ДВУХРЕЖИМНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД С НЕРЕВЕРСИВНЫМ НАСОСОМ
TWO-MODE ELECTRICALLY-DRIVEN HYDRAULIC DRIVE WITH IRREVERSIBLE PUMP

Предлагаемое устройство относится к следящим электрогидравлическим системам управления и может быть использовано в качестве высоконадежного исполнительного электрогидравлического механизма в системах управления летательных аппаратов.
Известны двухрежимные электрогидравлические приводы, например привод ЕВНА управления спойлером аэробуса A380 фирмы Liebherr-Aerospace Lindenberg, схема которого показана на Фиг.1 (Источник информации: Материалы международной конференции по авиационной гидравлике и системам управления полетом, г.Тулуза, октябрь 2002 // А-6 SAE Aerospace - October 2002, Toulouse, France. Первоисточник: Проспект фирмы Liebherr-Aerospace Lindenberg, Airbus №1994 PT 0001/17.10.2002).
Главной особенностью двухрежимного электрогидравлического привода является его способность работать как в режиме обычного электрогидравлического привода с дроссельным управлением скоростью поршня гидроцилиндра и питанием от централизованной гидросистемы, так и в режиме автономного электрогидростатического привода с питанием от силовой электросистемы самолета. Привод в целом можно разделить на четыре функциональные части: магистральную часть, автономную, клапаны переключения режимов работы и общую выходную часть, в которую входит гидроцилиндр с установленным на него датчиком обратной связи (ДОС), а также антикавитационным и предохранительным клапаном правой полости. Магистральная часть привода включает клапаны подключения привода к централизованной гидромагистрали и заполнения гидрокомпенсатора, входной фильтр и двухкаскадный электрогидравлический усилитель, состоящий из золотникового гидрораспределителя (ЗГР) и управляющего электрогидравлического усилителя (ЭГУ). Автономная часть привода состоит из электронного блока управления электродвигателем, нерегулируемого реверсивного насоса, вал которого вращается бесконтактным двигателем постоянного тока (БДПТ), гидрокомпенсатора с датчиком контроля его состояния, а также системы клапанов (челночного и предохранительных), обеспечивающих работу автономной части. Переключение режимов работы привода осуществляет система клапанов, куда входят двухпозиционный клапан режима работы с датчиком контроля его состояния, клапан блокировки и отключения ЭГУ и клапан полетной блокировки. Установка последнего из них вызвана особенностями управления спойлером, поэтому является специфической частью и не относится к общей идеологии двухрежимного привода.
В режиме с питанием от централизованной гидросистемы (в дальнейшем
- магистральный режим) к выходной части привода подключается его магистральная часть, в режиме с питанием от электросистемы (в дальнейшем
- автономный режим) - его автономная часть. Подключение этих частей привода и, соответственно, переключение режимов работы происходит путем поворота на 180° плунжера клапана блокировки и отключения ЭГУ и, как следствие, срабатывания клапана режима работы из-за подачи высокого давления под правый торец его плунжера.
Двухрежимный электрогидравлический привод является, по существу, резервированным двухканальным приводом с общей выходной частью (гидроцилиндром), при этом его каналы имеют разную структуру и питаются от разнородных энергосистем. Резервированная архитектура и питание от разнородных энергосистем обеспечивают очень высокую общую надежность привода при существенной экономии веса из-за использования общего гидроцилиндра.
В автономном режиме привод представляет собой электрогидростатический привод, в котором скорость поршня гидроцилиндра регулируется подачей насоса за счет изменения скорости вращения вала приводного электродвигателя. Насос такого привода должен работать при переменной скорости вращения приводного вала от нулевой до скорости в (10…20) тысяч оборотов в минуту, обеспечивая пропорциональность между вытесняемым расходом жидкости и скоростью вращения вала, обладать малым трением подвижных частей и обеспечивать небольшой расход утечки жидкости через зазоры, выдерживать высокие давления нагнетания и иметь большой ресурс работы. Обеспечение комплекса этих противоречивых требований представляет собой трудную техническую задачу. Необходимость обеспечения реверсивной работы насоса в рассматриваемом приводе дополнительно усложняет эту задачу и увеличивает стоимость насоса.
Электрогидростатический привод имеет увеличенную зону нечувствительности, обусловленную тем, что для начала движения выходного звена привода необходимо регулируемому электродвигателю преодолевать трение в насосе и обеспечивать некоторую начальную подачу, компенсирующую утечки жидкости через зазоры насоса. Значительная величина этой зоны нечувствительности ухудшает работу такого привода при малых управляющих сигналах и ограничивает его функциональные возможности.
Рассмотренный привод - прототип не может использоваться для управления основных рулевых поверхностей самолета, так как в случае его отказа не обеспечивается автоматический переход на отказобезопасный режим реверсивного демпфирования колебаний рулевой поверхности.
Технической задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом двухрежимном электрогидравлическом приводе с нереверсивным насосом (привод), содержащем электрогидравлический усилитель, питающийся от централизованной гидросистемы, бесконтактный электродвигатель с регулируемой скоростью вращения ротора, электронный блок его управления, нерегулируемый насос, гидроцилиндр, клапан переключения режимов работы, подключающий этот гидроцилиндр к электрогидравлическому усилителю или насосу, гидрокомпенсатор с предохранительным клапаном,
согласно изобретению в приводе использован нереверсивный насос и установленный между ним и клапаном переключения режимов работы пропорциональный клапан реверса с большой площадью рабочих окон, управляемый линейным электродвигателем,
согласно изобретению в приводе использован демпфирующий дроссель между полостями гидроцилиндра и двухпозиционный клапан демпфирования с дополнительным толкателем, отключающий этот демпфирующий дроссель при подаче высокого давления либо в торцевую камеру клапана, либо в торцевую камеру его дополнительного толкателя, при этом торцевая камера дополнительного толкателя клапана демпфирования соединена с гидроаккумулятором, с выходным каналом насоса через обратный клапан, и с гидрокомпенсатором через электрогидравлический запирающий клапан,
согласно изобретению в приводе использован электрогидравлический управляющий клапан, соединяющий торцовые камеры клапана переключения и клапана демпфирования с магистралью нагнетания централизованной гидросистемы или с гидрокомпенсатором.
Кроме того, согласно изобретению в приводе может быть использован пороговый клапан, включенный последовательно с обратным клапаном между торцевой камерой дополнительного толкателя клапана демпфирования и выходным каналом насоса и открывающийся только при превышении давлением подачи насоса некоторой установленной величины.
Согласно изобретению предлагаемый привод отличается от прототипа:
- использованием нереверсивного насоса и пропорционального клапана реверса с большой площадью рабочих окон, управляемого линейным электродвигателем, для регулирования скорости выходного звена привода в автономном режиме его работы,
- использованием демпфирующего дросселя между полостями гидроцилиндра и двухпозиционного клапана демпфирования с дополнительным толкателем, для обеспечения переключения привода в отказобезопасный режим пассивного демпфирования колебаний выходного звена привода,
- использованием электрогидравлического управляющего клапана для управления клапаном переключения режимов и клапаном демпфирования с целью переключения привода в магистральный режим работы,
- использованием соединения дополнительного толкателя клапана демпфирования с выходным каналом насоса через обратный клапан для включения автономного режима привода путем подачи давления нагнетания насоса под торец этого дополнительного толкателя,
- использованием гидроаккумулятора для сохранения автономного режима привода путем компенсации утечек жидкости через зазоры толкателя клапана демпфирования во время падения давления нагнетания насоса,
- использованием электрогидравлического запирающего клапана для переключения привода в режим демпфера путем сброса повышенного давления в торцевой камере дополнительного толкателя клапана демпфирования,
- использованием в одном из вариантов привода порогового клапана, открывающегося только при превышении давлением подачи насоса некоторой установленной величины.
Указанные отличия позволяют:
- использовать в приводе более простые и дешевые нереверсивные нерегулируемые насосы, например поршневой насос с клапанным распределением, при этом от БДПТ и насоса не требуется хороших характеристик в области околонолевых скоростей вращения их валов,
- обеспечить в автономном режиме работы комбинированное управление скоростью выходного звена привода, при котором большие и средние сигналы рассогласования - следящего привода отрабатываются с малыми потерями мощности, близкими к минимальным потерям при объемном принципе регулирования. Малые сигналы рассогласования, при которых потребляемая приводом мощность мала и энергетические показатели не столь важны, переводят привод на дроссельный способ регулирования скорости, для которого характерны максимальная чувствительность и высокая жесткость силовой характеристики,
- расширить функциональные возможности двухрежимного привода, применяя его для управления рулевыми поверхностями маневренных самолетов и летательных аппаратов с малоустойчивой или неустойчивой аэродинамической компоновкой, для которых требуется высокая жесткость привода и его способность отрабатывать сигналы малой амплитуды вплоть до (0,1…0,2)% от максимальной,
- использовать маломощные электрические сигналы для надежного (т.е. с большими перестановочными силами на плунжерах клапана переключения режимов и клапана демпфирования) перевода привода в любой последовательности в два активных режима работы или в режим пассивного демпфирования колебаний выходного звена.
Указанные отличия являются принципиальными и создают новизну предлагаемого решения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана схема прототипа двухрежимного электрогидравлического привода,
на фиг.2 показана принципиальная схема заявляемого двухрежимного электрогидравлического привода с нереверсивным насосом.
Двухрежимный электрогидравлический привод с нереверсивным насосом работает следующим образом.
При наличии давления в централизованной гидросистеме и подаче напряжения на обмотку управляющего клапана 13 этот клапан подает давление нагнетания гидросистемы под торцы клапана переключения режимов работы 9 и клапана демпфирования 7. Плунжеры этих клапанов под действием больших перестановочных сил сдвигаются в положение, при котором ЭГУ подключен к централизованной гидросистеме, полости гидроцилиндра 1 - к выходным каналам гидрораспределителя 12, а клапан демпфирования 7 размыкает цепь демпфирующего дросселя 6. В результате осуществляется включение магистрального режима работы привода. Переключение клапана 9 контролируется датчиком 10.
Если гидрокомпенсатор 16 был заполнен не полностью, то после нескольких движений поршня гидроцилиндра 1 осуществляется его дозаправка. После взвода пружины гидрокомпенсатора давление в нем открывает предохранительный клапан 15, через который в дальнейшем осуществляется сброс жидкости из привода, работающего в магистральном режиме, в сливную магистраль централизованной гидросистемы.
Во время предполетной проверки запирающий клапан 24 закрывается, клапан реверса 26 удерживается в нейтральном положении, на бесконтактный электродвигатель постоянного тока БДПТ подается напряжение и скорость вращения вала насоса 19 увеличивается настолько, что высокое давление подачи насоса открывает обратный клапан 18 и пороговый клапан 17 (если последний установлен) и жидкость от насоса подается в гидроаккумулятор 23 и торцевую камеру дополнительного толкателя 8 клапана демпфирования 7, подготавливая возможное переключение привода в автономный режим работы. Зарядка гидроаккумулятора 23 контролируется датчиком 22.
В магистральном режиме работы скорость выходного звена гидроцилиндра 1 регулируется золотниковым гидрораспределителем 12 в соответствии с работой позиционного следящего контура привода, замкнутого обратной связью с датчика положения штока гидроцилиндра 2.
Переключение привода на автономный режим работы осуществляется либо при падении давления в напорной магистрали централизованной гидросистемы, либо при снятии напряжения с обмотки управляющего клапана 13. В обоих случаях падает давление под торцом клапана переключения режимов 9 и его мощная пружина надежно переводит его в положение автономного режима работы привода, когда полости гидроцилиндра 1 соединяются с выходными каналами клапана реверса 26, а ЭГУ отключается от централизованной гидросистемы. Клапан демпфирования 7 остается в прежнем состоянии, удерживаемый усилием, которое развивает дополнительный толкатель 8 при запертом объеме жидкости в его торцевой камере и гидроаккумуляторе 23. Последний нужен для компенсации утечек жидкости через зазоры толкателя 8 клапана демпфирования с целью сохранения большого давления в этой торцевой камере во время падения давления нагнетания насоса 19.
Наличие клапана реверса 26 позволяет организовать комбинированное регулирование скорости выходного звена привода в автономном режиме его работы, при котором при больших и средних сигналах рассогласования реализуется преимущественно объемное регулирование скорости штока гидроцилиндра 1 за счет изменения подачи насоса 19, при малых сигналах рассогласования обеспечивается преимущественно дроссельное регулирование скорости за счет работы золотникового клапана реверса 26.
При этом клапан реверса 26 управляется микровычислителем с помощью ЛЭД таким образом, что смещение золотника клапана пропорционально сигналу рассогласования позиционного контура следящего привода, образованного замыканием сигнала отрицательной обратной связи с датчика 2. Пропорциональный режим обеспечивается работой контура управления клапаном, замкнутого позиционной отрицательной обратной связью с помощью датчика 25 положения золотника клапана. Рабочие окна клапана реверса 26 имеют большую площадь, обеспечивающую малый (порядка нескольких атмосфер) перепад давления на полностью открытых окнах даже при максимальной подаче насоса 19. При больших и средних сигналах рассогласования следящего привода управляющий микровычислитель задает скорость вращения БДПТ пропорционально абсолютной величине сигнала рассогласования. В результате, при средних и больших открытиях окон клапана 26 абсолютная величина скорости перемещения штока гидроцилиндра 1 регулируется преимущественно подачей насоса 19, которая, в свою очередь, управляется скоростью вращения вала БДПТ, т.е. работа привода с комбинированным управлением похожа на работу электрогидростатического привода с той лишь разницей, что электродвигатель и насос работают в нереверсивном режиме, а изменение направления движения штока гидроцилиндра осуществляется переключением клапана реверса 26.
При малых сигналах рассогласования следящего привода управляющий микровычислитель регулирует скорость вращения электродвигателя и, соответственно, подачу насоса 19 таким образом, что поддерживает давление питания клапана реверса на некотором минимальном уровне. При этом скорость поршня гидроцилиндра 1 регулируется золотниковым клапаном 26 при его малых открытиях подобно тому, как это происходит в дроссельном приводе. Для корректировки работы микровычислителя с целью улучшения характеристик привода при его нагружении в автономном режиме могут использоваться сигналы датчиков перепада давления 21 и 3 на входных и выходных каналах клапана реверса 26.
Использование комбинированного способа регулирования скорости позволяет значительно улучшить характеристики автономного привода при малых сигналах управления и за счет этого расширить функциональные возможности двухрежимного электрогидравлическоого привода, применяя его для управления рулевыми поверхностями маневренных самолетов и летательных аппаратов с малоустойчивой или неустойчивой аэродинамической компоновкой, для которых требуется высокая жесткость привода и его способность отрабатывать сигналы малой амплитуды вплоть до (0,1…0,2)% от максимальной. Кроме того, при комбинированном способе регулирования скорости от БДПТ и насоса не требуется хороших характеристик в области околонолевых скоростей вращения.
Во время нагружения работающей автономной части привода происходят повышение давления подачи насоса 19 и периодическая дополнительная подкачка жидкости в гидроаккумулятор 23 и торцевую камеру дополнительного толкателя клапана 7, компенсирующая возможную капельную утечку жидкости из нее через радиальные зазоры толкателя 8.
Предохранительный клапан насоса 20, открываясь при чрезмерном нагружении привода, ограничивает величину максимального давления на насосе 19.
Для перевода привода в режим пассивного демпфера колебаний поршня гидроцилиндра 1 снимается напряжение с обмоток управляющего клапана 13 и запирающего клапана 24, при этом падает давление в торцевых камерах клапана демпфирования 7 и его дополнительного толкателя 8. Клапан демпфирования под действием мощной пружины отключает гидроцилиндр от управляющих устройств и замыкает его полости через демпфирующий дроссель 6.
Схема привода позволяет в случае необходимости производить неоднократное переключение доступных режимов работы привода в любом порядке.
Возможно использование порогового клапана 17, который открывается только при превышении давлением подачи насоса 19 некоторой установленной величины. Это позволяет организовать контроль состояния насоса во время работы привода в режиме демпфера путем задания небольших тестовых управляющих сигналов, соответствующих незначительному подъему давления подачи насоса при закрытом клапане реверса 26, и проверки их отработки с помощью датчика 21.