоит из типовых звеньев и включает: пропорциональные звенья, часть которых образуется внутренней и внешней обратными связями, колебательное звено (ЭМП), аперио­ дическое звено (ГУ), интегрирующее и колебательное звенья (нагруженный гидроцилиндр).

У пропорциональных звеньев передача сигнала от входа к вы­ ходу происходит без сдвига фаз, причем отношение амплитуд вы­ ходной и входной величин сохраняется постоянным и равным ко­

эффициенту передачи К при всех частотах, то есть Lp(со) = 20lg К

тойчивости контура необходимо обеспечить запасы устойчивости по амплитуде и по фазе ср^,. Запас по амплитуде опреде­

ляется значением Lp(со) в дБ при срл (со) = - л , а запас по фазе срмп

определяется углом, на который срл (со) не доходит до значения -п

при со = соср, где соср - частота, при которой Lp(со) = 0, то есть

Lp(co) пересекает ось частот. Рекомендуемые значения запасов по

фазе лежат в пределах 30-40°, а запас по амплитуде должен со­ ставлять 6-8 дБ.

Если контур ЭГУ оказывается неустойчивым, следует, изме­ нив параметры гидроусилителя, обеспечить устойчивость этого контура.

Если устойчивость выполняется, то для дальнейшего анализа необходимо находить вначале логарифмические характеристики замкнутого внутреннего контура, используя номограмму замыка­ ния (см. рис. 1.38). Номограмма замыкания составлена для систем с единичной обратной связью по известным выражениям [4]:

4, и

Результаты вычислений по номограмме позволяют построить все необходимые характеристики.

На рис. 5.66 приведены логарифмические частотные характе­ ристики замкнутого внутреннего контура ЭГУ и смещение оси ча­ стот при переходе от единичной обратной связи к действительной с коэффициентом Кц>р • Крх,

После того как получены логарифмические частотные характе­ ристики замкнутого контура ЭГУ, строятся логарифмические ха­ рактеристики цепи, выделенной на структурной схеме привода штриховой линией (рис. 5.60). Это построение осуществляется графи­ ческим сложением характеристик замкнутого внутреннего контура (рис. 5.66) ЭГУ с соответствующими характеристиками (рис. 5.65) интегрирующего (Тг) и колебательного (7ц) звеньев, которыми в структурной схеме представлен нагруженный гидроцилиндр. Ре­ зультаты сложения характеристик представлены на рис. 5.67.

контура привода. Эти характеристики будут, естественно, зависеть от коэффициентов КПЖ, Кы, . Поэтому на характеристиках

(рис. 5.67) вводится смещение оси частот параллельно самой себе так, чтобы получался запас по амплитуде около (-6 дБ) при запасе

= 201gATIK)CAfjrcAfI„Ar(pi , определенную из условия запасов устойчи­

вости электорогидропривода.

Г л а в а 6

РАСЧЕТ МЕХАН И З МОВ В Е Р Т И К А Л Ь Н О Г О И Г О Р И З О Н Т А Л Ь Н О Г О НАВЕДЕНИЯ

Важнейшим звеном в механизме стабилизации является его ко­ нечный элемент, обеспечивающий поставленную задачу, это меха­ низм вертикального (горизонтального) наведения. К редукторам ме­ ханизмов наведения предъявляются следующие основные требования:

-обеспечение заданных углов наведения. Так, для танковых и противотанковых пушек угол вертикального наведения обычно со­ ставляет 0,35...0,44 рад, для зенитных - до 0,96 рад. Наведение в горизонтальной плоскости желательно круговое;

-обеспечение необходимой скорости наведения. Зависит от мощности двигателя и моментов сопротивления вращению качаю­ щейся части (башни). Кроме того, должна обеспечиваться перебросочная скорость (без слежения за целью). Для малокалиберной ар­ тиллерии скорость наведения рекомендуется до 2 рад/с и более;

-несбиваемость наводки. Для надежного обеспечения несбиваемости наводки в редукторы вводятся самотормозящие пары (винтовая пара, червячная пара). В гидравлических подъемных ме­ ханизмах для самоторможения могут применяться гидрозамки;

-прочность. Обеспечивается при проектировании рациональ­ ным выбором конструктивной схемы, правильным определением действующих нагрузок, а также возникающих при этом напряже­ ний в деталях механизма и выбором соответствующих материалов, установкой сдающих звеньев;

-компактность. Выполнения требования позволяет минимизи­ ровать размеры боевых отделений артиллерийских установок. Обе­ спечивается выбором схемы механизмов наведения и передач (чер­ вячных, планетарных и т. п.);

-надежность работы в различных климатических условиях и в интервале температур ±50 °С;

-отсутствие люфтов при слежении за целью. В связи с этим в механизмы наведения вводятся люфтовыбирающие устройства;

-удобство в эксплуатации. Обеспечивается рациональным размещением маховиков относительно прицела, соответствующи­