Образовательные услуги

Коммерческие услуги



Струйно-золотниковая гидравлическая рулевая машина

     Струйные гидравлические рулевые машины (СГРМ), используемые в рабочих органах систем управления летательных аппаратов (ЛА) различного назначения, представляют собой довольно сложную техническую систему, работа которой определяется множеством различных процессов и явлений и взаимовлиянием внешних и внутренних факторов на параметры и характеристики привода.
     В настоящее время создана и успешно эксплуатируется целая гамма рулевых приводов с выходной мощностью до 4 кВт и рабочими давлениями до 13 МПа. Усложнение и расширение функциональных возможностей исполнительных приводов для быстродействующих гидравлических исполнительных механизмов большой мощности приводит к необходимости поиска и разработки новых схемных и конструктивных решений рулевых машин. Указанным требованиям удовлетворяют рулевые привода, в состав которых входят двухкаскадные струйно-золотниковые рулевые машины (СЗГРМ), обладающие высокими динамическими свойствами и высокими энергомассовыми характеристиками. Однако на сегодняшний день не существует комплексного подхода к проектированию, разработке и доводке СЗГРМ. Поэтому актуальными становятся задачи разработки методик анализа и синтеза конструктивных, статических и динамических параметров СЗГРМ, а также методики идентификации СЗГРМ, направленной на оптимизацию процессов проектирования рулевых приводов, что в свою очередь позволит снизить финансовые и временные затраты.
     Цель работы: совершенствование методологии проектирования струйно- золотниковой гидравлической рулевой машины (СЗГРМ).
     Задачи исследования:
- анализ научно-технической литературы по проблемам проектирования СЗГРМ;
- исследование особенностей гидродинамических процессов, протекающих в проточной части струйно- золотникового гидроусилителя (СЗГУ);
- анализ математической модели СЗГРМ и модернизация существующей с помощью учета стохастических коэффициентов, разработка методики идентификации;
- экспериментальные исследования СЗГРМ и сравнение с численными методами исследования.
     Работа состоит из четырех глав:
1. Литературный обзор.
2. Особенности протекания гидродинамических процессов в проточной части СЗГУ.
3. Численное моделирование СЗГРМ.
4. Экспериментальные исследования СЗГРМ.

     Объектом исследования является СЗГРМ. Рулевая машина состоит из электромеханического преобразователя, двухкаскадного усилителя со струйной трубкой в первом каскаде управления и золотниковым распределителем во втором, а также из гидродвигателя с нагрузкой. Надежность работы рулевой машины определяется главным образом надежностью гидроусилителя. Область использования ЭГУ чрезвычайно разнообразна: управление отдельными гидравлическими машинами (ГМ) и насосами, использование в гидравлической системе промышленных роботов, станков и автоматических линий, в системах управления летательными аппаратами (ЛА).

     В современных конструкциях ЭГУ дросселирующий каскад распределения, выполненный в виде «сопла-заслонки», встречается наиболее часто. Однако, в ракетостроении, где к рулевым приводам применяются повышенные требования к быстродействию и надежности системы в основном используются гидроусилители со струйной трубкой. Недостатком ГУ «сопло-заслонка» является дрейф нуля при изменении температуры рабочей жидкости. Дрейф нуля обусловлен неравномерным изменением коэффициента расхода его гидродросселей при изменении режима течения жидкости, т.к. гидродроссели, изготовленные даже в одинаковых условиях, имеют различную микрогеометрию. В ГУ со струйной трубкой эта задача решается сама самой, т.к. стабильность его характеристик заложена в принципе его действия. Также к достоинствам СЗГУ можно отнести:
- уменьшение расхода рабочей жидкости в первом каскаде усиления практически в 2 раза по сравнению с ГУ типа «сопло-заслонка»;
- надежность работы, обусловленная надежностью перемещения свободно плавающего золотника под действием энергии жидкости на его торцах;
- малая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости;
- высокое быстродействие;
- высокий коэффициент усиления по сравнению с ГУ типа сопло-заслонка.

     Рассмотрим процессы и явления протекающие в проточной части СЗГРМ.
     Кинетическая энергия струи из струйной трубки преобразуется в потенциальную энергию давления жидкости в приемных каналах приемной платы. Отклонение управляющей струи в СГР при повороте струйной трубки на угол сопровождается воздействием на нее струй обратных потоков, истекающих из приемных окон. Для уменьшения влияния обратных потоков в СГР устанавливается стакан на струйную трубку, благодаря которым гасятся автоколебания. Картина взаимодействия струй жидкости в СГР определяется величиной нагрузки в приемных окнах СГР и конструктивными особенностями приемной платы (толщиной перемычки между окнами, размерами приемной платы и пр.).
     Объем полости струйной камеры между срезами питающего сопла и приемного канала обычно намного меньше суммарного объема жидкости в полостях гидропривода. Влияние локальных изменений скорости на участке между срезами сопла и канала также незначительно. Поэтому при анализе динамических свойств струйно-золотникового гидроусилителя можно пренебречь сжатием и инерционностью жидкости на участке между срезами питающего сопла и приемного канала.
     Процесс истечения жидкости под действием давления в золотниковом управляемом дросселе имеет специфические особенности. В первой фазе течения жидкости под действием перепада давлений происходит стеснение потока жидкости и преобразование его потенциальной энергии в кинетическую.
     Во второй фазе, после срыва потока с острых кромок рабочего окна, течение жидкости сопровождается эффектом сжатия струи. Скорость потока и его кинетическая энергия достигают максимальных значений. После происходит внезапное и свободное расширение потока в затопленной среде, которое сопровождается интенсивным вихреобразованием в зоне отрывного течения.
     Золотники направляющих и регулирующих аппаратов имеют на своих буртах одну, две или четыре кромки, в окрестностях которых происходит течение рабочей среды, поступающей из одного канала в другой. При течении среды на золотники действуют гидродинамические силы.
     Рассмотрим течение среды при соединении двух каналов посредством окна, открываемого одной кромкой золотника. Вследствие повышенной скорости течения вблизи окна давление в этом месте, согласно уравнению Бернулли, снижается; по мере удавления от окна скорость течения среды уменьшается, а давление соответственно возрастает. В результате распределение давления по поверхности правого бурта будет неравномерным. Около левого бурта в среде образуется застойная область, в которой давление на поверхности бурта золотника распределено практически равномерно. Из-за различного распределения давлений по поверхностям буртов к золотнику будет приложена гидродинамическая сила, направленная противоположно направлению течения среды. Когда кромка золотника полностью закрывает окно, течение среды между буртами отсутствует и действующие на бурты гидростатические силы взаимно уравновешиваются.
     Проведен расчет в пакете СOSMOSFloWorks для струйного каскада.

     Также проведен расчет в пакете ANSYS CFX для золотникового каскада.

     Расчёт статических характеристик СГРМ позволяет определить параметры привода при работе его на установившихся режимах работы.
     Для определения параметров характеристик привода, характеризующих его работу на переходных режимах, необходимо разработать математическую модель. Основные допущения при моделировании и сама математиченская модель с присущими ей нелинейностями представлена на плакатах. Математическая модель – классическая, основные нелинейности - трение в гидродвигателе и нагрузке, изменение модуля объемной упругости в зависимости от давления и от величины растворенного воздуха в рабочей жидкости; нелинейная зависимость расхода через СГУ от перепада давлений в гидродвигателе. По математической модели построены переходные характеристики рулевой машины, анализ этих характеристик будет представлен позднее, при этом будут учтены рекомендации, выданные при анализе картины течений в проточной части СЗГУ и стохастичность влияния параметров рулевой машины – коэффициента расхода и коэффициента восстановления давления.
     При численном моделировании СЗГРМ необходимо учитывать:
- особенности эксплуатации;
- высокие требования к массогабаритным характеристикам;
- стохастичность влияния внешних факторов на функционирование всей системы, а именно условия полета, изменяющиеся от полета к полету;
- использование высоких технологий при производстве и изготовлении определяют высокую стоимость изделий и, следовательно, жесткие условия к требованиям технического задания.
     Основные допущения при моделировании:
- коэффициенты расхода, восстановления давления, давление питания и слива постоянны;
- температура рабочей жидкости в течение рассматриваемого динамического процесса не изменяется;
- объемные потери в проводящих линиях в гидрораспределителях и гидродвигателях малы и ими пренебрегаем;
- рабочая жидкость несжимаема;
- модуль объемной упругости жидкости и волновые процессы в гидролиниях из-за своей малости на рабочие процессы гидропривода не влияют.
     При численном моделировании учитывались следующие нелинейности:
- трение в гидродвигателе и нагрузке;
- изменение модуля объемной упругости в зависимости от давления и от величины растворенного воздуха в рабочей жидкости;
- нелинейная зависимость расхода через СГУ от перепада давлений в гидродвигателе.
     Математическая модель СЗГРМ состоит из следующих уравнений:
- уравнение моментов, действующих на якорь ЭМП;
- уравнение электрической цепи ЭМП;
- условие баланса расходов;
- уравнение сил и баланса расходов;
- уравнение движения нагрузки.
     В результате численного моделирования построены характеристики рулевой машины.

     Экспериментальные исследования будут проводиться на экспериментальном стенде по снятию статических и динамических характеристик гидравлических рулевых механизмов летательных аппаратов.
     В состав стенда должны входить:
а) Силовая система;
б) Система управления;
в) Система измерения;
г) Система имитации реальных нагрузок, действующих на рулевой привод в процессе эксплуатации летательного аппарата. Имитатор нагрузки соответствует инерционной массе и силе сопротивления соплового блока двигательной установки, приведенным к штокам рулевых машин;
д) объекты исследования: СГРМ, СЗГРМ и ЭГУ-2.

     Методику идентификации СЗГРМ можно представить как совокупность следующих этапов:
- формулирование цели и задач исследования;
- составление принципиальной схемы рулевой машины;
- описание принципа действия СЗГРМ и основных физических процессов происходящих в рулевой машине;
- выбор структуры модели;
- выбор параметров, которые задаются;
- выбор параметров, которые необходимо определить;
- расчет статических и динамических характеристик;
- статистическая обработка результатов экспериментов;
- построение стохастической математической модели;
- анализ полученных результатов и выдача рекомендаций по проектированию и доводки рулевых машин.
     Представленная методика идентификации струйно-золотниковой гидравлической рулевой машины, направлена на оптимизацию процессов проектирования рулевых приводов, что позволит снизить финансовые и временные затраты на этапе проектирования объекта.



     Сотрудники:

1. Целищев В.А.
2. Целищева К.А.