CC BY
5
УДК 623.4.084.8
РАБОТА ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО ПНЕВМОПРИВОДА ПРИ МАЛЫХ ПЕРЕПАДАХ ДАВЛЕНИЯ
ДА. Гусев
Приводятся результаты работы стендового макетного образца пропорционального пневмопривода. Предлагается компоновка пневмопривода с пропорциональным контуром управления и поперечным расположением исполнительного двигателя. Определяются перспективные направления работы.
Ключевые слова: пневматическая приводная система, пропорциональный пневмопривод, конструктивная компоновка пневмопривода.
Характеристики пневматической приводной системы напрямую зависят от величины рабочего давления в системе. В случае использования готового источника рабочего тела, а именно, сжатого воздуха, инертного газа или порохового аккумулятора давления конструкция системы выполняется такой, чтобы обеспечить наименьшие потери рабочего тела в процессе работы, при этом величина давления в системе остаётся стабильно высокой. Кроме того, в настоящее время существуют пневмосистемы, использующие в качестве рабочего тела набегающий поток атмосферного воздуха. Для данных систем особую проблему представляет собой необходимость обеспечения стабильной работы в условиях широкого диапазона изменения величины рабочего давления. При этом особый интерес представляет исследование работы системы в условиях малых рабочих давлений.
Для пневмоприводов с питанием от набегающего потока воздуха существует ряд хорошо отлаженных и высокоэффективных схем управления. Тем не менее, существующие схемы управления характеризуются наличием автоколебаний в процессе слежения за входным сигналом, что приводит к ухудшению технических характеристик вновь разрабатываемых изделий. Для снижения амплитуды автоколебаний используются контуры управления с линеаризацией при помощи внешних или внутренних генераторов. Однако при применении схем с внутренними генераторами наблюдается снижение величины развиваемого приводом момента, что может оказаться критичным в условиях малых значений давления торможения.
Радикальным вариантом решения данной проблемы является разработка пропорционального пневмопривода, использующего набегающий поток воздуха в качестве источника рабочего тела. При этом пропорциональность контура достигается за счёт использования поляризованного электромагнита с обратной связью по току в контуре управления. В качестве распределительного устройства используется плоский золотник. Для экспериментального исследования характеристик пропорционального пневмопривода используется специальный стенд, схема которого приведена на рис. 1. Данный стенд позволяет исследовать характеристики пропорционального пневмопривода, при этом имеется возможность имитировать пружинную нагрузку на исполнительных элементах системы и изменять величину сухого трения, действующую на исполнительные элементы. Для подачи входных сигналов используется генератор сигналов специальной формы, а сигнал с датчика обратной связи и входной сигнал записываются при помощи осциллографа. Кроме сигнала оптического датчика положения рулей стенд также позволяет фиксировать сигнал, эквивалентный величине тока, протекающего через управляющий электромагнит.
В стенде для обеспечения высокого развиваемого момента на исполнительных элементах пневмопривода при низкой величине давления набегающего потока воздуха используется имитация конструктивной компоновки, максимизирующей величину конструктивного параметра Sп•l, где Sп - площадь поршня исполнительного двигателя, а 1 - длина плеча приложения силы, т.е. длина рычага между осью круглого поршня и осью вращения исполнительных элементов. Принципиальная схема подобной компоновки с поперечной постановкой силовых цилиндров, представлена на рис. 2.
При использовании данной компоновки для обеспечения максимального развиваемого момента при малых габаритах требуется использование мембранных уплотнений, которые позволяют снизить габариты силовых цилиндров и приблизить значение диаметра поршня к максимально возможному при данном диаметре корпуса.
Упрощённо определим диаметр силового элемента, площадь поршня силового элемента, длину рычага и максимально развиваемый момент:
(1с=^к2-(4Хт + АрУ (1)
5п = 0,25 пйс (2)
Мрм = ДР^/р , (4)
где dc - диаметра силового элемента, dk - внутренний диаметр корпуса, Хт - максимальный ход поршня, Ар - толщина рычага, Sp - площадь поршня силового элемента, АР - перепад давления в полостях, Мрм - максимальный развиваемый момент.
Рис. 1. Стенд для исследования характеристик пропорционального рулевого привода: 1 - имитатор нагрузки (торсион); 2 - блок сухого трения; 3 - полости исполнительного
двигателя; 4 - оптический датчик обратной связи; 5 - ось вращения рулей; УЭМ - управляющий электромагнит; УМ - усилитель мощности и схема суммирования входного сигнала и сигнала с оптического датчика; ивх - входной сигнал, подаваемый с генератора сигналов специальной формы
Рис. 2. Компоновка привода с поперечным расположение силовых цилиндров
Находя экстремум функции развиваемого момента, можно вывести выражение для величины максимального хода поршня. Принимая для того или иного диаметра корпуса характерный момент нагрузки можно убедиться, что представленная компоновка даже при малых давлениях обеспечивает наличие запаса по развиваемому моменту.
Учитывая требования, налагаемые на пневмопривод, использующий в качестве рабочего тела набегающий поток воздуха, необходимостью работать в условиях низкого давления торможения, рассмотрим работу пропорционального привода при штатном давлении и при пониженном давлении. Стоит, однако, отметить, что в стендовом образце могут использоваться силовые цилиндры меньшего диаметра, чем на реальном пневмоприводе, спроектированном согласно рассматриваемой компоновке. Для того чтобы скомпенсировать разницу диаметров, по формуле (4) рассчитывается значение максимального развиваемого момента, характерного для
привода, выполненного согласно компоновке с поперечным расположением силовых цилиндров и соответствующего требованиям, предъявляемым к реальной приводной системе. Далее, исходя из этого значения момента, вводится поправка на величину перепада давления в стендовом образце. Согласно расчётам минимальному давлению в проектируемом приводе будет соответствовать величина перепада давления АР = 0,008 МПа для силовой системы стенда.
На рис. 3 и 4 показана отработка приводом синусоидального входного сигнала на давлениях 0,2 МПа (стандартное рабочее давление для привода, реализованного в стенде) и 0,08 МПа.
Рис. 3. Осциллограммы отработки синусоидального входного сигнала с амплитудой в 1 единицу команды стендом с пропорциональным приводом: желтый график - входной сигнал, синий график - сигнал с датчика обратной связи по повороту рулей; 1 - частота входного сигнала 7Гц, давление на входе системы 0,08 МПа; 2 - частота входного сигнала 10 Гц, давление на входе системы 0,08 МПа; 3 - частота входного сигнала 7Гц, давление на входе системы 0,2 МПа; 4 - частота входного сигнала 10 Гц, давление на входе системы
0,2 Мпа
Рис.4. Осциллограммы отработки синусоидального входного сигнала с амплитудой в 0,5 единиц команды стендом с пропорциональным приводом: желтый график - входной сигнал, синий график - сигнал с датчика обратной связи по повороту рулей; 1 - частота входного сигнала 7Гц, давление на входе системы 0,08 МП; 2 - частота входного сигнала 7Гц, давление на входе системы 0,2 МПа; 3 - частота входного сигнала 10 Гц, давление на входе системы 0,08 МПа; 4 - частота входного сигнала 10 Гц, давление
на входе системы 0,2 МПа 389
Таким образом, на среднем рабочем давлении привод обеспечивает фазовое запаздывание в 10° при частоте входного сигнала в 10 Гц при подаче половинной команды. На малых давлениях привод может отрабатывать входной сигнал с запаздыванием не более 20° вплоть до частоты входного сигнала £к = 9 Гц. При отработке приводом сигнала с амплитудой равной одной единице команды, привод может отрабатывать входной сигнал с запаздыванием не более 20° вплоть до частоты входного сигнала £!х = 8 Гц. Коэффициент передачи контура в обоих случаях держится на уровне 0,5. Вышеперечисленные недостатки объясняются недостаточным сечением приемных окон распределителя. При этом нетрудно заметить, что в процессе работы привода практически отсутствуют собственные недемпфированные колебания исполнительных элементов, это позволяет говорить о том, что использование пропорционального привода в авиационной технике даёт возможность увеличения дальности полёта летательного аппарата за счёт уменьшения коэффициента лобового сопротивления.
Выводы:
1. Пропорциональный привод способен отрабатывать синусоидальный входной сигнал с частотой до 9 Гц с фазовым запаздыванием не более 10 °.
2. В процессе отработки входного сигнала отсутствуют собственные колебания системы, что позволяет говорить о снижении коэффициента лобового сопротивления летательного аппарата в полёте.
3. Для расширения диапазона частот, которые представленный вариант пневмопривода может эффективно отрабатывать, необходима доработка в плане увеличения сечения отверстий распределителя.
4. Для исключения возникновения вынужденных колебаний при увеличении коэффициента передачи системы предлагается использовать демпфирование при помощи повышенного сухого трения. В дальнейшем необходимо рассмотреть вариант организации местной обратной связи по скорости исполнительных элементов привода через коэффициент вязкого трения. При этом динамика привода будет обеспечиваться подстраиваемым под конкретные задачи коэффициентом трения.
5. Использование поперечной схемы расположения поршней позволяет обеспечивать значительный запас по развиваемому моменту.
Автор выражает благодарность к.т.н., инженеру кафедры САУ ТулГУ А.Т. Лашневу за помощь в подготовке материалов для данной статьи.
Список литературы
1. Фимушкин В.С., Горячев О.В., Фокин А.С. Сравнение воздушно-динамических рулевых приводов c разными типами пневмодвигателей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2016. Вып. 12. Ч. 4. С. 184-192
2. Никаноров А.Б., Никаноров Б.А., Васильев A.A. Рулевой привод с внутренним управляемым генератором // Известия Тульского государственного университета. Технические науки 2016. Вып. 12. Ч. 4. С. 127-132.
Гусев Дмитрий Андреевич, аспирант, dimguseff@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
OPERATION OF THE PROPORTIONAL RAM AIR SERVO AT LOW PRESSURE DROPS
D.A. Gusev
The results of the work of a bench model of a proportional steering drive are presented. An arrangement of a pneumatic actuator with a proportional control loop and a transverse arrangement of the executive engine is proposed. Promising areas of work are being determined.
Key words: pneumatic drive system, proportional servos, structural layout of the servo system.
Gusev Dmitrii Andreevich, postgraduate, dimguseff@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
