АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД С КОМБИНИРОВАННЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА И КЛАПАНОМ ДЕМПФИРОВАНИЯ
STAND-ALONE HYDROELECTRIC DRIVE WITH COMBINED REGULATION OF OUTPUT LINK AND DAMPING VALVE

Предлагаемое устройство относится к следящим электрогидравлическим системам управления и может быть использовано в качестве автономного исполнительного электрогидравлического механизма в системах управления летательных аппаратов.
Известны автономные электрогидравлические приводы с комбинированным управлением скорости выходного звена, например привод, схема которого показана на Фиг.1 (см. патент РФ № 2305210 на изобретение «Автономный электрогидравлический привод с комбинированным управлением скоростью выходного звена» от 19.07.2005).
Привод содержит: электронные блоки управляющего микропроцессора и усилителя-инвертора, обеспечивающего работу бесколлекторного электродвигателя постоянного тока 9, нереверсивный нерегулируемый насос 8, золотниковый клапан реверса 17, управляемый линейным электродвигателем 18, гидроцилиндр 20 и вспомогательные элементы: гидрокомпенсатор 10, клапаны подпитки 19, предохранительные клапаны сливной полости 6 и полости нагнетания 7, ограничитель расхода, фильтр 4 с его предохранительным клапаном 5, электрический датчик положения золотника клапана реверса 3, электрические датчики перепада давления 2 на входе и выходе клапана реверса. Привод замкнут позиционной обратной связью с помощью датчика положения штока гидроцилиндра 1.
Клапан реверса 17 с окнами большой площади управляется микропроцессором с помощью линейного электродвигателя 18 таким образом, что смещение золотника клапана пропорционально сигналу рассогласования позиционного контура следящего привода.
При значительных сигналах рассогласования следящего привода и открытиях окон клапана абсолютная величина скорости перемещения штока гидроцилиндра 20 регулируется преимущественно подачей насоса 8, которая в свою очередь управляется скоростью вращения вала электродвигателя 9. При малых сигналах рассогласования следящего привода управляющий микропроцессор регулирует скорость вращения электродвигателя и, соответственно, подачу насоса таким образом, что поддерживает давление питания клапана реверса на некотором минимальном уровне. При этом скорость выходного звена привода регулируется золотниковым клапаном.
Минимальный уровень давления в приводе обеспечивается работой гидрокомпенсатора 10. В приводе-прототипе используется взводимый гидрокомпенсатор, который развивает расчетное давление только после подачи на короткое время высокого давления под торец плунжера взвода 14 при включении привода. Взведенное состояние гидрокомпенсатора сохраняется с помощью фиксатора взвода 12 во время всего времени работы привода и снимается при его выключении путем подачи короткого импульса на электромагнит снятия взвода 11. Взводимый гидрокомпенсатор облегчает использование относительно высоких значений минимального давления в приводе (порядка 2…3 МПа), при которых увеличивается динамическая жесткость привода.
В общем случае отказа какого-либо из основных элементов привода (например, электродвигателя или насоса, клапана реверса или датчика положения выходного звена) он может задавать неконтролируемое перемещение управляемого объекта или зафиксировать его в неопределенном положении. Появление подобного активного отказа привода при выходе из строя какого-либо из его основных элементов является существенным недостатком привода и значительно усложняет его применение в резервированных системах автоматического управления.
Недостатком привода-прототипа является и сложность конструкции фиксатора примененного в нем взводимого гидрокомпенсатора.
Технической задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый автономный электрогидравлический привод с комбинированным регулированием скорости выходного звена, содержащий электронные блоки управляющего микропроцессора и усилителя-инвертора, бесколлекторный электродвигатель постоянного тока, нерегулируемый нереверсивный насос, золотниковый клапан реверса, управляемый линейным электродвигателем, симметричный или несимметричный гидроцилиндр, взводимый гидрокомпенсатор, обеспечивающий во взведенном состоянии повышенное давление (порядка 2…3 МПа) в своей рабочей полости, фильтр, клапаны подпитки, предохранительные клапаны полости нагнетания и фильтра, датчики перепада давления и положения штока гидроцилиндра, согласно изобретению снабжен дренажным гидрокомпенсатором, обратным клапаном дренажных полостей, стоящим между рабочей и дренажной полостью взводимого гидрокомпенсатора, командным электрогидравлическим клапаном, соединяющим свой выходной канал либо с полостью дренажного гидрокомпенсатора, либо с рабочей полостью взводимого гидрокомпенсатора, двухпозиционным клапаном демпфирования, на один торец которого действуют силы пружины и давления жидкости в дренажном гидрокомпенсаторе, а на другой торец - выходное давление командного, клапана, и двумя демпфирующими дросселями, соединяющими взводимый гидрокомпенсатор с клапаном демпфирования, при этом взводимый гидрокомпенсатор выполнен с возвратной пружиной, электрогидравлическим клапаном-фиксатором плунжера взвода и герметичной дренажной полостью, соединенной с дренажным гидрокомпенсатором.
Согласно изобретению предлагаемый привод отличается от прототипа:
- Использованием дренажного гидрокомпенсатора, поддерживающего низкое давление (порядка 0,1…0,3 МПа) и компенсирующего температурные и иные изменения общего объема жидкости в автономном приводе.
- Выполнением взводимого гидрокомпенсатора с возвратной пружиной, электрогидравлическим клапаном-фиксатором плунжера взвода, герметичной дренажной полостью, соединенной с дренажным гидрокомпенсатором.
- Использованием маломощного командного электрогидравлического клапана, соединяющего свой выходной канал либо с полостью дренажного гидрокомпенсатора, либо с рабочей полостью взводимого гидрокомпенсатора.
- Применением двухпозиционного клапана демпфирования, на один торец которого действуют силы пружины и давление жидкости, подведенной от дренажного гидрокомпенсатора, а на другой торец - выходное давление командного клапана. Клапан демпфирования соединяет полости гидроцилиндра либо с клапаном реверса, либо с рабочей полостью взводимого гидрокомпенсатора через демпфирующие дроссели.
- Использованием двух демпфирующих дросселей, регулировкой которых обеспечивается нужная степень демпфирования выходного звена при движении в каждую из сторон.
- Использованием обратного клапана дренажных полостей, стоящего между рабочей и дренажной полостью взводимого гидрокомпенсатора.
Указанные отличия позволяют:
- Переключать привод из активного режима в режим пассивного демпфирования выходного звена при отказах его агрегатов (опорожнении рабочей полости взводимого гидрокомпенсатора, обрыве линии управления командного клапана, отказе насосной станции привода, выявленной системой контроля привода, заложенной в программу управляющего микропроцессора, и т.д.). Переключение привода в режим пассивного демпфера осуществляется путем снятия напряжения с обмотки командного электрогидравлического клапана и переключения клапаном демпфирования полостей гидроцилиндра от клапана реверса к рабочей полости взводимого гидрокомпенсатора через демпфирующие дроссели.
- Повысить функциональные возможности привода за счет переключения исправного привода из активного режима в режим пассивного демпфирования и обратно в произвольное время при получении управляющим микропроцессором привода соответствующего командного сигнала.
- Использовать в автономном приводе маломощный электрический сигнал для переключения командного клапана при применении достаточно мощного клапана демпфирования, обеспечивающего минимальные потери давления в его каналах.
- Обеспечить нужную степень демпфирования выходного звена при движении в каждую из сторон при использовании как симметричного, так и несимметричного гидроцилиндра.
- Обеспечить после снятия взвода взводимого гидрокомпенсатора автоматический перелив возможного избытка жидкости в дренажных полостях привода в рабочую полость взводимого гидрокомпенсатора для подготовки привода к последующей работе. Перелив осуществляется под действием возвратной пружины взводимого гидрокомпенсатора и пружины дренажного гидрокомпенсатора через обратный клапан дренажных полостей.
- Упростить конструкцию фиксатора плунжера взвода гидрокомпенсатора.
Указанные отличия являются принципиальными и создают новизну предлагаемого решения.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где:
на Фиг.1 показана схема прототипа электрогидравлического привода с комбинированным управлением скорости выходного звена,
на Фиг.2 показана принципиальная схема заявляемого автономного электрогидравлического привода с комбинированным регулированием скорости выходного звена и клапаном демпфирования.
Автономный электрогидравлический привод с комбинированным регулированием скорости выходного звена и клапаном демпфирования (привод) работает следующим образом.
В выключенном состоянии привода с обмоток электрогидравлических командного клапана 20 и клапана-фиксатора 14 снято напряжение, при этом клапан демпфирования 3 под действием пружины переключен в состояние, когда полости гидроцилиндра 22 соединены через демпфирующие дроссели 19.
к
к
При включении привода используется пусковой алгоритм управляющего микропроцессора для взвода гидрокомпенсатора 13, по которому клапан реверса 17 выставляется в нейтраль, подачей командного сигнала на бесконтактный электродвигатель постоянного тока 10 раскручивается вал насоса 9 до скорости, при которой давление подачи насоса поднимается до величины порядка 10 МПа. На обмотку электрогидравлического клапана-фиксатора 14 кратковременно подается напряжение, он открывается и высокое давление подается под торец плунжера взвода 15, который сдвигает пружинный блок взводимого гидрокомпенсатора 13. Этот блок имеет предварительно сжатую пружину 12 с ограничением ее максимальной длины. При сдвиге пружинного блока в рабочее положение предварительно сжатая пружина 12 дополнительно сжимается и развивает повышенное давление Р порядка 2…3 МПа в рабочей (левой) камере гидрокомпенсатора 13. Взведенное положение плунжера 15 фиксируется путем закрытия клапана-фиксатора 14 вплоть до выключения привода. Пусковой алгоритм завершается прекращением раскрутки вала насоса 9, замыканием в управляющем микропроцессоре следящего контура привода сигналом обратной связи с датчика 1 и подачей напряжения на обмотку командного клапана 20, который подводит давление Р под правый торец клапана демпфирования 3, переключая привод в активный режим работы.
При активном режиме работы привода полости гидроцилиндра 22 соединены с выходными каналами клапана реверса 17. Этот клапан управляется микропроцессором с помощью линейного электродвигателя 18 таким образом, что смещение золотника клапана пропорционально сигналу рассогласования позиционного контура следящего привода. Пропорциональный режим обеспечивается работой контура управления клапаном, замкнутого отрицательной позиционной обратной связью с помощью датчика 5 положения золотника клапана. Рабочие окна клапана реверса имеют большую площадь, обеспечивающую малый (порядка нескольких атмосфер) перепад давления на полностью открытых окнах даже при максимальной подаче насоса.
При больших и средних сигналах рассогласования следящего привода управляющий микропроцессор задает скорость вращения электродвигателя 10 пропорционально абсолютной величине сигнала рассогласования. В результате при значительных открытиях окон клапана абсолютная величина скорости перемещения штока гидроцилиндра 22 регулируется преимущественно подачей насоса 9, которая в свою очередь управляется скоростью вращения вала электродвигателя 10, а изменение направления движения штока гидроцилиндра осуществляется переключением клапана реверса 17.
При малых сигналах рассогласования следящего привода управляющий микропроцессор, используя информацию датчика 2 о перепаде давления на входных каналах клапана реверса, регулирует скорость вращения электродвигателя и, соответственно, подачу насоса таким образом, что поддерживает давление питания клапана реверса на некотором минимальном уровне. При этом скорость выходного звена привода регулируется золотниковым клапаном при его малых открытиях подобно тому, как это происходит в дроссельном приводе.
Таким образом, в активном режиме привода управляющий микропроцессор осуществляет комбинированное регулирование скорости штока гидроцилиндра. В соответствии с этим при малых сигналах рассогласования привода скорость и направление движения штока регулируются преимущественно пропорциональным клапаном реверса 17, а при средних и больших сигналах рассогласования скорость штока регулируется подачей насоса 9, а направление задается клапаном реверса 17.
Датчик 2 перепада давления на выходных каналах клапана реверса не является обязательным элементом схемы, его сигнал используется для корректировки работы микропроцессора с целью улучшения характеристик привода при его нагружении.
Дренажная полость взводимого гидрокомпенсатора 13 соединена с дренажным гидрокомпенсатором 4 малого объема, который служит для поддержания нижнего уровня давления в автономном приводе порядка 0,1…0,2 МПа при наличии утечек и изменения температуры жидкости.
Использование повышенного давления взводимого гидрокомпенсатора позволяет:
- повысить динамическую жесткость привода за счет исключения влияния нерастворенного воздуха в жидкости,
- обеспечить надежное переключение клапана демпфирования привода любой мощности при использовании маломощного командного электрогидравлического клапана,
- уменьшить объем рабочей камеры взводимого гидрокомпенсатора за счет устранения вспенивания рабочей жидкости.
В случае необходимости, например, после выявленного отказа какого-либо из основных элементов привода или привода в целом последний переводится в режим демпфера выходного звена путем снятия напряжения с обмотки командного клапана 20. При этом снятие напряжения осуществляется либо управляющим микропроцессором привода (по команде программы контроля текущего состояния привода), либо внешней по отношению к приводу системой контроля резервированной системы управления объектом (на фиг.2 не показана). Отключение командного клапана 20 приводит к выравниванию давлений на торцах клапана демпфирования 3 и он под действием пружины переключается в состояние, когда полости гидроцилиндра 22 соединены через демпфирующие дроссели 19 с гидрокомпенсатором 13. Использование двух дросселей 19 с различными сопротивлениями позволяет обеспечить нужную степень демпфирования выходного звена при движении в каждую из сторон при использовании несимметричного гидроцилиндра.
Возможны повторные переводы привода из режима демпфера в активный режим путем включения клапана 20.
При работе привода и особенно при переключениях клапана демпфирования 3 небольшое количество жидкости из основной гидросистемы привода может перетекать в дренажный гидрокомпенсатор 4. Для исключения постоянного накопления объема утечек в дренажном гидрокомпенсаторе в приводе предусмотрена автоматическая перекачка избытка жидкости в дренажном гидрокомпенсаторе в рабочую камеру взводимого гидрокомпенсатора 13 при выключении привода после полета. При выключении привода снимается взвод гидрокомпенсатора 13 путем кратковременного включения клапана 14, при этом поршень гидрокомпенсатора 13 и плунжер взвода 15 приводятся в исходное состояние возвратной пружиной 11. Во время этого движения давление в рабочей камере взводимого гидрокомпенсатора ниже давления в дренажных полостях и возможный избыток жидкости в дренажных полостях привода перекачивается пружиной дренажного гидрокомпенсатора 4 через обратный клапан дренажных полостей 16 в рабочую камеру взводимого гидрокомпенсатора.
Предохранительный клапан полости нагнетания 8, открываясь при чрезмерном нагружении привода, ограничивают величину максимального давления в ней. Предохранительный клапан фильтра 7 обеспечивает работу привода и целостность фильтра при его засорении. Клапаны подпитки 21 препятствуют падению давления в полостях гидроцилиндра ниже давления в рабочей полости взводимого гидрокомпенсатора при наличии помогающей силы на штоке.