Рулевой привод автономного подводного аппарата

Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2016, том 2 УДК 62-88 (031) _

Алилуев1 С.В., Поршнев2 В.А., ¡Сафронов2 В.В., Сергушов1 И.В.

1ОАО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», Саратов, Россия 2ОАО «КБ Электроприбор», Саратов, Россия

РУЛЕВОЙ ПРИВОД АВТОНОМНОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА

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

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

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 число 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 научно-технических задач 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 изготовлении 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 необходимой коррекции 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 векторных компонент, сорок один скалярных критериев. 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 каче-

стве наилучшего по принятой совокупности критериев выбран комбинированный электропневмогид-равлический рулевой привод.

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

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

Особенности конструкции электропневмогидрав-лического рулевого привода. Конструктивными особенностями электропневмогидравлического рулевого привода являются: наличие гидроцилиндра с двумя гидравлическими рабочими камерами; пнев-мокамеры 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 электроп-невмогидравлического привода. Привод включает в себя общую корпусную оболочку 1, куда входят пневмоцилиндр 2 и гидроцилиндр 3 с камерами 4, 5, 6 и 7. Камеры представляют собой внутренние полости, в них установлен единый шток 8 пневмо-цилиндра 2 и гидроцилиндра 3. Камеры 4 и 5 -соответственно надплунжерные и подплунжерные полости пневмоцилиндра 2; камеры 6 и 7 -соответственно надплунжерные и подплунжерные полости гидроцилиндра 3. Надплунжерная 6 и под-плунжерная 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 пневмо-плунжер 19 и гидроплунжер 20.

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

Особенности взаимодействия элементов электро-пневмогидравлического рулевого привода

В исходном положении надплунжерные 6 и под-плунжерные 7 полости гидроцилиндра 3, параллельные каналы 9 и 10 заполнены рабочей жидкостью. Электромагнитный клапан 12 работает в режиме ши-ротно-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 пневмоци-линдра 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.

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 жид-

кости через канал резко падает, давление под-плунжерной 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.

Рисунок 1 - Комбинированная схема электропневмогидравлического рулевого привода автономного

подводного аппарата

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.

Рисунок 2 - Трехмерная модель электропневмогидравлического рулевого привода автономного

подводного аппарата

Одновременно рабочая жидкость из надплунжер-ной 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 под-плунжерную 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].

Рисунок 3 - Опытный образец электропневмогидравлического рулевого привода автономного подводного

аппарата

Техническая новизна электропневмогидравличе-ского 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 Учебник 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. Выбор эффективных вариантов средств моделирования элементов бортовых систем управления летательных аппаратов методами гипервекторного ранжирования // Надежности и качество: Труды Международного симпозиума Надежность и качество. Пенза: ПГУ, 2015. 1 т. С. 150-154.Батраева И.А, Попов А.Н., Сафронов В.В., Северов А.А.

4. Генерирование возможных вариантов рулевых приводов для автономных подводных аппаратов / Али-луев С.В., Сафронов В.В., Поршнев В.А., Тетерин Д.П.// Надежность и качество: Труды Международного симпозиума// Под ред. Н. К. Юркова. - Пенза: Из-во Пенз. ГУ, 2014. 2 т.

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

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

7. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5-ти томах; 2-е издание. Т.2: Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егунова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 640 с.

8. Быстров Л.Г. Решение линейных дифференциальных уравнений. Аналитико-числовые методы и алгоритмы. Часть 1 / Л.Г. Быстров, Г.С. Говоренко, А.В. Гориш, В.В. Сафронов, Д.П. Тетерин, В.А. Ушаков. М.: Изд-во МГУЛ, 2004. 440 с.

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

10. Патент № 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 / В.В. Сафронов // Информационные технологии. 2005. № 12. С. 20-25.

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

УДК 629.7.017.1

Сыздыков1 А.Б., Кейкибаев1 Д.Д. , Абдисамат2 Д.Н, , Сулемейнова3 А.Х., Ергалиев3 Д.С.

1ТОО «Ралам», Астана, Казахстан

2АО «Национальная компания «Казахстан Рарыш Сапары», Астана, Казахстан 3Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Астана, Казахстан

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЦЕССА СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДОВ С ПОМОЩЬЮ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНИТЕЛЯ И ПАЙКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КАБЕЛЬНОГО ЖГУТА ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

В статье дано краткое описание сравнительного анализа себестоимости процесса соединения проводов, выполненных способом обжима последовательного соединителя с установленными в него проводами и способом пайки проводов. Ключевые слова:

последовательный соединитель, обжим, пайка, зачистка, растяжение, разрыв.

В данной работе применялся метод хронометрирования, который представляет собой совокупность и последовательность приемов и процедур регистрации изменений во времени каких-либо параметров деятельности специалистов кабельного участка с использованием секундомера или часов.

Хронометраж в профессиографии обычно дополняет и уточняет наблюдение за ходом трудового процесса. Он позволяет определить длительность действий и операций, частоту их повторяемости за определенные временные интервалы, интенсивность рабочего процесса, продолжительность пауз между отдельными операциями.

Метод хронометрии обладает рядом

возможностей: прежде всего позволяет установить распределение временных затрат на выполнение различных действий и операций, дает возможность зафиксировать фактические затраты времени на создание (производство) единицы продукта и

В космической отрасли используется только термическая зачистка, так как для изделий космической отрасли другие способы зачистки проводов для процесса их соединения неприемлемы.

обосновать ее нормы, определить динамику активности специалиста (сенсорной, моторной, интеллектуальной и иных видов) при исследовании его работоспособности; выявляет причины ошибок, помех, потерь времени, воздействующих на эффективность профессиональной деятельности. Метод позволяет прогнозировать и решать проблему планирования и распределения временных ресурсов в организации.

Данная работа была проведена в отделе кабельных систем специального конструкторского технологического бюро космической техники в совместном казахстанского-французком

предприятии «Ралам» в городе Астане.

Так как в космической отрасли широко используется различные соединения проводов, рассмотрим два типа. Первый тип с помощью обжима последовательного соединителя и второй с помощью пайки.

Для зачистки проводов используется термостри-пер фирмы Davum, приведенный в таблице 1.

1

Далее обжим осуществляется с помощью обжимного инструмента приведенного на рисунке 3. Образец проводов соединенных с помощью обжимного инструмента для проводов, приведены на рисунке 4.

Таблица

Инструмент термической зачистки

Инструмент термической зачистки используется для зачистки проводов космического назначения.

Производитель

DAVUM TMC

Рисунки

Рисунок 1 - Инструмент термической зачистки (Davum TMC PB 150M v6

DAVUM TMC

Рисунок 2 - Кабель инструмента термической зачистки