Следящий электрогидравлический рулевой привод
Следящий электрогидравлический рулевой привод относиться к области гидроавтоматики, в частности, к следящим электрогидравлическим рулевым приводам (СЭРП) систем автоматического управления кораблей. Задачей полезной модели является улучшение статистических и виброакустических характеристик СЭРП, заключающееся в обеспечении одинаковых расходов (скоростей перекладки) при движении руля вверх и вниз и в исключении колебательности в контуре СЭРП и кавитационных режимов работы электрогидравлического усилителя. Следящий электрогидравлический рулевой привод, содержащий блок сравнения, электронный усилитель, силовой гидроцилиндр (СГЦ), связанный с входом блока обратной связи, соединительные каналы, следящий двухкаскадный гидроусилитель (СГУ), отличающийся тем, что в него введены блок ограничения расхода, блок выявления направления перекладки руля, блок переменных коэффициентов, блок коммутатор "ИЛИ", первый вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход к входу блока переменных коэффициентов, выход которого подключен к входу блока электронного усилителя, своим выходом соединенным с входом СГУ, первый выход которого напрямую соединительным каналом подключен к первой полости СГЦ, второй выход СГУ соединен через блок ограничения расхода со второй полостью СГЦ, при этом выход блока обратной связи подключен к блоку сравнения и к входу блока выявления направления перекладки руля, выход которого подключен к второму входу блока "ИЛИ". 6 ил.
Полезная модель относиться к области гидроавтоматики, в частности, к следящим электрогидравлическим рулевым приводам (СЭРП) систем автоматического управления кораблей.
Известен следящий электрогидравлический рулевой привод см. книгу В.А.Хохлова, В.Н.Прокофьева, Н.А.Борисова, В.И.Русакова, В.В.Чуркина "Электрогидравлические следящие системы" Машиностроение, М, 1971 г. блок-схема которого приведена на стр.272, рис.123 и содержащий соединенные между собой элемент сравнения, усилитель сигнала ошибки, электромеханический управляющий элемент, гидроусилитель, гидравлический исполнительный механизм и обратную связь.
Указанный СЭРП структурно не имеет устройств, обеспечивающих равенство расхода рабочей жидкости, т.е. скорости перемещения при движении горизонтального руля сверху вниз и снизу вверх под воздействием неуравновешенной нагрузки, например, массы пера руля.
Известен следящий электрогидравлический рулевой привод см. книгу В.И.Гониодекого, Ф.И.Склянского, И.С.Шумилова "Привод рулевых поверхностей самолетов" М. Машиностроение, 1974 г. (стр.116 рис.3.1 а, в), содержащий соединенные между собой сравнивающее устройство, выполняющее функции измерения сигнала ошибки и его усиления, регулирующее устройство, представляющее собой двухкаскадный электрогидравлический усилитель, гидродвигатель, обратную связь и рабочий орган (руль самолета).
Указанный СЭРП не имеет устройств, обеспечивающих ограничение расхода рабочей жидкости при движении руля сверху вниз, т.е. компенсирующих весовую неуравновешенность.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является СЭРП по патенту РФ 2190129, опубликованному 2002.09.27, содержащий блок
сравнения (усилитель-формирователь сигнала управления), электронный усилитель (усилитель мощности), силовой гидроцилиндр (гидроцилиндр), связанный с входом блока обратной связи (датчик обратной связи), соединительные каналы (гидролинии), следящий двухкаскадный гидроусилитель.
Недостатком прототипа является то, что он не обеспечивает стабилизацию расхода рабочей жидкости при движении горизонтального руля сверху вниз и снизу вверх, т.е. компенсацию его весовой неуравновешенности, что приводит к неравенству скорости перекладки вверх и вниз, вызывая колебательность в контуре СЭРП и возникновение кавитации в дросселирующих окнах электрогидравлического усилителя.
Задачей полезной модели является улучшение статистических и виброакустических характеристик СЭРП, заключающееся в обеспечении одинаковых расходов (скоростей перекладки) при движении руля вверх и вниз и в исключении колебательности в контуре СЭРП и кавитационных режимов работы электрогидравлического усилителя.
Для решения указанной задачи в СЭРП, содержащий блок сравнения, электронный усилитель, силовой гидроцилиндр (СГЦ), связанный с входом блока обратной связи, соединительные каналы, следящий двухкаскадный гидроусилитель (СГУ) введены блок ограничения расхода, блок выявления направления перекладки руля, блок переменных коэффициентов, блок коммутатор ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход к входу блока переменных коэффициентов, выход которого подключен к входу блока электронного усилителя, своим выходом соединенным с входом СГУ, первый выход которого напрямую соединительным каналом подключен к первой полости силового гидроцилиндра, второй выход СГУ соединен через блок ограничения расхода со второй полостью СГЦ, при этом выход блока обратной связи, подключен к блоку сравнения и к входу блока выявления направления перекладки руля, выход которого подключен к второму входу блока "ИЛИ", в соединительном канале блока ограничения расхода,
соединяющем вход с его выходом, установлены регулируемый дроссель и параллельно ему обратный клапан, который своим входом подключен к входу блока, а выходом к выходу блока, чем достигается улучшение статических и виброакустических характеристик СЭРП, заключающееся в обеспечении одинаковых расходов (скорости перекладки) при движении руля вверх и вниз и исключение колебательности в контуре СЭРП и кавитации из-за перегрузки дросселирующих окон СГУ.
СЭРП управляет работой исполнительного механизма в виде силового гидроцилиндра входящего в контур СЭРП.
На фиг.1 представлена структурная схема СЭРП, на фиг.2 представлена электрогидравлическая схема СГУ. На фиг.3 представлены графики перепада давления в полостях гидроцилиндра рулевой машины (РМ) горизонтального руля при его перекладке и поясняющие возникновение "отрицательного" перепада давления. На фиг.4 представлена предлагаемая скоростная (расходная) характеристика СЭРП, несимметричная при различных направлениях движения горизонтального руля. На фиг.5 представлена схема ограничения расхода (скорости перекладки) для стабилизации скорости перекладки горизонтального руля. На фиг.6 пример реализации конструкции ограничителя скорости перекладки горизонтального руля.
СЭРП содержит следующие элементы:
- блок сравнения (С) 1;
- блок - коммутатор ИЛИ 2;
- блок переменных коэффициентов (ПК) 3;
- блок выявления направления перекладки руля (ВНП) 4;
- электронный усилитель (ЭУ) 5;
- следящий двухкаскадный гидроусилитель (СГУ) 6;
- блок ограничения расхода (скорости перекладки) (ОР) 7;
- соединительные каналы 8;
- силовой гидроцилиндр (СГЦ) 9;
- блок обратной связи (ОС) 10.
Блок ограничения расхода (скорости перекладки) 7 состоит из дросселя 11, обратного клапана 12, соединительных каналов 13.
Блоки, входящие в СЭРП, выполняют следующие функции:
- блок сравнения (С) 1 обеспечивает сравнение входного сигнала задания с сигналом обратной связи и выработку результирующего сигнала рассогласования между ними;
- блок - коммутатор ИЛИ 2 обеспечивает подключение сигнала рассогласования между входным задающим сигналом и сигналом обратной связи к соответствующему входу блока 3;
- блок переменных коэффициентов (ПК) 3 обеспечивает усиление сигнала, поступившего по соответствующему входу с переменными коэффициентами, зависящими от выявленного направления перекладки руля;
- блок выявления направления перекладки руля (ВНП) 4 обеспечивает реализацию признака направления перекладки руля, к примеру, перекладка на всплытие, либо против часовой стрелки - это может быть знак плюс;
- электронный усилитель (ЭУ) 5 обеспечивает усиление сформированного сигнала рассогласования и преобразование в токовый сигнал, подаваемый на обмотки электромеханического преобразователя гидроусилителя 6.
Блоки 1...5 собираются из широко применяемых элементов и узлов и их конструкция - стандартна (например, на электронных блоках фирмы Rexroth) и могут быть реализованы в виде электронных модулей и устанавливаются в прибор стоечного типа. В зависимости от насыщенности элементами, тепловыделения и т.п. некоторые блоки могут быть конструктивно объединены;
- следящий двухкаскадный гидроусилитель (СГУ) 6 применен по патенту RU №2242641, опубликованному 20.12.2004 г., обеспечивает распределение рабочей жидкости в полости СГЦ и состоит из: корпуса, в котором размещены управляющая золотниковая пара с электромеханическим преобразователем, распределительного золотника со своей гильзой, узла
механической отрицательной обратной связи и имеет гидравлические стыки - подвод напора, слива, дренажа и два выхода для подключения к СГЦ;
- блок ограничения расхода (ОР) 7 обеспечивает ограничение (уменьшение) расхода рабочей жидкости при движении горизонтального руля и может состоять из корпуса с соединительным каналом, в расточках которого размещен регулируемый дроссель по патенту №2242641, опубликованному 20.21.2004, и параллельно ему обратный клапан, который своим входом подключен к входу блока, а выходом к выходу блока (выходом подключенный к полости СГЦ, а входом к выходу 2 СГУ);
- соединительные каналы 8 соединяют выходы 1 и 2 СГУ с входами СГЦ;
- силовой гидроцилиндр (СГЦ) 9 обеспечивает перекладку руля;
- блок обратной связи (ОС) 10 обеспечивает выработку сигнала, пропорционального углу перекладки руля, и состоит из корпуса, в котором размещены датчики положения и входной вал.
Блок обратной связи 10 устанавливается на кронштейне непосредственно на силовом гидроцилиндре и соединяется с его штоком посредством механизма, преобразующего поступательное перемещение поршня СГЦ во вращательное движение входного вала блока 10.
Соединительные каналы 8 выполняются либо в виде трубопроводов, либо сверлений в корпусе СГУ.
Конструктивно следящий двухкаскадный гидроусилитель может быть применен в СЭРП в виде самостоятельной конструкции, соединенной с блоком ограничения расхода, либо в составе электрогидравлического агрегата по патенту №2242641, опубликованному 20.12.2004 г.с введенным в него или подключенным к агрегату блоком ограничения расхода.
СЭРП работает следующим образом.
Сигнал задания на перекладку руля, подаваемый на вход блока сравнения 1 в виде сигнала постоянного тока ±10 В после алгебраического сложения с сигналом обратной связи, поступает в виде сигнала ошибки на вход
1 блока коммутатора "ИЛИ" 2. Из него сигнал ошибки в зависимости от информации о направлении перекладки руля, получаемой на входе 2 блока, транслируется через блок переменных коэффициентов 3 в электронный усилитель 5, где формируется сигнал управления с коэффициентом усиления, обеспечивающим перемещение распределительного золотника СГУ 6 на определенную величину и движение руля вверх, либо формируется сигнал управления с другим коэффициентом, обеспечивающим перемещение распределительного золотника СГУ с другой величиной и движение руля вниз. Во втором случае под действием дополнительного "отрицательного" перепада давления (см. фиг.3) руль перемещается с большей скоростью относительно номинальной и для уменьшения скорости перемещения руля площади дросселирующих окон распределительного золотника должны уменьшаться, т.е. ход распределительного золотника должен уменьшаться, в результате чего скорость перекладки будет равной в обоих направлениях при разном ходе распределительного золотника (см. фиг.4), тем самым достигается поставленная цель по обеспечению равных скоростей перекладки.
На фиг.3 приведен график перепадов давления в полостях гидроцилиндра гидропривода руля в зависимости от угла перекладки руля при движении корабля.
Так, например, точка А соответствует положению руля при его перекладке на 30° в верхнее положение. На руль действует момент от набегающего потока воды и от его веса. В момент перекладки руля в нижнее положение в напорную полость силового гидроцилиндра поступает напор рабочей жидкости, а в сливной полости СГЦ 9 наряду с давлением напора будет дополнительное "отрицательное" давление, возникающее от приложенного момента от набегающего потока и неуравновешенности, величину которого определяет точка С на графике. В нашем примере дополнительный "отрицательный" перепад давления при движении корабля будет равен 7.5 МПа, т.е. при Рн=15.0 МПа суммарный 
Р=15+7.5=22.5 МПа. Отрицательный перепад давления от неуравновешенности будет равен - 2.3
МПа (точка Д на графике), а суммарный перепад (без движения корабля) равен 
=15.0+2.3=17.3 МПа. Увеличенный суммарный перепад давления обеспечит повышенный расход рабочей жидкости Q, который даст прирост скорости перекладки. На фиг.4 показано на примере скоростной характеристики гидропривода, что без принятия мер увеличение расхода на величину Q дает прирост скорости, которая может быть уменьшена до заданного значения увеличением коэффициента усиления, реализуемым в блоке переменных коэффициентов 3.
При нулевом задающем сигнале на входе СГУ 6 якорь электромеханического преобразователя и связанный с ним управляющий золотник находятся в нулевом положении, отсекается поступление рабочей жидкости в торцевые полости распределительного золотника, находящегося в нулевом положении.
При подаче на вход СГУ 6 сигнала управления, отличного от нуля, соответствующего перемещению распределительного золотника, например, вправо, который, перемещаясь, открывает дросселирующие окна в соответствующих полостях силовой гильзы. Открытые дросселирующие окна обеспечивают подачу через выход 1 СГУ напор рабочей жидкости напрямую в напорную полость силового гидроцилиндра, что будет соответствовать, например, движению горизонтального руля сверху вниз.
Одновременно через жесткую обратную связь золотник воздействует на управляющую следящую гильзу, которая смещается в сторону закрытия окон гильзы, чем достигается следящий режим работы. Распределительный золотник останавливается в положении, пропорциональном сигналу задания, обеспечивающем расход, соответствующий требуемой скорости перекладки руля.
Конструкция золотника и контактирующей с ним гильзы и соответствующая коммутация обеспечивают проход рабочей среды последовательно через несколько рабочих щелей гильзы, что создает возможность разбиения общего перепада давления на ряд составляющих
перепадов на отдельных щелях, выбранных таким образом, чтобы исключить кавитационные режимы работы каждой дросселирующей щели. Заданные таким образом перепады давления на дросселирующих щелях улучшают виброакустические характеристики устройства.
При перемещении поршня силового гидроцилиндра рабочая жидкость из его сливной в данном примере полости поступает на выход 2 СГУ 6 через блок ОР 7, в котором происходит ограничение расхода, при этом в соединительном канале блока 7, соединяющем вход с выходом, могут быть установлены регулируемый дроссель и параллельно ему обратный клапан, своим входом подключенный к входу блока 7, а выходом к выходу блока 7, причем обратный клапан движением потока жидкости от СГЦ 9 закрывается и рабочая жидкость проходит через дроссель, подтормаживая движение руля сверху вниз. При движении поршня СГЦ 9 в обратном направлении (перо горизонтального руля движется снизу вверх) потоком рабочей жидкости малошумный обратный клапан открывается и дроссель автоматически будет выключен из работы. Регулируемый малошумный дроссель блока 7 может быть настроен на перепад давления, необходимый для компенсации неуравновешенности горизонтального руля. Регулирование скорости перекладки горизонтального руля при его движении снизу вверх могут обеспечивать малошумные регулируемые дроссели, установленные в напорной и сливной гидролинии СГУ 6 (не показано на фигурах).
При своем движении поршень СГЦ 9 разворачивает вал блока обратной связи 10, который выдает сигнал, пропорциональный углу перекладки руля, на вход блока сравнения 1, обеспечивая тем самым следящий режим работы СЭРП.
Таким образом, в СЭРП предусмотрены две возможности ограничения расхода рабочей жидкости (скорости перекладки) при движении горизонтального руля сверху вниз под действием неуравновешенной силы и набегающего потока воды при движении корабля:
- первая за счет несимметричной скоростной характеристики привода в блоке 3, вызывающей уменьшение хода распределительного золотника СГУ 6 и, следовательно, к дополнительному дросселированию потока рабочей жидкости, приводящему к замедлению движения поршня СГЦ 9 и снижению скорости перекладки. Однако этот процесс ограничен кавитацией рабочей жидкости в дросселирующих окнах СГЦ 9 при достижении некоторого критического перепада давления на них;
- вторая за счет ограничения расхода в блоке ограничения расхода, приводящая к подключению регулируемого дросселя в момент выполнения перекладки горизонтального руля из верхнего положения в нижнее.
Таким образом, заявленные признаки реализуются за счет того, что "отрицательный" перепад давления, создаваемый неуравновешенной силой, а также набегающим потоком воды при движении корабля, будет частично компенсироваться уменьшением хода распределительного золотника и частично за счет работы подключаемого дополнительного дросселя, что улучшает статические характеристики и исключит возникновение колебательности привода и обеспечит бескавитационный режим работы и, следовательно, улучшение виброакустических характеристик.
1. Следящий электрогидравлический рулевой привод, содержащий блок сравнения, электронный усилитель, силовой гидроцилиндр (СГЦ), связанный с входом блока обратной связи, соединительные каналы, следящий двухкаскадный гидроусилитель (СГУ), отличающийся тем, что в него введены блок ограничения расхода, блок выявления направления перекладки руля, блок переменных коэффициентов, блок-коммутатор "ИЛИ", первый вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход к входу блока переменных коэффициентов, выход которого подключен к входу блока электронного усилителя, своим выходом соединенным с входом СГУ, первый выход которого напрямую соединительным каналом подключен к первой полости СГЦ, второй выход СГУ соединен через блок ограничения расхода со второй полостью СГЦ, при этом выход блока обратной связи подключен к блоку сравнения и к входу блока выявления направления перекладки руля, выход которого подключен к второму входу блока "ИЛИ".
2. Следящий электрогидравлический рулевой привод по п.1, отличающийся тем, что в соединительном канале блока ограничения расхода, соединяющем вход с его выходом, установлены регулируемый дроссель и параллельно ему обратный клапан, который своим входом подключен к входу блока, а выходом к выходу блока.
