ГИДРОПРИВОД ДИСКРЕТНОГО УГЛОВОГО ХОДА
HYDRAULIC DRIVE OF DISCRETE ANGULAR DISPLACEMENT

Изобретение относится к области гидроавтоматики, в частности к гидроприводам рулевого управления летательных аппаратов.
Известен гидравлический привод, содержащий поворотный рычаг, кинематически связанный с установленным на оси поворотным плоским золотником, размещенным с зазором на основании, кинематически связанным с валом поворотного гидродвигателя, золотник выполнен с размещенными по полуокружности отверстиями, при этом в крышке выполнены полость напора и полость слива, а в отверстиях золотника установлены полые распределительные втулки, опертые на поверхность основания (RU №2027078).
Известен гидравлический привод, содержащий поворотный шаговый электродвигатель, связанный передачей с установленным на оси поворотным плоским золотником, размещенным с зазором между крышкой с каналами напора и слива и плитой, кинематически связанным с валом поршневого гидродвигателя поворотного рабочего органа, а также датчик положения золотника, выполненного с размещенными по полуокружности распределительными отверстиями одинакового диаметра, при этом в крышке и плите выполнены полость напора и полость слива (RU №2266234).
Недостатками этих известных приводов являются большие габариты и вес, недостаточный диапазон углов поворота рабочего органа составляет ±33°, ограниченность максимальной нагрузки на рабочем органе - до 8 кгс-м, не обеспечена фиксация вала в нулевом положении при хранении и транспортировании в составе основного изделия.
Известен гидравлический привод дискретного углового перемещения, содержащий корпус, внутри которого размещен неполноповоротный лопастной гидродвигатель со статором и торцовыми крышками, внутри которых с образованием рабочих полостей установлен ротор с выходным валом с одной или несколькими лопастями с пазами под пластинчатые уплотнения. Между лопастями установлены неподвижно закрепленные на статоре разделители. Подвод рабочей жидкости в рабочие полости гидродвигателя осуществляется через каналы в валу ротора от закрепленного на его торце гидрораспределителя, содержащего основание и крышку, между плоскими торцами которых на центральной оси установлен плоский поворотный золотник, причем все три детали гидрораспределителя пронизаны двумя перпендикулярными торцам отверстиями, выходящими наружу из основания через втулки к каналам в валу ротора и заглушенные в крышке. Гидрораспределитель имеет напорный канал в крышке и сливные каналы, а также узел крепления крышки к основанию. Золотник связан зубчатой передачей с управляющим шаговым электродвигателем, а вал гидродвигателя через зубчатую передачу вращает датчик угла поворота вала.
Такая конструкция гидропривода обладает свойством запоминать рассогласование углов поворота золотника и вала гидродвигателя, образующегося при отставании вращения вала от вращения золотника из-за разных скоростей их движения или в результате временной остановки вала из-за его перегрузки, с последующим автоматическим устранением этого рассогласования при снижении нагрузки на вал или замедления движения золотника (RU №2445517, прототип). Недостатки прототипа заключаются в следующем:
значительные массогабаритные показатели и издержки производства в связи с наличием нескольких деталей статора в корпусе;
невысокий КПД гидродвигателя с крышками, закрепленными на роторе, и с подвижными уплотнениями между ротором и статором, установленными вблизи наружного диаметра ротора, из-за больших потерь на трение в этих уплотнениях;
невозможность увеличения угла поворота вала более 70° с сохранением способности запоминать рассогласования углов поворота вала и золотника;
- невозможность автоматического стопорения вала при выключении гидропривода и сбросе давления в его напорной линии.
Технической задачей изобретения является создание более эффективной конструкции гидропривода дискретного углового хода с расширением его функциональных возможностей.
Технический результат состоит в уменьшении массогабаритных показателей и издержек производства, повышении КПД, увеличении диапазона углов поворота вала до 240° с сохранением угла рассогласования вала и золотника до завершения отработки рассогласования, обеспечении надежного автоматического стопорения вала при отключении гидропривода и сбросе давления в его напорной линии.
Сущность изобретения состоит в том, что гидропривод дискретного углового хода содержит корпус, в котором размещен неполноповоротный лопастной гидродвигатель с ротором, установленным на валу с образованием рабочих полостей в статоре и снабженным, по меньшей мере, одной лопастью с уплотнениями, размещенными в пазах лопасти, причем между рабочими полостями гидродвигателя установлен, по меньшей мере, один неподвижно закрепленный на статоре разделитель, вал ротора выполнен с каналами для подвода в рабочие полости гидродвигателя рабочей жидкости от выполненного заодно с торцом ротора или закрепленного на нем основания гидрораспределителя, плоский поворотный золотник которого установлен на оси между сопряженными между собой плоскими поверхностями указанного основания и крышки гидрораспределителя, при этом основание, золотник и крышка гидрораспределителя выполнены с двумя сквозными перпендикулярными торцам отверстиями, подключенными к каналам вала ротора и заглушенными со стороны крышки гидрораспределителя, в которой выполнен напорный канал, золотник связан управляющей зубчатой передачей с управляющим шаговым электродвигателем, а вал гидродвигателя через зубчатую передачу обратной связи - с датчиком угла поворота вала, отличающийся тем, что статор гидродвигателя выполнен заодно с корпусом, непосредственно в расточке которого образованы рабочие полости гидродвигателя и установлен ротор с, по меньшей мере, одной лопастью, контактирующей с внутренней цилиндрической поверхностью расточки, а разделитель рабочих полостей закреплен к торцу этой расточки со стороны, противоположной крышке статора, дополнительно установленной на корпусе и выполненной с отверстием для вала ротора.
Предпочтительно, в отверстиях золотника гидрораспределителя установлены втулки, разделяющие кольцевые канавки на его торцах на напорный и сливной секторы, причем в напорном секторе канавки соединены между собой каналами, а в сливном секторе к канавкам примыкают пазы, открытые на наружную поверхность золотника, при этом угол, образованный линиями, соединяющими центры отверстий и центр оси поворота золотника в напорном секторе, равен или превышает максимальный угол поворота вала гидродвигателя. Узел крепления крышки гидрораспределителя к основанию гидрораспределителя выполнен в виде центрального болта с продольным каналом, соединенным с напорной линией, снабженного закрепленной на нем между крышкой гидрораспределителя и основанием распорной шайбой, служащей осью золотника, в каждой лопасти ротора выполнено сквозное отверстие, в которое установлен стяжной болт, причем в зоне паза лопасти болт охвачен жестким кольцом-ограничителем прогиба, под которое в пластинчатом уплотнении имеется ответное отверстие, крышка гидрораспределителя снабжена зубчатым сектором, образующим зубчатую передачу датчика обратной связи по углу поворота вала, вал снабжен устройством механической фиксации в виде подпружиненного поршня, размещенного в расточке вала с образованием камеры, подключенной к напорному каналу гидрораспределителя, при этом подпружиненный поршень выполнен с коническим хвостовиком, вокруг которого в радиальных отверстиях вала установлены шаровые фиксаторы, с возможностью взаимодействия с лунками, выполненными в расточке крышки статора гидродвигателя.
При этом крышка статора выполнена Z-образной формы поперечного сечения.
На фиг.1 изображена конструктивная схема гидропривода дискретного углового хода, на фиг.2 - разрез по А-А по фиг.1, на фиг.3 - конструктивная схема золотника гидрораспределителя.
Гидропривод дискретного углового хода содержит корпус 1, представляющий собой статор неполноповоротного исполнительного гидродвигателя. Корпус 1 снабжен установленной на резьбе и зафиксированной штифтом крышкой 2 статора гидродвигателя. В одной расточке 3 корпуса 1 с образованием рабочих полостей 4 и 5 установлены ротор 6 гидродвигателя с валом 7 и поворотной лопастью 8, разделитель 9 полостей 4, 5. Вал 7 с одной стороны проходит через сквозное осевое отверстие крышки 2. Разделитель 9 крепится к внутреннему (со стороны, противоположной крышке 2) торцу расточки 3 корпуса 1 с помощью штифтов 10. Лопасть 8 имеет паз с пластинчатым эластичным уплотнением 11 и поперечное сквозное отверстие 12, в котором установлен болт 13 с кольцом 14 ограничения прогиба, под которое в пластинчатых уплотнениях 11 сделаны ответные отверстия.
Вал 7 выполнен заодно с ротором 6, снабжен уплотнениями 15 и имеет продольные каналы 16 для подвода рабочей жидкости в рабочие полости 4,5 от поверхности его торца 17, служащего основанием (выполненного в виде основания) гидрораспределителя. Гидрораспределитель расположен в изолированной от расточки 3 соединенной со сливной линией 32 расточке корпуса 1 (не обозначена) и включает указанный торец 17 в качестве основания, крышку 18 гидрораспределителя и поворотный плоский золотник 19. Крышка 18 жестко, а плоский золотник 19 гидрораспределителя с возможностью поворота закреплены к торцу 17 вала 7 с помощью ввинченного в ротор 6 болта 20. Распорная шайба 21, установленная на цилиндрическом пояске болта 20, служит осью поворота для золотника 19. Болт 20 имеет со стороны, противоположной ротору 6, продольный канал 29, соединенный с напорной линией 30. Через пакет сопряженных болтом 20 частей 17-19 гидрораспределителя проходят насквозь два перпендикулярных плоскости торца 17 сквозных отверстия 22, соосные каналам 16 ротора 6 вала 7 и соединенные с ними. В золотнике 19 в отверстия 22 установлены втулки 23, а в крышке 18 имеют заглушки 24, закрывающие отверстия 22 со стороны, противоположной каналам 16. Втулки 23 разделяют кольцевые канавки 25 на обоих торцах золотника 19 на напорный 26 и сливной 27 секторы. В напорном секторе 26 кольцевые канавки 25 на обоих торцах (сторонах) золотника 19 соединены между собой отверстиями (сверлениями) 28 и, через каналы 29 в крышке 18 и в болте 20, подключены к напорной линии (каналу) 30 гидропривода. Угол а напорного сектора 26 между линиями, соединяющими центры отверстий 22 с осью поворота (центром) золотника 19, выполнен равным максимальному углу поворота ротора 6 до 240°. В сливном секторе 27 золотника 19 к кольцевым канавкам 25 примыкают (соединены) радиальные пазы 31, по которым происходит слив рабочей жидкости из канавок 25 сектора 27 золотника 19 в корпус 1 и далее в сливную линию 32 гидропривода. На наружной периферийной поверхности золотника 19 имеются зубья 33, образующие управляющую зубчатую передачу 34, связывающую его с управляющим шаговым электродвигателем 35, подключенным к внешней системе управления. На периферийной наружной поверхности крышки 18 золотника 19 имеется зубчатый сектор 36, образующий зубчатую передачу 37 обратной связи между валом 7 и датчиком 38 угла поворота вала 7. По оси вала 7 выполнен канал 39, подключенный каналом 29 к напорному каналу 30, соединенный с расточкой 40 у конца вала 7, в которой установлен подпружиненный поршень 41 с коническим хвостовиком 42, вокруг которого в радиальных отверстиях 43 вала 7 установлены шаровые фиксаторы 44 с возможностью взаимодействия с лунками 45 в крышке 2 статора гидродвигателя.
Гидропривод работает следующим образом.
До включения гидропривода в работу и при отсутствии давления в напорной линии 30 подпружиненный поршень 41 выталкивает шаровые фиксаторы 44 в лунки 45 и вал 7 механически фиксируется (стопорится) в крышке 2 гидропривода. После подачи давления в напорную линию 30 рабочая жидкость проходит по каналам 29, 39 под поршень 41 и отжимает его в крайнее правое (по фиг.1) положение, освобождая шаровые фиксаторы 44 и вал 7 от стопорения. При положении золотника 19, в котором его втулки 23 находятся против (соосны) отверстий 22, полости 4, 5 гидродвигателя затушены и его вал 7 гидравлически фиксируется (стопорится). Таким образом, в исходном положении при отсутствии электрического питания электродвигателя 35 вал 7 неподвижен и находится в любом устойчивом положении.
Информация от системы управления подается на шаговый электродвигатель 35 в виде последовательности однополярных прямоугольных управляющих импульсов напряжением, например, 26 В. При подаче одного импульса вал электродвигателя 35 поворачивается, например, на угол 3°. Режим работы электродвигателя 35 повторно-кратковременный. Частота отработки шагов 0,5-500 Гц, потребляемый ток не более 2А. После отработки управляющего сигнала вал электродвигателя 35 останавливается.
2
Шаговый электродвигатель 35 осуществляет управляющее смещение (поворот) золотника 19 с помощью зубчатой передачи 34. Смещение золотника 19 при повороте шагового электродвигателя 35 приводит к подключению рабочих полостей 4,5 к напорной и сливной линиям 30, 32 и повороту вала 7 при преодолении им нагрузки в ту же сторону вслед за золотником 19 и на тот же угол до нового гидравлического стопорения. При этом одна рабочая полость, например, полость 4 гидродвигателя соединяется с нагнетанием, а другая полость 5 - со сливом. На лопасти 8 ротора 6 действует усилие от давления в соответствующей полости 4(5), а на роторе 6 и выходном валу 7 формируется крутящий момент. Номинальный момент на валу 7 гидродвигателя составляет 20-30 кгс·м при давлении до 300 кгс/см.
В случае запаздывания поворота вала 7 или недостаточности момента на валу 7 гидродвигателя для преодоления внешней нагрузки, гидрораспределитель сохраняет (запоминает) величину рассогласования и после замедления шагового двигателя 35 или снижения нагрузки на валу 7 гидропривод доводит вал 7 до заданного шаговым двигателем 35 угла поворота. Максимальный угол рассогласования поворота золотника 19 и вала 7 может достигать 240°, так как такую угловую протяженность имеет напорный сектор 26 золотника 19. Сектор 26 золотника 19 обеспечивает доступ рабочей жидкости в полости 4(5) при угловом рассогласовании между валом шагового электродвигателя 35 и валом 7 гидродвигателя до 120 шагов в любую сторону, что соответствует повороту вала электродвигателя 35 на угол ±360°.
Совместно с валом 7 поворачивается крышка 18 золотника 19. Информация о положении вала 7 гидропривода формируется датчиком 38 угла поворота вала 7 благодаря жесткой связи последнего с крышкой 18 гидрораспределителя. Выходное напряжение датчика 38 пропорционально углу поворота вала 7.
Выполнение статора гидродвигателя заодно с корпусом 1 гидропривода, выполнение его крышки 2 Z-образной формы, повышающей ее жесткость, и закрепление ее на корпусе 1 с помощью резьбового соединения, а также крепление разделителей 9 к торцу расточки 3 корпуса 1 и выполнение основания гидрораспределителя в виде торца 17 (заодно с торцем 17) ротора 6 вала 7 существенно снижают радиальный и осевой размеры гидропривода, его массу и издержки производства. Выполнение разделителей 9 рабочих камер 4, 5 неподвижными позволяет перенести уплотнения между ротором 6 и статором 2 с наружного диаметра ротора 6 на его минимальный диаметр, равный диаметру вала 7, что многократно снижает момент трения в уплотнениях и тем самым повышает КПД гидропривода.
Выполнение кольцевых канавок 25 и втулок 23 в золотнике 19 гидрораспределителя (вместо выполнения их на основании) и выполнение в его сливном секторе 27 радиальных пазов 31, а также равенство угла поворота вала 7 и угла, образованного линиями, соединяющими центры отверстий 22 золотника 19 и центр оси поворота (шайбы 21) золотника 19 в напорном секторе 26 позволяют увеличить угол поворота вала 7 до 240° с возможностью сохранения рассогласования углов поворота золотника 19 и вала 7 до завершения отработки рассогласования.
Применение в узле крепления крышки 18 к основанию (торцу 17 вала 7) гидрораспределителя центрального болта 20 с продольным отверстием 29 и распорной шайбой 21, закрепленной на цилиндрическом пояске болта 20 между крышкой 18 и основанием 17 упрощает конструкцию и снижает издержки производства.
Сквозное отверстие 12 в лопастях 8 ротора 6 со встроенными болтами 13 и жесткими кольцами-ограничителями 14 прогиба в зоне паза под плоские уплотнители 11 позволяет повысить жесткость лопастей 8 на изгиб и сократить их угловую протяженность, что необходимо для увеличения допустимого угла поворота вала 7.
Установка в расточке у конца вала 7 подпружиненного поршня 41 с коническим хвостовиком 42, вокруг которого в радиальных отверстиях 43 вала 7 установлены шаровые фиксаторы 44, с возможностью их взаимодействия с лунками 45 в крышке 2 гидродвигателя и подключение расточки 40 с поршнем 41 к напорному каналу 30 гидрораспределителя обеспечивает автоматическое стопорение вала 7 при отключении гидропривода и сбросе давления в его напорной линии 30.
В результате обеспечиваются уменьшение массогабаритных показателей гидропривода в целом и издержек его производства с одновременным повышением КПД, увеличением диапазона углов поворота вала до 240°, а также надежность автоматической фиксации вала в нулевом положении при хранении и транспортировании в составе основного изделия.