8 Проектирование рулевой машины

Схема устройства электрогидравлического исполнительного устройства показана на рисунке ХХ. Обозначения на рисунке:

ЭМ – пропорциональный электромагнит.

З – заслонка.

С1, С2 – сопла.

Д1, Д2, Д3 – дроссели постоянного расхода.

СЦ – силовой цилиндр (бустер).

U_у – управляющее напряжение.

Принцип работы электро – гидравлической рулевой машины следующий:

При отсутствии управляющего напряжения схема полностью симметрична, и шейки поршня золотника закрывают отверстия, сообщающие полости золотникового распределителя с левой и правой полостями силового цилиндра. Жидкость в полостях силового цилиндра оказывается запертой и в силу её несжимаемости, поршень СЦ сохраняет своё положение независимо от величины нагрузки (силы), приложенной к штоку СЦ. Через серьгу шток кинематически соединяется с рулевой поверхностью ЛА. Поскольку движение поршня оказывается, пока что, невозможным при любой нагрузке, то такую машину называют самотормозящейся.

При подаче управляющего напряжения на пропорциональный электрический магнит, заслонка смещается относительно своего начального положения. Величина смещения прямо пропорциональна величине управляющего напряжения. Гидравлическая жидкость из напорной магистрали поступает по каналу во внутреннюю полость золотникового распределителя и через дроссель Д3 – в гидроусилитель. Д3 – дроссель постоянного расхода для уменьшения давления до уровня, который принимается в качестве рабочего для гидроусилителя.

Через дроссели Д1 и Д2 жидкость поступает в левую и правую полости гидроусилителя, далее эта жидкость разветвляется и одна её составляющая действует на контр-поршень золотника, а другая через сопла С1 и С2 сливается в магистраль слива.

Когда напряжение управления нулевое, и заслонка в срединном положении, проводимость сопел одинакова. Через Д1 и Д2 проходит одинаковое количество жидкости, и она сливается через С1 и С2. В результате давления p₃ и p₄ будут одинаковы, и значит, на контр поршни будут действовать равные по величине, но противоположные по направлению силы. Поршень золотника неподвижен.

Если под действием напряжения управления заслонка перемещается, то гидравлические проводимости сопел С1 и С2 изменяются. Для одного сопла она увеличивается, а для другого уменьшается. Равновесие между p₃ и p₄ нарушается: одно из них возрастает, а другое уменьшается. Под влиянием разности давлений на контр-поршни золотника действует сила, которая заставляет перемещаться поршень золотника в одну или в другую сторону. Это перемещение длится до тех пор, пока сила действующая на золотник не будет уравновешена силой возвратных пружин. Смещение поршня золотника пропорционально управляющему напряжению. При смещении поршня золотника открываются отверстия, связывающие полости золотникового распределителя с полостями силового цилиндра. При этом для оной полости открывается доступ к питающей магистрали, а для другой – к магистрали слива. Образуется разность давлений в полостях силового цилиндра и из-за неё начинает перемещаться поршень силового цилиндра. Чем больше открыты отверстия в силовом цилиндре, тем большее количество жидкости поступает в полость силового цилиндр, равно как из другой вытекает. Это приводит к тому, что поршень силового цилиндра будет перемещаться с большей скоростью. В итоге поршень СЦ будет перемещаться со скоростью, которая пропорциональна входному управляющему сигналу. Значит, математически работу электрогидравлического агрегата (рулевой машины) можно описать интегрирующим звеном.

Рисунок ХХ – Рулевая машина.

8.1 Проектирование силового цилиндра

Максимальный шарнирный момент:

.

, см. Можно определить: .

Рисунок ХХ – К определению параметров силового цилиндра (поворот руля силовым цилиндром).

Вычисляется максимальное значение из всех возможных. Значение коэффициента шарнирного момента зависит от режима полёта (скорости полёта).

Ход и скорость хода поршня силового цилиндра:

,

,

, .

Длина силового цилиндра:

,

где: L – длина силового цилиндра; h – толщина поршня силового цилиндра, заданна в пределах 8 ÷ 10 мм.

Эффективная площадь силового цилиндра:

.

где: d_Ш - диаметр штока; D_П - диаметр поршня.

Для уменьшения нелинейности силового цилиндра расчётное значение эффективной площади увеличивается до :

.

Т.е. далее за эффективную площадь теперь принимается .

.

Откуда можно выразить диаметр поршня:

.

Максимальная сила нагрузки: ; , давление слива считается . ; - коэффициент редуктора питания гидравлической системы.

Эффективная площадь вычисляется по формуле:

.

Диаметр штока рассчитывается исходя из его прочности на растяжение и устойчивости на сжатие:

; Коэффициент запаса ; ; .

Отсюда диаметр штока:

.

Рекомендуемые диаметры штоков (исходя из опыта их проектирования):

Диаметры сплошных штоков .

Диаметры полых штоков .

Вычисление хода и скорости хода поршня:

Выбрано .

,

.

Толщина поршня силового цилиндра .

Длина силового цилиндра:

,

,

.

Максимальный момент нагрузки:

.

Максимальная сила нагрузки:

.

Диаметр штока:

Выбрано ; ,

.

Выбирается диаметр штока в соответствии с рекомендованными диаметрами .

Давление питания:

.

Эффективная площадь:

Выбрано .

.

Диаметр поршня:

.

8.2 Проектирование золотникового распределителя

Нужно определить:

1. Диаметр поршня и штока золотника.

2. Ход поршня золотника.

3. Параметры отверстий золотника.

4. Силы, действующие на поршень золотника.

5. Параметры золотника.

Пусть a и b – ширина и высота окна золотникового распределителя. Выбрано окно прямоугольной формы несмотря на сложность его изготовления, его характеристики линейны. Площадь окна золотникового распределителя: . Площадь открытой части окна

Существует требование, согласно которому . Пусть , . Площадь .

Согласно условию неразрывности в гидравлической системе:

.

Где: V – скорость течения жидкости через окно золотникового распределителя.

Согласно теореме Бернулли:

,

где: p_сл – давление слива (принимается приближённо равным нулю); p₁ – давление в полости силового цилиндра, соединённой с магистралью слива; μ = 0.85 – коэффициент расхода.

Из этого уравнения выражается скорость: . Подставив эту формулу в уравнение неразрывности:

.

Для другой полости аналогично можно записать:

.

Где p₂ – давление во второй половине силового цилиндра.

Возведя оба выражения в квадрат и просуммировав:

.

Используя уже известные соотношения:

.

Таким образом:

.

Величина является расходом, т.е. .

Перепад давления можно определить через нагрузку на руле, или связать с углом отклонения руля: .

Для определения параметров золотникового отверстия:

,

, откуда:

.

Подставив значения:

.

Изготовление отверстий с такой точностью может оказаться технологически очень трудно. Пусть

.

Площадь рабочего окна золотникового распределителя:

Рабочая площадь поршня золотникового распределителя:

, вводя величину , . Выбрано значение , т.е. .

Допустимая скорость течения жидкости: , где Q_max – максимальный расход гидравлической жидкости через рабочее окно золотникового распределителя.

Тогда:

, откуда:

.

Рекомендуемые значения .

Допустимая скорость течения . Выбрано .

Максимальный расход гидравлической жидкости:

Расход гидравлической жидкости через левое окно. Расход гидравлической жидкости через правое окно.

Где: - гидравлические проводимости окон золотникового гидрораспределителя; p_л = p₁, p_Пр = p₂.

Гидравлические проводимости обоих окон принимаются равными .

Если принять, что жидкость несжимаемая, нет потерь, то расходы через оба окна одинаковы . Возведя значения расходов в квадрат и сложив их:

, учитывая что p_сл = 0; :

,

,

Диаметр поршня золотника:

, что не попадает в диапазон рекомендуемых значений. Задаётся .

Диаметр штока золотника: .

Коэффициент полезного действия (КПД):

,

Где: ,

,

.

На рисунке ХХ показан график зависимости КПД от изменения давления.

Рисунок ХХ – График зависимости КПД от изменения давления.

Силы, действующие на поршень золотника:

1 Инерционные силы.

2 Силы трения (вязкого и сухого).

3 Облитерационные силы.

4 Гидродинамические силы.

5 Силы возвратных пружин.

Инерционные силы связаны с малой массой золотника, она мала. Этими силами, обычно, пренебрегают.

Силой сухого трения пренебрегают т.к. движение поршня золотника происходит в жидкости.

Силы вязкого трения рассматривают, когда рассматривают динамику золотникового распределителя. Её длительность мала. Димакой золотникового распределителя пренебрегаем, соответственно – пренебрегаем силами вязкого трения.

Облитерационные силы – силы молекулярного прилипания золотника к гильзе. Эти силы нестабильны и практически не поддаются расчётам, их учитывают одним из способов.

Действуют две гидродинамические силы:

1. реактивная сила струи, вытекающей из полости распределителя в магистраль слива ,

- массовый расход; ; Θ – направление вытекающей струи; S₀ – площадь открытой части регулировочного отверстия .

.

2. сила соударения втекающей струи из опорной магистрали с элементами

конструкции поршня золотника , где: n – коэффициент гидродинамического сопротивления, зависит от концентрации жидкости; - скоростной напор.

.

Сумма гидродинамических сил .

.

Расход связан с перемещением золотника (приближённо, не рассматривая детально процессы во времени): , где .

Перепад давлений зависит от нагрузки на руле, величины отклонения руля, но не от перемещения золотника.

График зависимости гидродинамической силы от перемещения золотника показан ниже.

Рисунок ХХ – Зависимость гидродинамической силы от перемещения золотника, кривые представлены для разных значений перепадов давления.

Суммарная гидродинамическая сила пропорциональна ходу золотника и достигает максимального значения, когда окно золотникового распределителя открыто полностью, т.е. X_З = a, перепад давления достигает максимально возможного значения – давление питания. Максимальная гидродинамическая сила

Сила возвратных пружин: , где , обычно делают так, что .

Пусть , . Жёсткость пружины

8.3 Расчёт гидроусилителя сопло – заслонка

В реальных конструкциях сопла – заслонки диаметр сопла . Пусть: . Диаметр сопла связан с начальным зазором между соплом и заслонкой h₀ следующим соотношением: , откуда ; .

Площадь дросселирующей щели в срединном положении заслонки: .

Рисунок ХХ – Схема гидравлического усилителя сопло – заслонка.

Рисунок ХХ – Расчётная схема гидравлического моста.

Гидравлические проводимости для срединного и отклонённого положений заслонки:

, ,

, . Как правило: S_C >> S_K d_С >> 4h.

Следовательно, h<<0.25d_C.

Два сопла и два дросселя образуют гидравлический мост. Для определения рабочего диапазона перемещений золотника строится регулировочная характеристика гидроусилителя. Для этого используется расчетная схема, представленная на рисунке ХХ.

Для этой схемы, проводимости:

,

,

где: .

Принимается: . Расходы:

Когда поршень золотникового распределителя неподвижен, расход жидкости в диагонали будет равен нулю, и, значит, расходы ; ; . Тогда:

;

.

Учитывая, что :

. Откуда:

Обозначено: .

.

На поршень золотника действует . Причём, каждое из фигурирующих в формуле величин является нелинейной функцией от . Можно записать для окрестности точки :

.

Через обозначена чувствительность преобразователя (крутизна его статической характеристики). Этот коэффициент можно определить:

.

И для , .

.

Чувствительность гидроусилителя зависит от α. Требуется определить значение α, которому соответствует максимальная чувствительность гидроусилителя. Чувствительность гидроусилителя максимальна когда, .

; .

Из полученных решений подходит . Максимальное значение чувствительности гидроусилителя . Знак «-» говорит о наклоне характеристики. На рисунке ХХ представлены графики характеристик для определения рабочей зоны гидроусилителя.

Нужно вычислить . Края рабочей зоны определяет значение . Ему соответствует .

Рисунок ХХ - Зависимость давлений от .

Рисунок ХХ - Зависимость величины от . Пунктиром отмечен уровень в 1%.

Рисунок ХХ – Определение рабочей зоны.

Рабочая зона ограничена значениями Пользуясь этой величиной можно вычислить: , .

.

На обозначенном пределе образуется управляющая сила: . Где: S_З – площадь поршня золотника. . C_ПР – жёсткость пружин; C_ГД – гидравлическая жёсткость; C – суммарная жёсткость.

, . Давление питания гидроусилителя . С другой стороны: , .