ДВУХРЕЖИМНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ РЕЖИМАМИ КОЛЬЦЕВАНИЯ И ДЕМПФИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА
DUAL-MODE HYDROELECTRIC DRIVE WITH ADDITIONAL MODES OF OUTPUT LINK CROSSFEEDING AND DAMPING

Изобретение 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 №1994PT0001/17.10.2002).
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.
Известные двухрежимные приводы обладают существенными недостатками. 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, содержащем электрогидравлический усилитель, питающийся от централизованной гидросистемы, бесконтактный электродвигатель с регулируемой скоростью вращения ротора, электронный блок его управления, нерегулируемый насос, гидрокомпенсатор с предохранительным клапаном, гидроцилиндр, клапан переключения активных режимов работы для подключения этого гидроцилиндра к электрогидравлическому усилителю или насосу, демпфирующий дроссель и шунтирующий канал, которые клапанами подключаются между полостями гидроцилиндра,
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 двухпозиционный коммутирующий клапан, который либо подключает левую полость гидроцилиндра к клапану переключения активных режимов и к шунтирующему каналу, либо подключает ее к демпфирующему дросселю,
согласно изобретению в приводе использован второй двухпозиционный коммутирующий клапан, который либо подключает левую полость гидроцилиндра к клапану переключения активных режимов и правую полость гидроцилиндра к шунтирующему каналу, либо соединяет эту правую полость с демпфирующим дросселем,
согласно изобретению в приводе использован электрогидравлический управляющий клапан, соединяющий торцевую камеру первого коммутирующего клапана и клапана переключения активных режимов с магистралью нагнетания централизованной гидросистемы или с гидрокомпенсатором,
при этом, согласно изобретению торцевая камера второго коммутирующего клапана соединена с гидроаккумулятором, с гидрокомпенсатором через электрогидравлический запирающий клапан, и с выходным каналом насоса через последовательно включенные обратный клапан и пороговый клапан, 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 двух двухпозиционных коммутирующих клапанов, которые обеспечивают включение или выключение между полостями гидроцилиндра как демпфирующего дросселя, так и шунтирующего канала,
- использованием электрогидравлического управляющего клапана для управления клапаном переключения активных режимов и первым коммутирующим клапаном,
- использованием соединения торцевой камеры второго коммутирующего клапана с выходным каналом насоса через последовательно включенные обратный и пороговый клапаны для управления вторым коммутирующим клапаном с помощью давления нагнетания насоса,
- использованием гидроаккумулятора для сохранения высокого давления в торцевой камере второго коммутирующего клапана в условиях утечек жидкости через зазоры клапанов во время падения давления нагнетания насоса,
- использованием электрогидравлического запирающего клапана для выключения второго коммутирующего клапана.
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 летательных аппаратов с малоустойчивой или неустойчивой аэродинамической компоновкой, для которых требуется способность привода отрабатывать сигналы малой амплитуды вплоть до (0,1...0,2)% от максимальной,
- расширить функциональные возможности привода за счет добавления двух дополнительных режимов работы: кольцевания полостей гидроцилиндра и демпфирования колебаний выходного звена. Режим кольцевания полостей гидроцилиндра позволяет практически отключать привод, находящийся в резерве, от рулевой поверхности, при этом он не мешает ее перемещению с помощью другого активного привода. Режим демпфирования необходим в случае аварийной потери управления рулевой поверхности для предотвращения ее самопроизвольных колебаний,
- использовать маломощные электрические сигналы для надежного (то есть с большими перестановочными силами на плунжерах коммутационных клапанов и клапана переключения активных режимов) перевода привода в любой последовательности в четыре возможных режима работы.
Указанные отличия являются принципиальными и создают новизну предлагаемого решения.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показана схема прототипа двухрежимного электрогидравлического привода,
на фиг.2 показана принципиальная схема заявляемого двухрежимного электрогидравлического привода с дополнительными режимами кольцевания и демпфирования выходного звена,
на фиг.3 показана таблица соответствия состояний двух коммутирующих клапанов и режимов работы привода.
Двухрежимный привод с дополнительными режимами кольцевания и демпфирования выходного звена работает следующим образом:
При включении привода подается напряжение на обмотку управляющего клапана 13, этот клапан подает давление нагнетания гидросистемы под торцы клапана переключения активных режимов 9 и первого коммутирующего клапана 6. 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 левая полость гидроцилиндра - к шунтирующему каналу.
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.
Предположим для определенности, что по программе полета привод предполагается использовать как резервный для управления рулевой поверхностью. Тогда перед полетом его необходимо перевести в режим кольцевания полостей гидроцилиндра. Для этого 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 пороговый клапан 17 и обратный клапан 18 и жидкость от насоса подается в гидроаккумулятор 23 и торцевую камеру второго коммутационного клапана 8. Этот клапан надежно (под действием большой перестановочной силы) переключается, соединяя правую полость гидроцилиндра с шунтирующим каналом. В результате, обе полости гидроцилиндра оказываются соединены шунтирующим каналом и гидроцилиндр не оказывает сопротивления перемещению его выходного звена внешней силой. После включения режима кольцевания вращение электродвигателя 19 останавливается, однако давление в торцевой камере второго коммутирующего клапана 8 не падает. Оно поддерживается в запертом объеме даже при возможных незначительных утечках через зазоры клапанов за счет гидроаккумулятора 23. Зарядка этого гидроаккумулятора контролируется датчиком 22.
При необходимости включения магистрального режима работы привода снимается напряжение с обмотки электрогидравлического запирающего клапана 24. При этом торцевая камера второго коммутирующего клапана 8 соединяется с гидрокомпенсатором 16, давление в ней падает и клапан 8 переключается в положение, при котором правая полость гидроцилиндра отключается от шунтирующего канала.
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. Одновременно падает давление под торцом коммутирующего клапана 6 и он под действием мощной пружины переключается в состояние, когда к левой полости гидроцилиндра 1 присоединен демпфирующий дроссель 7.
Переключение клапана 9 контролируется датчиком 10 и по его команде запускается работа автономной части привода. Для этого подается напряжение на обмотку запирающего клапана 24 и он закрывается, на бесконтактный электродвигатель постоянного тока БДПТ кратковременно подается напряжение при нейтральном состоянии клапана реверса 26 и скорость вращения вала насоса 19 увеличивается настолько, что высокое давление подачи насоса открывает пороговый клапан 17 и обратный клапан 18 и жидкость от насоса подается в гидроаккумулятор 23 и торцевую камеру второго коммутационного клапана 8. Этот клапан надежно (под действием большой перестановочной силы) переключается, соединяя левую полость гидроцилиндра 1 с соответствующим выходным каналом клапана 9. После срабатывания датчика 22 процесс запуска автономного режима работы привода заканчивается, в дальнейшем скорость перемещения поршня гидроцилиндра 1 одновременно регулируется подачей насоса 19 и открытием клапана реверса 26.
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 используются 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 привода, применяя его для управления рулевыми поверхностями летательных аппаратов с малоустойчивой или неустойчивой аэродинамической компоновкой, для которых требуется способность привода 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 происходит повышение давления подачи насоса 19 и периодическая дополнительная подкачка жидкости в гидроаккумулятор 23 и торцевую камеру клапана 8, компенсирующая возможную капельную утечку жидкости из нее через радиальные зазоры клапанов.
Предохранительный клапан насоса 20, открываясь при чрезмерном нагружении привода, ограничивает величину максимального давления на насосе 19.
В случае аварийной потери управления рулевой поверхности привод переводится в режим пассивного демпфера колебаний поршня гидроцилиндра 1. Для этого снимается напряжение с обмоток управляющего клапана 13 (если оно было еще не снято) и запирающего клапана 24, при этом падает давление в торцевых камерах обоих коммутирующих клапанов 6 и 8, которые переключаются в состояние, при котором полости гидроцилиндра 1 соединены через демпфирующий дроссель 7.
Схема привода позволяет в случае необходимости производить неоднократное переключение доступных режимов работы привода в любом порядке.