6.5. Исполнительные двигатели

ИД через редуктор обеспечивает поворот ААО на подвижной ААУ по одному каналу управления наводкой ААО. Он должен обеспечивать непрерывное отслеживание ААО за ВУ в условиях переменной угловой скорости движения ВУ, которая в процессе атаки цели может изменяться в широких пределах. При этом необходимо обеспечивать заданную точность наводки ААО на цель, т.е. весь СлПр должен быть быстродействующим. Таким образом, ИД работает преимущественно в условиях переходного неустановившегося режима, который для него является основным.

Кроме того, ИД должен обеспечивать достаточно быструю переброску ААО из одного положения в другое.

Другой особенностью работы ИД подвижной ААУ является непостоянство внешних усилий, преодолеваемые им. При этом во всех случаях необходимо, чтобы скорость движения ААО мало зависела от величины и направления внешних усилий. Для обеспечения этого требования ИД должен обладать достаточно жесткой механической характеристикой.

Упругая деформация силовых элементов СлПр (зубчатого сектора, шестерен редуктора, валов и др.), люфты и не абсолютно жесткая механическая характеристика ИД увеличивают техническое рассеивание снарядов ААО на подвижных ААУ. При этом техническое рассеивание снарядов должно оставаться в допустимых пределах.

Отметим здесь, что в СУНО применяются высокооборотные ИД, которые в совокупности с силовыми редукторами позволяют получать устройства с минимальными совокупной массой и габаритами.

ИД вместе с силовым редуктором подвергаются воздействию сильных вибраций, связанных со стрельбой из ААО. Однако и в таких тяжелых условиях ИД должны обеспечивать надежное действие и сохранение основных характеристик, т.е. должны обладать достаточной вибропрочностью и виброустойчивостью.

Как отмечалось (см. гл.5) в следящих приводах СУНО подвижных ААУ в качестве ИД используются: в электрических СлПр - электродвигатели постоянного тока, в электрогидравлических СлПр - гидродвигатели. Как элементы систем автоматического регулирования ИД являются интеграторами, но не идеальными. Им в разной степени присущи инерционные свойства, которые оказывают влияние прежде всего на динамические и точностные характеристики СлПр. При составлении математических моделей СлПр необходимо знание передаточных функций ИД, отражающие их динамические свойства.

Электрические исполнительные двигатели. В электрических СлПр в качестве ИД применяются электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением (рисунок 6.9). Такие двигатели имеют хорошие регулировочные свойства, относительно малые значения постоянных времени, несложную систему управления и просты конструкивно.

На рисунке 6.9 показана схема ИЭД постоянного тока со щеточным коллектором, через который управляющее напряжение подводится к обмоткам якоря, Магнитный поток создается обмоткой возбуждения (ОВ), расположенной на полюсах статора.

ИЭД имеет в своей конструкции электромагнитную муфту торможения (ЭММТ). ЭММТ призвана блокировать вращение якоря ИЭД через фрикционную муфту и тем самым удерживать ААО в заданном положении. При включении СУНО под ток электромагнит ЭММТ разъединяет диск фрикционной муфты с диском на якоре и тем самым разблокирует вращение якоря ИЭД. При отключенном электропитании для поворота ААО на земле ЭММТ имеет механический отключатель фрикционной муфты.

Щеточный коллекторный узел обеспечивает нормальную работу ИЭД до высот 6000…8000 м. На больших высотах он «искрит». Для «высотных» ААУ применяются ЭИД с другими типами коммутирующих устройств, например, тиристорными. При этом конструкция ЭИД усложняется, но принцип действия не изменяется.

Определим передаточную функцию ЭИД в совокупности с силовым редуктором. Для этого составим уравнение движения его якоря

, (6.11)

где , – моменты инерции соответственно якоря ИЭД и подвижных частей ААУ; , – передаточное число и к.п.д. силового редуктора; , – момент, развиваемый ИЭД, и момент внешних сил, действующих на ААУ.

Передаточное число редуктора определяется как отношение угловой скорости вращения ААО к угловой скорости вращения якоря ЭИД : . В существующих ААУ он лежит в пределах . Поэтому приведенный к валу якоря момент инерции подвижных частей ААУ составляет только от момента инерции якоря ЭИД. Пренебрегая величиной приведенного к якорю момента инерции подвижных частей самой ААУ ( ) и учитывая, что момент якоря ЭИД на участке разгона существенно больше приведенного момента сил сопротивления, уравнение (6.11) перепишем в виде

. (6.12)

Вращающий момент якоря ИЭД с независимым возбуждением пропорционален току якоря :

,

где – коэффициент пропорциональности.

В переходном режиме работы ИЭД для определения тока якоря можно воспользоваться уравнением напряжений на щетках якоря

,

в котором – омическое сопротивление обмотки якоря, а – противо-э.д.с якоря ЭИД.

Формула (6.6) для будет иметь вид

,

где - магнитный поток обмотки возбуждения ЭИД.

Так как величина постоянная, то введем . Тогда

,

- коэффициент пропорциональности, связывающий величину со скоростью вращения якоря.

Определяя из последнего уравнения ток якоря, найдем выражение для момента якоря ИЭД в виде

.

Подставляя выражение для в уравнение (6.12), получим

.

Переходя от переменной к переменной , получим

.

Учитывая, что угловая скорость ААО есть производная по времени от угла поворота оружия , получим

.

Разделив последнее уравнение почленно на коэффициент при , перепишем его в форме

.

Выражение определяется как постоянная времени ЭИД (с присоединенными подвижными частями ААУ) и обозначается через . Отношение определяется как коэффициент усиления ИЭД .

Используя введенные обозначения, найдем передаточную функцию ЭИД как отношение изображений Лапласа выходного входного сигналов

.

ЭИД в типовом ЭСлПр имеют коэффициент усиления и постоянную времени .

Физически коэффициент усиления ЭИД показывает прирост скорости вращения ААО на вольт напряжения.

ЭИД постоянного тока подключается непосредственно к якорю генератора ЭМУ (рисунок 6.10). Систему «ЭМУ–ИЭД–силовой редуктор» часто называемую электрическим силовым приводом, в котором показывают только основные элементы.

Генератор ЭМУ получает механическую энергию от электродвигателя ЭМУ. Короткозамкнутые витки якоря генератора ЭМУ, как правило, не показывают. Якорь ИЭД через силовой редуктор приводит во вращение ААО на ААУ.

Гидравлические исполнительные двигатели. В качестве гидравлических ИД могут использоваться гидравлические силовые устройства (ГСУ) и гидродвигатели (ГД).

Выходное звено ГСУ (шток) имеет ограниченный ход. В качестве ГСУ используются гидроцилиндры и гидросекторы. Они обладают простотой конструкции, большой мощностью, не требующей применения при их использовании на ААУ силовых редукторов.

Основной их недостаток - относительно больших объем жидкости в приводе, влияющий на его быстродействие и жесткость.

Управление работой ГСУ осуществляется путем дросселирования жидкости.

Выходное звено ГД (вал) имеет принципиально бесконечный угол поворота. Конструктивно ГД могут выполняться в виде плоских или объемных конструкций.

Опыт применения ГД в следящих приводах ААУ выявил преимущества гидродвигателей объемной конструкции с наклонным диском и с наклонным блоком цилиндров. Поэтому в последних разработках ГСлПр ААУ применялись ГД и гидронасосы (ГН) только объемного регулирования.

Гидравлические машины, как и электрические, обратимы. Поэтому конструкция ГН объемного регулирования аналогична ГД объемного регулирования и наоборот.

В ААУ используются реверсивные ГН переменной производительности. По этой причине ГН объемного регулирования от аналогичных ГД отличаются наличием наклонного диска или наклонного блока цилиндров, положение которых меняются и тем самым обеспечивается переменная производительность ГН в двух противоположных направлениях.

В ГД и наклонный диск, и наклонный блок имеют постоянный угол наклона порядка .

ГН и ГД в каждом канале управления наводкой ААО объединены в одну замкнутую систему (рисунок 6.11) «ГН – ГД», часто называемую гидравлическим силовым приводом.

Гидронасосы обоих каналов двухканальных имеют, как правило, общий автономный привод. Основное требование к приводу – обеспечить постоянную скорость вращения гидронасосов для обеспечения стабильных характеристик ГСлПр.

На ААУ в качестве привода гидронасосов применяются электродвигатели. Для повышения надежности работы ГСлПр привод ГН может состоять из двух электродвигателей, работающих параллельно. При выходе из строя одного из электродвигателей работа ГСлПр продолжается, но с худшими динамическими характеристиками.

Р еверсивный ГН переменной производительности трубопроводами соединен с ГД. Герметичная внутренняя полость ГН, ГД и трубопроводов заполнена жидкостью. Скорость вращения ГД определяется секундной производительностью жидкости ГН, которая, в свою очередь, зависит от величины угла наклона блока его цилиндров . ГД через редуктор поворачивает ААО на ААУ.

Основные элементы ГН объемной конструкции (рисунок 6.12): блок цилиндров 1; поршни 2; шайба 3; шатуны 4; распределительная пята 5.

Шайба получает вращение от двигателя ГН и через шатуны и цилиндры передает его блоку цилиндров. Распределительная пята ГН относительно оси блока цилиндров неподвижна и при вращении блока цилиндров обеспечивает попеременное подключение цилиндров к трубопроводам всасывания и нагнетания жидкости. При нулевом наклоне блока цилиндров поршни не перемещаются относительно цилиндров и производительность ГН равна нулю. При наклоне блока цилиндров поршни начинают перемещаться относительно цилиндров и перекачивают жидкость.

Так как скорость перемещения поршней относительно цилиндров неравномерна, появляются пульсации потока жидкости. Для обеспечения меньшей пульсации потока жидкости выбирают нечетное число цилиндров. Технология изготовления цилиндров и поршней к ним трудоемка. Поэтому выбирают минимально приемлемое с точки зрения допустимых пульсаций потока жидкости нечетное число цилиндров (обычно 7 или 9).

Основными характеристиками ГН являются удельная (за один оборот) и секундная производительности.

Для рассматриваемой конструкции ГН с количеством цилиндров радиуса и ходом удельная производительность определится выражением

.

Рабочий ход поршня , где – угол наклона блока цилиндров ГН. Поскольку в существующих конструкциях ГН , то, принимая , получим

.

Секундная производительность ГН при скорости вращения блока цилиндров определится выражением

,

где – коэффициент усиления ГН.

При получении данных зависимостей предполагалось, что жидкость несжимаема, а утечки в ГН отсутствуют. Входной величиной ГН является угол наклона блока цилиндров , выходной – секундная производительность , а его передаточная функция есть идеальное усилительное звено

.

Отличие конструкции ГД с наклонным блоком от ГН с наклонным блоком состоит только в том, что ГД имеет постоянный наклон блока цилиндров (около 30⁰).

При принятых допущениях (нет утечек жидкости и она несжимаема) ГД является идеальным интегратором. Его входной величиной является секундный расход жидкости , а выходной – угол поворота ААО . Передаточная функция ГД

,

где – коэффициент усиления ГД, представляющий собой отношение угловой скорости вращения ААО к соответствующему секундному расходу жидкости через ГД.

Сравнительная оценка электрического и гидравлического следящих приводов. Основное достоинство ГСлПр состоит в том, что ГД обладают большей (примерно в 2-3 раза) удельной мощностью, чем ЭИД. Это создает более благоприятные условия при компоновке ААУ и позволяет создавать силовую конструкцию ААУ меньших габаритов и массы. По другим основным характеристикам рассматриваемые следящие приводы имеют близкие характеристики.

В то же время ГСлПр имеет более сложную структуру и более сложную конструкцию. Для обеспечения заданной жесткости следящего привода ГН должен располагаться вблизи ГД. Требуется применение специальных способов обеспечения его динамических и эксплуатационных характеристик (введение дополнительных ООС, дополнительных ГН подкачки жидкости для обеспечения хорошей наполняемости ГН, фильтров для очистки рабочей жидкости, заправочных горловин, игольчатых клапанов для стравливания газов, сложных гидравлических переключателей, гибких шлангов, подогрева рабочей жидкости и т.д.) и значительно худшими эксплуатационными характеристиками. Любая замена гидроагрегата ГСлПр, как правило, связана со сливом рабочей жидкости, повторной заправкой рабочей жидкости по определенной методике, а после заправки системы рабочей жидкости обеспечения выпуска из нее газов, требующего также определенной методики и времени. Основные устройства ГСлПр из-за высокой точности и чистоты обработки имеют более высокую стоимость по сравнению с основными устройствами ЭСлПр.

ЭСлПр более просты по конструкции, просты и в эксплуатации. По этим причинам в настоящее время наибольшее применение в ААУ находят ЭСлПр с ИЭД постоянного тока.

Следует, однако, отметить еще раз, что ЭИД постоянного тока с коллекторными щеточными узлами имеют ограничение по высоте боевого применения. При работе в разряженной атмосфере (на высотах более 8 км) происходит поверхностный разряд коллекторных щеточных узлов электродвигателей постоянного тока. Однако на специализированных ААУ, предназначенных для действия на больших высотах (например, для поражения воздушных шаров) в ИЭД вместо коллекторного щеточного узла использоваться другие типы коммутаторов тока, например, тиристорные.