Электропневмогидравлический рулевой привод

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 62-88

С.В. Алилуев, А.Н. Попов, В.А. Поршнев, В.В. Сафронов, Д.П. Тетерин ЭЛЕКТРОПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РУЛЕВОЙ ПРИВОД

С использованием методов гипервекторного ранжирования, идентификации и моделирования параметров динамических систем спроектирован и изготовлен комбинированный рулевой привод для перспективного автономного подводного аппарата. Приведены описание конструкции и порядок работы привода, перечислены недостатки, выявленные по результатам испытаний.

Системный анализ, математическое моделирование, электропривод рулевых органов, рулевой привод, автономный подводный аппарат

S.V. Aliluev, А.^ Popov, V.A. Porshnev, V.V. Safronov, D.P. Teterin

ELECTRONIC PNEUMOHYDROLIC STEERING GEAR

Using the methods for hyper-vector ranging, identification and modeling of dynamic systems parameters, a new combined steering gear for the perspective autonomous underwater vehicle has been designed and fabricated. The description of the design and the operating procedure of the steering gear are given, including the list offaults revealed as result of the tests.

System analysis, mathematical modeling, electric drive of the steering elements, steering gear, autonomous underwater vehicle

Введение

Разработка автономных подводных аппаратов (АПА) является одним из приоритетных направлений современной робототехники, которое должно определять порядок выполнения аварийно-спасательных, обзорно-поисковых, геологоразведочных, научно-исследовательских и других видов работ в океанских и морских зонах мирового океана в ближайшей перспективе. Развитие этого направления во многом зависит от степени совершенства используемых систем автоматического управления АПА и входящих в их состав рулевых приводов.

Различным вопросам построения рулевых приводов, особенностям их динамики посвящено большое количество работ, например, [1-3]. Вместе с тем общий подход к синтезу рулевых приводов АПА, применение методов системного анализа для выбора эффективных вариантов рулевых приводов АПА, вопросы конструктивного исполнения рулевых приводов, обеспечивающих установку, торможение и фиксацию органов управления АПА в заданном положении с требуемой точностью освещены в литературе недостаточно. Решение этих проблем представляется актуальным.

Общая методика синтеза и построения конструкции рулевого привода АПА заключается в следующем:

1. Генерирование полного множества вариантов рулевых приводов.

2. Разработка системы критериев, раскрывающих характерные свойства рулевых приводов.

3. Выбор (разработка) метода решения задачи.

4. Построение множества эффективных вариантов рулевых приводов (кортежа Парето) и выбор наилучшего по принятой совокупности критериев варианта рулевого привода для последующей реализации.

5. Разработка конструкторской документации и изготовление опытных образцов рулевого привода.

6. Построение математической модели разработанного рулевого привода и определение его динамических характеристик.

7. Проведение испытаний рулевого привода, установление соответствия его параметров требованиям технического задания.

8. Оценка адекватности математической модели.

9. Внесение необходимых коррективов в конструкторскую документацию.

Пункты 1-4 методики подробно раскрыты в [4]. С точки зрения системного анализа выбор наилучшего варианта рулевого привода сводится к задаче гипервекторного ранжирования, метод решения которой изложен в [5]. На основе метода морфологического ящика составлены морфологические таблицы и сгенерировано множество возможных вариантов рулевых приводов (более 3000), определено множество допустимых вариантов (восемь вариантов) и сформирована система критериев для всесторонней оценки рулевого привода.

Состав системы критериев: четыре многовекторные компоненты, двадцать три векторные компоненты, сорок один скалярный критерий. Осуществлены словесная и математическая постановки задачи гипервекторного ранжирования вариантов рулевых приводов. Раскрыты особенности решения задач при использовании метода «жёсткого» ранжирования, который лежит в основе метода гипервекторного ранжирования. Решение задачи оказалось возможным благодаря введению псевдозначений векторных и многовекторных компонент [5]. В качестве наилучшего по принятой совокупности критериев выбран комбинированный электропневмогидравлический рулевой привод.

При выполнении этапов 6-8 использовались, в частности, методы идентификации [6, 7] и моделирования [8, 9] сложных технических систем.

Цель настоящей статьи - разработка варианта конструкции выбранного электропневмогидравличе-ского рулевого привода АПА и проверка его работоспособности в различных режимах эксплуатации.

Особенности конструкции электропневмогидравлического рулевого привода

Конструктивными особенностями электропневмогидравлического рулевого привода являются: наличие гидроцилиндра с двумя гидравлическими рабочими камерами; пневмокамеры в виде надувных баллонов, взаимодействующих в противофазе с гидравлическими камерами и сообщённых посредством распределителей с источником давления и разряжения.

На рис. 1, 2 соответственно приведены комбинированная схема и трехмерная модель электропнев-могидравлического привода. Привод включает общую корпусную оболочку 1, куда входят пневмоци-линдр 2 и гидроцилиндр 3 с камерами 4, 5, 6 и 7. Камеры представляют собой внутренние полости, в них установлен единый шток 8 пневмоцилиндра 2 и гидроцилиндра 3. Камеры 4 и 5 - соответственно надплунжерные и подплунжерные полости пневмоцилиндра 2; камеры 6 и 7 - соответственно надплун-жерные и подплунжерные полости гидроцилиндра 3. Надплунжерная 6 и подплунжерная 7 полости гидроцилиндра 3 соединены между собой параллельными каналами 9 и 10 для перепуска рабочей жидкости из одной полости 6 в другую полость 7. В канале 9 установлены клапан с пневмоприводом 11 и датчики измерения давления 13, а в канале 10 - электромагнитный клапан 12 и датчик линейного перемещения 14.

В каналах подачи воздуха 15 и 16 установлены стравливающие электромагнитные клапаны 17 и 18, а на едином штоке 8 жестко закреплены пневмоплунжер 19 и гидроплунжер 20.

Датчик линейного перемещения 14 контролирует линейное положение штока 8. Датчики давления 13 измеряют давление в надплунжерной 6 и подплунжерной 7 полостях гидроцилиндра 3. Датчик линейного перемещения 14 и датчики измерения давления 13 вырабатывают сигналы отрицательной обратной связи.

Особенности взаимодействия элементов электропневмогидравлического рулевого привода

В исходном положении надплунжерные 6 и подплунжерные 7 полости гидроцилиндра 3, параллельные каналы 9 и 10 заполнены рабочей жидкостью. Электромагнитный клапан 12 работает в режиме широтно-импульсной модуляции, обеспечивающей переменное гидравлическое сопротивление канала 10.

При подаче воздуха в полость 4 пневмоцилиндра 2 через канал 15 открывается стравливающий электромагнитный клапан 17. Под действием внутреннего давления в полости 4 плунжер 19 пневмоцилиндра 2 совместно со штоком 8 и плунжером 20 гидроцилиндра 3 перемещается вправо. Воздух из подплунжерной полости 5 вытесняется в атмосферу через выключенный стравливающий электромагнитный клапан 18. Одновременно рабочая жидкость, находящаяся в подплунжерной полости 7

гидроцилиндра 3, перетекает через открытый клапан с пневмоприводом 11 и электромагнитный клапан 12 по каналу 9 в надплунжерную полость 6 гидроцилиндра 3. Тем самым достигается минимальное тормозное усилие на едином штоке 8, создаваемое гидроцилиндром 3.

Рис. 1. Комбинированная схема электропневмогидравлического рулевого привода автономного подводного аппарата

Рис. 2. Трехмерная модель электропневмогидравлического рулевого привода автономного подводного аппарата

При подходе единого штока 8 к заданному положению система управления закрывает клапан с пневмоприводом 11, рабочая жидкость перетекает из подплунжерной полости 7 гидроцилиндра 3 по каналу 10 через электромагнитный клапан 12 в надплунжерную полость 6, при этом гидравлическое сопротивление канала 10 возрастает. Расход жидкости через канал резко падает, давление подплун-жерной полости 7 гидроцилиндра 3 возрастает до максимального значения, что приводит к резкому торможению единого штока 8. Для фиксации штока 8 в данном положении выключается стравливающий электромагнитный клапан 17. Расход жидкости через электромагнитный клапан 12 прекращается, давление в полостях 6 и 7 гидроцилиндра 3 выравнивается, единый шток 8 и рабочий орган фиксируются с высокой точностью, поскольку рабочая жидкость несжимаема.

При перемещении единого штока 8 в обратном направлении работа элементов гидравлического привода аналогична.

При подаче воздуха в полость 5 пневмоцилиндра 2 через магистраль 16 открывается стравливающий электромагнитный клапан 18, в результате чего под действием внутреннего давления в полости 5 плунжер 19 пневмоцилиндра 2 совместно со штоком 8 и плунжером 20 гидроцилиндра 3 перемещается влево. Воздух из надплунжерной полости 4 вытесняется в атмосферу через выключенный стравливающий электромагнитный клапан 17.

Одновременно рабочая жидкость из надплунжерной полости 6 гидроцилиндра 3 перетекает через открытый клапан с пневмоприводом 11 по каналу 9 и электромагнитный клапан 12 по каналу 10 в под-плунжерную полость 7 гидроцилиндра 3, чем достигается минимальное тормозное усилие на штоке 8.

При подходе штока 8 к заданному положению система управления закрывает клапан с пневмоприводом 11. Рабочая жидкость перетекает из надплунжерной полости 6 гидроцилиндра 3 через электромагнитный клапан 12 по каналу 10 в подплунжерную полость 7. Гидравлическое сопротивление канала 10 при работающем в режиме широтно-импульсной модуляции электромагнитном клапане 12 возрастает. Расход жидкости через него резко падает, давление в надплунжерной полости 6 гидроцилиндра 3 возрастает до максимального значения, что приводит к резкому торможению штока 8. Для фиксации штока 8 в данном положении выключается стравливающий электромагнитный клапан 18. Расход жидкости через электромагнитный клапан 12 прекращается, давление в полостях 6 и 7 гидроцилиндра 3 становится одинаковым, рабочий орган фиксируется с высокой точностью.

Внешний вид электропневмогидравлического рулевого привода представлен на рис. 3. Конструкция предлагаемого рулевого привода защищена патентом на полезную модель [10].

Рис. 3. Опытный образец электропневмогидравлического рулевого привода автономного подводного аппарата

Техническая новизна электропневмогидравлического рулевого привода заключается в использовании гидроцилиндра в качестве тормозящего элемента. Гидроцилиндр находится на одном валу с пневмоцилиндром, что позволяет реализовать преимущества как пневмо-, так и гидроуправления. Отличительной чертой пневмоуправления является быстродействие, а гидроуправления - высокая точность фиксации рабочего органа в заданном положении.

Заключение

С использованием методов системного анализа, гипервекторного ранжирования синтезирован наилучший по совокупности критериев вариант электропневмогидравлического рулевого привода. Разработана конструкция рулевого привода, характеристики которого соответствуют требованиям технического задания.

Проведены математическое моделирование и предварительные испытания опытных образцов рулевых приводов, которые показали, что установка рулевого органа АПА в заданное положение и последующая его фиксация осуществляются с высокой точностью во всех режимах эксплуатации.

В ходе предварительных испытаний выявлены следующие конструктивные недостатки:

- большая масса;

- высокое давление рабочего тела;

- повышенная трудоемкость при прокачке привода и наличие «мертвых» зон;

- большое количество уплотнительных соединений.

Недостатки планируется устранить в рамках последующих исследований, которые предполагают, в том числе, использование новых методов:

- гипервекторного перевода сложных технических систем в лидеры [11];

- математического и аналогового моделирования динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями высокого порядка [12].

ЛИТЕРАТУРА

1. Динамика следящих приводов: учеб. пособие для втузов / Б.И. Петров, В. А. Полковников, Л.В. Рабинович и др.; под ред. Л.В. Рабиновича. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. 496 с.

2. Гидравлические приводы летательных аппаратов: учеб. для авиационных специальностей вузов / Н.С. Гамынин, В.И. Карев, A.M. Потапов, A.M. Селиванов; под общ. ред. В.И. Карева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 368 с.

3. Следящие приводы: в 3 т. Т. 1. Теория и проектирование следящих приводов / под ред. Б.К. Чемоданова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 904 с.

4. Выбор наилучшего варианта рулевого привода для автономных подводных аппаратов / С.В. Алилуев, В.А. Поршнев, В.В. Сафронов, Д.П. Тетерин // Труды XVII Всероссийской научно-практической конференции РАРАН (1-4 апреля 2014 г.). Т. 4. Военно-морской флот России. М.: РАРАН, 2014. С. 304-314.

5. Сафронов В.В. Основы системного анализа: методы многовекторной оптимизации и многовекторного ранжирования: монография. Саратов: Научная книга, 2009. 329 с.

6. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: пер с англ. / под ред. Я.З. Цыпкина. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. 432 с.

7. Методы классической и современной теории автоматического управления: учеб.: в 5 т. Т. 2. Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления / под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егунова. 2-е изд. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 640 с.

8. Решение линейных дифференциальных уравнений. Аналитико-числовые методы и алгоритмы / Л.Г. Быстров, Г.С. Говоренко, Д.П. Тетерин и др. М.: Изд-во МГУЛ, 2004. Ч. 1. 440 с.

9. Тетерин Д.П. Методы моделирования линейных стационарных элементов систем управления летательных аппаратов // Вестник СГТУ. 2009. № 4. Вып. 1. С. 95-100.

10. Пат. № 114738 РФ, МПК F15B11/072. Пневмогидравлический привод / А.В. Алилуев, С.В. Алилуев, Г.С. Говоренко и др. Заявл. 23.12.2011; опубл. 10.04.2012. Бюл. № 10.

11. Сафронов В.В. Гипервекторный перевод сложной системы в число лидеров // Информационные технологии. 2005. № 12. С. 20-25.

12. Тетерин Д.П. Алгоритм приведения «-точечных краевых задач для однородных линейных дифференциальных уравнений высших порядков к задаче Коши // Вестник СГТУ. 2009. № 2. Вып. 2. С. 11-18.

Алилуев Сергей Васильевич -

ведущий-конструктор ОАО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», г. Саратов

Попов Александр Николаевич -

генеральный директор ОАО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», г. Саратов

Сафронов Валерий Васильевич -

доктор технических наук, профессор,

главный научный сотрудник

ОАО «КБ Электроприбор», г. Саратов

Поршнев Владимир Александрович -

кандидат технических наук,

начальник научно-исследовательского центра

ОАО «КБ Электроприбор», г. Саратов

Sergey V. Aliluev -

Leading Designer,

JSC Design Bureau of Industrial

Automation, Saratov

Alexander N. Popov - Director General, JSC Design Bureau of Industrial Automation, Saratov

Valeriy V. Safronov -Dr. Sc., Professor, Chief Scientific Officer JSC KB Electropribor, Saratov

Vladimir A. Porshnev -Ph.D.,

Head of Research Center, JSC KB Electropribor, Saratov

Тетерин Дмитрий Павлович -

доктор технических наук, заместитель главного конструктора ОАО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», г. Саратов

Статья поступила в редакцию 15.12.15, принята к опубликованию 10.06.16

Dmitriy P. Teterin -

Dr.Sc.,

Deputy Chief Designer, JSC Design Bureau of Industrial Automation, Saratov