ЧЕТЫРЕХЛИНЕЙНЫЙ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ С ПЛОСКИМ ПОВОРОТНЫМ ЗОЛОТНИКОМ И ЦЕНТРАЛЬНЫМ ПРИВОДОМ МОДУЛЬНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ДЛЯ ВСТРОЕННОГО МОНТАЖА
FOUR-LINE HYDRAULIC DISTRIBUTOR WITH FLAT ROTARY VALVE AND CENTRAL MODULAR DRIVE FOR BUILT-IN ERECTION

Изобретение относится к гидроавтоматике, в частности к гидрораспределителям с плоским поворотным золотником, применяемым в гидроприводах с ручным управлением, например в гидромеханических рулевых приводах следящих систем управления летательных аппаратов.
Известен гидрораспределитель, содержащий распределительную плиту с дросселирующим сливным отверстием, опорное кольцо, прижимную плиту, поворотный плоский золотник, охватываемый рычагом, закрепленным на управляющем валу и разделяющим внутренний объем гидрораспределителя на две полости. На рычаге управляющего вала в районе сливных кромок золотника выполнен фасонный профиль, отклоняющий сливную струю и компенсирующий гидродинамические силы на золотнике (см. журнал «Авиационная промышленность», №10, 1974, с.30, Ружицкий Е.Н. и др. «Обеспечение устойчивости и гидродинамической разгрузки плоских золотников распределительных устройств большой мощности»).
Недостатком этого гидрораспределителя является сложность расчета и изготовления фасонного профиля, а также недостаточная эффективность компенсации гидродинамических сил.
Известны распределители по АС №SU 577303 кл. F01L 5/02, 25.10.77 и SU 1080552 А, кл. F01L 5/02, 23.01.81, которые содержат корпус, распределительную плиту и поворотный плоский золотник, охватываемый рычагом, закрепленным на управляющем валу и разделяющим внутренний объем гидрораспределителя на две полости.
Указанные гидрораспределители конструктивно проще решают вопрос повышения эффективности компенсации гидродинамических сил и улучшения характеристик управляющего момента по ходу золотника путем выполнения в распределительной плите дросселирующих сливных отверстий, перекрываемых рычагом-лопастью во время движения.
Однако в целом известные гидрораспределители отличаются конструктивной сложностью и нетехнологичностью. Так, для использования таких гидрораспределителей в гидроприводе требуется соблюдение высокой точности изготовления установочной поверхности и выполнение жестких требований к ее шероховатости: допуск плоскостности поверхности корпуса привода, на которую устанавливается гидрораспределитель, должен составлять 3…5 мкм, а параметр шероховатости Ra- не более 0,25…0,5 мкм. Корпуса и плиты известных гидрораспределителей имеют сложную форму и нетехнологичны.
В связи с необходимостью расстыковки всего узла гидрораспределителя перед установкой его на привод из-за снятия транспортировочной плиты, прижимающей торцовые уплотнительные кольца к установочной поверхности распределительной плиты, могут изменяться технические характеристики гидрораспределителя. Монтаж известных гидрораспределителей в гидропривод существенно увеличивает его массу и габариты.
Известен гидрораспределитель с плоским поворотным золотником, охватываемый рычагом, закрепленным на управляющем валу и разделяющим внутренний объем гидрораспределителя на две полости по патенту RU 2219352 С2, 7 F01L 7/06, F15B 13/02, 20.12.2003 г., бюллетень №35. Данный гидрораспределитель с рычажным приводным устройством выполнен с возможностью его встройки непосредственно в корпус гидропривода, что исключает его разборку перед постановкой на гидропривод и улучшает качество проведения ремонтно-восстановительных работ.
Однако общим недостатком известных решений и известных конструкций гидрораспределителей является невозможность их использования в гидроприводах или рулевых системах большой мощности с высокими скоростями движения исполнительных выходных звеньев. Характерной особенностью быстродействующих следящих приводов, в частности приводов управления высокоманевренными летательными аппаратами, является высокая приемистость и малое запаздывание при отработке командных (управляющих) сигналов.
Момент совершения максимальной работы приводом сопровождается значительными расходами рабочей жидкости и, соответственно, значительными угловыми перемещениями (рассогласованиями) золотников относительно своих нейтральных положений.
Известные же конструкции гидрораспределителей отличаются недостаточным запасом по угловым перемещениям (поворотам) золотника из-за упора, охватываемого его рычага, во внутреннюю поверхность опорного кольца, угловые перемещения гидрораспределителей такого типа не превышают 7° в каждую сторону, что является недостаточным для установки их в гидроприводы высокоманевренных летательных аппаратов.
Наиболее универсальной функциональной схемой гидрораспределителя является конструктивная схема с центральной осью вращения - центральным приводом плоского золотника. Возможность получения углов поворота золотника до 60° в каждую сторону от нейтрального положения позволяет применять такую схему как в вышеуказанных случаях, так и в приводах с большими рассогласованиями, например, когда требуются расходные характеристики с насыщением.
Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому изобретению является известное из патентной литературы устройство по AC SU 286517, кл. 62 С 15/10, опубл. 10.11.70 г., бюллетень №34, которое содержит максимальное количество сходных с заявляемым гидрораспределителем признаков, а именно: оба гидрораспределителя четырехлинейные, каждый из них содержит корпус, опорное кольцо, приводной вал центрального расположения, кинематически и шарнирно связанный с ним плоский поворотный золотник с распределительными и сливными каналами, заключенный между нажимной шайбой и распределительной втулкой, на конец которой, обращенный к золотнику, выведены прямоугольные отверстия, соединенные с исполнительным цилиндром гидросистемы, и канал для подвода рабочей жидкости.
В известном гидрораспределителе с целью уменьшения приводного момента и повышения эффективности компенсации гидродинамических сил сливной канал золотника выполнен в виде двух симметричных относительно распределительного канала сегментных пазов, имеющих треугольное сечение, отсечные кромки которых, расположенные по хорде, в среднем положении золотника совмещены с краями прямоугольных отверстий во втулке. Недостатками этого гидрораспределителя являются сложность расчета и изготовление фасонного профиля сливных каналов золотника.
Конструкция известного гидрораспределителя-прототипа, кроме того, повторяет недостаток распределительных устройств вышеприведенных аналогов, заключающийся в чрезмерно ограниченных возможностях плоского золотника по угловым перемещениям (поворотам) относительно своего нейтрального положения. Причины, способствующие этому, заключаются в том, что канал подвода рабочей среды и рабочие окна распределительной втулки сгруппированы локально в периферийной зоне и сформированы по наиболее короткой хорде, с максимальным отстоянием ее от оси поворота золотника. Такое конструктивное исполнение с одной стороны позволило минимизировать геометрические параметры плоского золотника, а с другой - ограничило рабочий диапазон углов поворота его до значений, не превышающих значений указанных выше аналогов.
Известная конструкция в основном имеет монофункциональное назначение и применение, поэтому наиболее актуальным на сегодняшний день становится вопрос разработки и создания гидрораспределителей универсального применения, сочетающих в себе многофункциональные возможности и позволяющих при этом уменьшить существующую номенклатуру конструкций гидрораспределителей с плоским поворотным золотником.
На существующем уровне техники известная конструкция гидрораспределителя аналога-прототипа не удовлетворяет разработчиков объектов применения специальным требованиям, в частности, требованиям по обеспечению принципов агрегатирования и модульности исполнения составляющих элементов. Выполнение этих условий открывает возможность проводить автономную отработку технических характеристик и испытания, позволяет выполнить встройку гидрораспределителя непосредственно в корпус гидропривода, а также значительно упростить работы, связанные с монтажом и демонтажем непосредственно на объекте применения.
В совокупности указанные недостатки снижают показатели надежности работы известных гидрораспределителей и ограничивают их применение в гидроприводах систем управления летательных аппаратов.
Технической задачей предлагаемого изобретения помимо сохранения эффективного способа компенсации гидродинамических сил гидрораспределителя-прототипа является повышение надежности работы гидрораспределителя, упрощение его конструкции и реализация возможности встройки гидрораспределителя непосредственно в корпус гидропривода путем создания автономного и технологичного гидрораспределителя модульного исполнения с центральным приводом, с цилиндрической поверхностью, удобного в отработке технических характеристик и исключающего его разборку перед постановкой на объект.
Другой технической задачей предлагаемого изобретения является расширение эксплуатационных и компоновочных возможностей гидрораспределителя путем реализации возможности применения гидрораспределителей в гидроприводах или рулевых системах большой мощности с высокими скоростями выходных звеньев, например, для систем управления высокоманевренными летательными аппаратами за счет более глубокого расширения существующего диапазона углов поворота управляющего вала гидрораспределителя от нейтрального положения с ±7° до ±60°.
Поставленная задача решается тем, что в четырехлинейном гидрораспределителе с плоским поворотным золотником с центральным приводом модульного исполнения для встроенного монтажа, содержащем корпус, опорное кольцо, приводной вал центрального расположения, кинематически и шарнирно связанный с приводным валом плоский поворотный золотник с распределительными и сливными каналами, с радиально направленным внутренним пазом, заключенный внутри опорного кольца и между нажимной шайбой и распределительной втулкой, на конец которой, обращенный к золотнику, выведены прямоугольные отверстия, соединенные с исполнительным цилиндром гидросистемы, и каналы для подвода и отвода рабочей жидкости, согласно изобретению, корпус гидрораспределителя выполнен в виде полого цилиндра с двумя кольцевыми уплотнительными элементами на наружной цилиндрической поверхности и закрытого с одного конца днищем с центральной горловиной, в которой установлен спрофилированный хвостовик приводного вала с возможностью вращательного движения, а торец открытого конца цилиндра снабжен равномерно размещенными по окружности резьбовыми отверстиями для болтов, фиксирующих и жестко соединяющих цилиндр и распределительную втулку между собой, при этом наружный диаметр втулки равен или меньше наружного диаметра цилиндра, а на ее внешней стороне образованы крепежные отверстия и три отверстия с возможностью герметичного сообщения с полостями управления исполнительным цилиндром гидросистемы и каналом напорной полости, причем торец распределительной втулки, контактирующий с опорными торцами болтов, выполнен открытым,
согласно изобретению, плоский золотник, размещенный внутри опорного кольца, конструктивно и функционально выполнен по симметрично ориентированной схеме управления и расположения его составляющих элементов и образован в виде круглого диска с внутренней соосно расположенной центрирующей цилиндрической расточкой с возможностью одновременного контакта своими торцовыми поверхностями с плоскостями нажимной шайбы и распределительной втулки с перекрытием у последней ее дугообразных или прямоугольных дросселирующих рабочих окон, спрофилированных таким образом, чтобы в период прохождения окон плоским золотником расход рабочей среды изменялся по линейному или близко к линейному закону, при этом оси радиально направленного внутреннего паза золотника и его внутренней цилиндрической расточки расположены в одной плоскости, которая является общей плоскостью симметрии, причем дросселирующие рабочие окна распределительной втулки симметрично разнесены в перпендикулярном направлении относительно плоскости симметрии золотника и образованы на одной прямой - наибольшей хорде, проходящей через центральную ось поворота золотника, кроме этого распределительный канал золотника сформирован в виде симметрично расположенного относительно плоскости симметрии дугообразного сквозного паза с отсечными подающими кромками прямоугольной формы, образованными на краях паза в зонах, обращенных в сторону расположения дросселирующих рабочих окон распределительной втулки, а сливные каналы сформированы в виде выемок прямоугольной формы, отсечные кромки которых расположены на общей хорде и в среднем положении золотника совмещены с краями прямоугольных окон распределительной втулки,
согласно изобретению, в средней части приводного вала образован участок с наружной сферической направляющей поверхностью и радиально направленным центральным отверстием, а указанная кинематическая шарнирная связь выполнена в виде цилиндрического штифта, один конец которого установлен в центральное отверстие сферического участка управляющего вала, а другой - консольной частью введен в зацепление с радиально направленным внутренним пазом золотника с возможностью постоянного контактирования и взаимодействия с его соответствующими поверхностями, при этом цилиндрический штифт расположен в отверстии приводного вала с гарантированным радиальным натягом, а в пазе золотника - с гарантированным радиальным зазором.
Выполнение корпуса гидрораспределителя в виде полого цилиндра с кольцевыми уплотнительными элементами на наружной цилиндрической поверхности и жесткое крепление с помощью крепежных болтов круглой распределительной втулки к цилиндру существенно упрощает конструкцию и позволяет создать цельноблочный модуль, удобный для встройки непосредственно в гнездо корпуса гидропривода, обеспечивая его минимальные габариты и массу.
Стыковка модуля к корпусу и соединение между собой каналов осуществляется через технологичные соединительные уплотняющие втулки, широко применяющиеся в отечественной практике.
Выполнение внешнего торца распределительной плиты открытым позволяет произвести стопорение болтов проволокой, чем обеспечивается надежная работа гидрораспределителя в составе привода летательного аппарата в течение всего периода эксплуатации.
За счет выполнения золотника по симметрично ориентированной схеме управления и расположения ее основных составляющих элементов расширяются эксплуатационные и компоновочные возможности при установке распределителя на объекте применения, повышается технологичность изготовления и улучшаются условия контроля процесса более точного формирования перекрытий и расположения отсечных кромок золотника относительно рабочих окон распределительной втулки, что в конечном итоге и определяет качественные характеристики гидрораспределителя.
Выполнение распределительного канала в золотнике в виде симметрично расположенного относительно плоскости симметрии дугообразного сквозного паза позволяет достичь значительных углов поворота золотника и, соответственно, расходов рабочей жидкости, чем реализуется возможность практического применения предлагаемого изобретения в гидроприводах систем управления летательных аппаратов с большой выходной мощностью и высокими скоростями силовых звеньев.
Образование сливных каналов золотника в виде выемок с профилем несложной формы обеспечивает достаточную эффективность компенсации гидродинамических сил.
Таким образом, заявляемое техническое решение обладает преимуществом по сравнению с аналогом-прототипом и другими известными решениями, обеспечивающими достижение поставленной задачи - повышение надежности, технико-экономических и эксплуатационных качеств гидрораспределителя с плоским поворотным золотником с центральным приводом.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 представлен вариант предложенного четырехлинейного гидрораспределителя с плоским поворотным золотником 25 и центральным приводом 7 модульного исполнения для встроенного монтажа, общий вид, разрез.
- на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 золотникового устройства в исходном, нейтральном положении золотника 25.
- на фиг.3 показан разрез Б-Б на фиг.2, исходное, нейтральное положение золотника 25 относительно рабочих окон 19,20 распределительной втулки 13.
- на фиг.4 показан разрез А-А на фиг.1 золотникового устройства при отклоненном золотнике 25 на рабочий угол от нейтрального положения против часовой стрелки.
- на фиг.5 показан разрез В-В на фиг.4, изображено открытие напорной отсечной кромки 35 золотника 25 при его отклонении против часовой стрелки.
- на фиг.6 показан разрез Г-Г на фиг.4, изображено открытие сливной отсечной кромки 36 золотника 25 при его отклонении против часовой стрелки.
- на фиг.7 показан вид Е на фиг.1, приведен способ контровки болтов 12, стягивающих корпус 1 и распределительную втулку 13 между собой.
- на фиг.8 показан общий вид, разрез, вариант встроенной установки четырехлинейного гидрораспределителя с плоским поворотным золотником и центральным приводом модульного исполнения для встроенного монтажа в корпус гидропривода.
Гидрораспределитель состоит из корпуса - полого цилиндра 1 (фиг.1) с двумя кольцевыми уплотнительными элементами 2 на наружной цилиндрической поверхности 3 и закрытого с одного конца днищем 4 с центральной горловиной 5, в которой установлен спрофилированный хвостовик 6 приводного вала 7, опорами которого являются подшипники качения 8 и 9. На торце 10 открытого конца корпуса-цилиндра 1 расположены равномерно размещенные по окружности резьбовые отверстия 11, в которые ввернуты с определенным моментом затяжки болты 12, фиксирующие и жестко соединяющие корпус-цилиндр 1 с распределительной втулкой 13 через крепежные отверстия 14.
На внешней стороне распределительной втулки 13 образованы три отверстия 15, 16 и 17 (фиг.7) под соединительные уплотнительные втулки 18 (фиг.8). Отверстия 15 и 16 (фиг.7) с дросселирующими окнами 19 и 20 сообщаются с полостями управления исполнительным цилиндром гидросистемы, отверстие 17 сообщается с каналом напорной полости 21 (фиг.8). Торец 22 распределительной втулки 13 (фиг.1), контактирующий с опорными торцами болтов 12, выполнен открытым для обеспечения возможности стопорения болтов 12 контровочной проволокой 23 (фиг.7).
Во внутренней расточке корпуса-цилиндра 1 установлено опорное кольцо 24 (фиг.1), внутри которого заключен плоский золотник 25 между нажимной шайбой 26 и распределительной втулкой 13, на торец которой, обращенный к золотнику 25, выведены прямоугольные отверстия - дросселирующие рабочие окна 19, 20 (фиг.4) для подсоединения к исполнительному цилиндру гидросистемы и каналы 27, 28 (фиг.1) для подвода и отвода рабочей жидкости соответственно.
В золотнике 25 (фиг.2 и 3) выполнены распределительный канал 29, сливные каналы 30, 31 и радиально направленный внутренний паз 32. Золотник 25 образован в виде круглого диска с внутренней соосно расположенной центрирующей цилиндрической расточкой 33 (фиг.1). Оси радиально направленного внутреннего паза 32 и внутренней расточки 33 золотника 25 расположены в одной плоскости, являющейся общей плоскостью симметрии С-С (фиг.2). Дросселирующие рабочие окна 19 и 20 распределительной втулки 13 (фиг.2, 3) симметрично разнесены в перпендикулярном направлении относительно плоскости симметрии С-С и образованы на одной прямой - наибольшей хорде 34, проходящей через центральную ось поворота золотника 25.
Распределительный канал 29 золотника 25 сформирован в виде симметрично расположенного относительно плоскости симметрии С-С дугообразного сквозного паза с отсечными подающими кромками 35 прямоугольной формы, а сливные каналы 30 и 31 выполнены в виде выемок прямоугольной формы, отсечные кромки которых 36 совмещены с краями прямоугольных окон 19, 20 распределительной втулки 13.
В средней части приводного вала 7 (фиг.1) образован участок 37 с наружной сферической направляющей поверхностью и радиально направленным центральным отверстием 38. Кинематическая шарнирная связь между управляющим валом 7 и плоским золотником 25 выполнена в виде цилиндрического штифта 39, один конец которого установлен в центральное отверстие 38 сферического участка 37 приводного вала 7, а другой - консольной частью 40 введен в зацепление с радиально направленным внутренним пазом 32 золотника 25 с возможностью постоянного контактирования и взаимодействия с его соответствующими поверхностями, при этом цилиндрический штифт 39 расположен в отверстии 38 приводного вала 7 с гарантированным радиальным натягом, а в пазе 32 золотника 25 - с гарантированным радиальным зазором.
Гидрораспределитель работает следующим образом (фиг.1).
При повороте приводного вала 7 из исходного, нейтрального положения в положение, показанное на фиг.4 и 5 (например, против часовой стрелки), золотник 25 открывает в распределительной втулке 13 окна 19 и 20. Поток рабочей жидкости из полости нагнетания - распределительного канала 29 золотника 25 проходит в дросселирующее окно 20, полостное отверстие 16 (фиг.5) и далее в гидродвигатель, перемещая его исполнительный шток в одно из крайних положений. Из гидродвигателя поток рабочей жидкости проходит через полостное отверстие 15 и окно 19 (фиг.6) распределительной втулки 13, попадает во внутреннюю полость гидрораспределителя и вытекает через общий канал слива 28.
Следует отметить, что при прохождении рабочей жидкости под давлением из распределительного канала 29 золотника 25 в окно 20 (фиг.4) распределительной втулки 13 возникает, как известно, реактивная гидродинамическая сила, горизонтальная составляющая которой создает сопротивление приводному моменту и стремится вернуть золотник в среднее, нейтральное положение.
В предложенном гидрораспределителе при движении рабочей жидкости из гидродвигателя через полостное отверстие 15 и окно 19 (фиг.6) распределительной втулки 13 и далее по спрофилированной выемке 31 золотника 25 рабочая жидкость меняет направление движения при переходе с одной стенки спрофилированной выемки 31 на другую. В результате возникает гидродинамическая сила, создающая момент, совпадающий по направлению с приводным моментом, т.е. действующий в сторону открытия подающей кромки 35 (фиг.4 и 5), при этом требуемая величина приводного момента уменьшается, а чувствительность и точность управления значительно повышаются.
При повороте приводного вала 7 из нейтрального, исходного положения в другое положение процесс работы гидрораспределителя протекает аналогично описанному, при этом исполнительный шток гидродвигателя перемещается в противоположную сторону.
Выполнение четырехлинейного гидрораспределителя в виде технологичного цельноблочного модуля с возможностью его встройки непосредственно в корпус гидропривода позволило обеспечить проведение автономной отработки технических характеристик гидрораспределителя, уменьшить его габариты и массу, улучшить условия и качество проведения ремонтно-восстановительных работ.
Таким образом, заявленная совокупность конструктивных признаков предлагаемого изобретения обуславливает получение технического результата - создание гидрораспределителя, отвечающего критериям высокой надежности за счет расширения функциональных возможностей, повышения долговечности, технико-экономических и эксплуатационных качеств, что подтверждается результатами проведения заводских испытаний и опытом эксплуатации.