Разработка электрогидравлического агрегата управления для трехстепенной системы подвижности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Редько, Павел Григорьевич

• Редько, Павел Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Редько, Павел Григорьевич

Наименование раздела №

1. Введение.5-II

2. Обоснование выбора типа и схемы привода для многокоординатных систем подвижности и его элементной базы.12

2.1. Обоснование выбора типа и схемы привода.12.

2.2. Обоснование выбора элементной базы.15

2.2.1. Исполнительный механизм.1.5.

2.2.2. Элементы информационного канала .,.?.?.

Выводы по разделу.

3. Конструктивные особенности электрогидравлического

ЭПТПТ агрегата. Выбор параметров элементной базы. ^

3.1. Конструктивные особенности и основы расчета лопастного гидродвигателя. Обеспечение динамических характеристик. ^

3.1.1. Конструкции и расчеты неполноповоротных лопастных гидродвигателеи.

3.1.2. Проблемы обеспечения динамических свойств привода с лопастным гидродвигателем и инерционной нагрузкой.67.

3.2. Конструктивные особенности и расчеты электрогидравлического усилителя . Обеспечение динамических характеристик.-73

3.2.1. Электромеханический преобразователь сигналов.?.?.

3.2.2. Гидравлический усилитель сопло-заслонка.

3.2.3. Датчик обратной связи

§

3.2.4. Обеспечение динамических показателей электрогидравлического усилителя .г

3.3. Устройство и конструктивные особенности датчика обратной связи основного контура.J

Выводы по разделу.:.1.

Синтез энергетических параметров каналов

ТП9-ТР электрогидравлического агрегата.x<j<

4.1. Оценка энергетических параметров агрегата по диаграмме нагружения для режима воспроизведения гармонических колебаний.

4.2. Оценка энергетических параметров агрегата по диаграмме нагружения для режима воспроизведения ступенчатого входного сигнала.TÍ.4.

4.3. Предельные динамические возможности приводов ттот? каналов агрегата.-г:„. ■

4.3.1. Гармоническое управляющее воздействие.г.^г.

4.3.2. Ступенчатое управляющее воздействие.1.22.

Выводы по разделу.t

Экспериментальные исследования , моделирование и испытания трехканального агрегата в составе следящего привода с цифровым

Т28-Т9П управлением.г ~г!.

5.1. Экспериментальные исследования разработанного агрегата и следящих приводов на его основе.133.

5.2. Математическое моделирование приводов на основе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электрогидравлического агрегата управления для трехстепенной системы подвижности»

Отличительной чертой современного технического прогресса является широкое внедрение гидравлических приводов в различные отрасли промышленности , в том числе нетрадиционные .

Помимо машиностроения , дорожно-: строительной техники , авиации и ракетной техники гидропривод нашел применение в автомобилестроении , ядерной энергетике , медицине и т. п.

Это объясняется известными преимуществами гидроприводов перед газовыми и электромеханическими приводами, к которым относятся :

- высокий уровень давления рабочего тела (жидкости) , определяющий значительную плотность энергии в единице его объема,

- низкая сжимаемость рабочего тела и , как следствие , большая скорость передачи силовых импульсов давления в гидросистемах,

- высокие удельные характеристики , в том числе удельная мощность (энергоемкость) гидроагрегатов,

- работоспособность в широком диапазоне температур и давлений , в том числе в неблагоприятных условиях окружающей среды,

- значительное быстродействие , определяемое сочетанием высокого давления и низкой сжимаемости рабочего тела,

- широкий диапазон регулирования скорости движения выходного звена . в том числе возможность реализации чрезвычайно низких («ползучих») скоростей .

Последние десятилетия характеризуются также внутриотраслевым проникновением гидроприводов в области , где они ранее не использовались , в частности в авиации . Сюда относятся , например , рулевые приводы малоразмерных беспилотных летательных аппаратов ( где обычно 6 применялись газовые или электромеханические приводы ) , приводы антенн бортовых радиолокационных станций высокоманевренных самолетов и т.п. Вопросам проектирования гидроприводов , отражающих новые тенденции и направления их применения посвящена настоящая диссертация . Актуальность проблемы . С начала 80-х годов возникла настоятельная необходимость создания принципиально новых схем следящих приводов , обеспечивающих пространственное движение полезной нагрузки -поступательное или вращательное - относительно нескольких координатных осей . При этом существенно повысились требования к статической и динамической точности таких приводов, к быстродействию , надежности и ресурсу работы .

Эти приводы часто работают в условиях дефицита энергоресурсов или жестких массо-габаритных ограничений ( например , на борту летательных аппаратов ).

Следящие приводы многокоординатного типа могут функционировать в различных режимах, отрабатывая как стационарные гармонические сигналы, так и широкополосные случайные воздействия , а также ступенчатые сигналы с минимальным временем регулирования . Характер нагрузки в основном инерционный , может иметь место комбинированное трение и постоянная составляющая различного знака .

Можно сформулировать основные требования к многокоординатным приводам нового поколения:

1 . Минимальные ошибки слежения в основных рабочих режимах, не превышающие нескольких угловых минут.

2 . Жесткие динамические требования к приводу при отработке ступенчатых управляющих воздействий в широком диапазоне амплитуд сигнала управления . 7

3 . Возможность использования цифровых устройств как в контуре системы управления приводом, так и в контуре самого привода.

4 . Относительно большие инерционные нагрузки , воздействующие на привод в сочетании с низким располагаемым уровнем собственного демпфирования .

5 . Высокие требования по габаритно-массовым характеристикам приводов (в условиях компоновки на борту малоразмерных летательных аппаратов).

С точки зрения выполнения указанных требований задача радикального улучшения параметров существующих приводов , или разработка новых схемотехнических решений в данной области представляется актуальной и имеющей важное значение в развитии различных отраслей техники . Предлагаемая диссертационная работа посвящена созданию образца 3-х координатного электрогидравлического следящего привода рассматриваемого класса как прототипа и основы для последующих вариантов реализации .

Цель работы заключается в разработке и конструировании 3-х координатного исполнительного устройства ( агрегата) для таких приводов и подразумевает решение следующих задач :

- рациональный выбор схемотехнических решений , рекомендуемых при создании аналогичных приводов ,

- создание компактной , жесткой и технологичной кострукции электрогидравлического агрегата , перемещающего нагрузку относительно 3-х взаимно перпендикулярных осей ,

- выбор или специальная разработка передовой и высококачественной элементной базы , обеспечивающей выполнение перечня требований к приводу, а также его основные эксплуатационные характеристики ,

- исследование статических , динамических и точностных параметров агрегата в составе следящего привода с цифровым управлением, 8

- создание специального оборудования для проведения испытаний .

Представленная диссертация является обобщением проектных , конструкторских и экспериментальных работ автора по созданию и внедрению в эксплуатацию 3-х степенного электрогидравлического агрегата управления для систем подвижности объектов различного назначения , выполненных им в качестве ведущего конструктора и технического руководителя промышленной разработки , испытаний и внедрения агрегата в опытно-серийное производство . Научная новизна работы заключается в отработке оригинальных конструкторских решений при создании элементной базы , разработке автором теоретических основ синтеза энергетических параметров следящих гидроприводов и оценки их предельной динамики для ступенчатых управляющих воздействий , создании иерархии нелинейных математических моделей приводов каналов агрегата и программ для цифрового моделирования с учетом большинства действующих факторов .

В процессе разработки указанного агрегата были предложены новые схемотехнические и конструкторские решения , защищенные авторскими свидетельствами № 879067 , № 1034312 , являющиеся базовыми в представленной разработке о обеспечивающие высокую энергоотдачу агрегата , его улучшенные эксплуатационные показатели в части герметичности конструкции , а также его повышенное быстродействие .

Практическое значение работы состоит в том, что результатом проведенной разработки и исследований явилось создание конструкции 3-х канального электрогидравлического агрегата как исполнительного устройства цифрового следящего привода для системы автосопровождения . Использование агрегата позволило существенно улучшить статическую и динамическую точность системы в целом . 9

Опыт, накопленный в результате проектирования данного агрегата может быть использован при создании последующих модификаций и разновидностей электрогидравлических следящих приводов данного класса, в том числе с использованием отработанного комплекса стендового испытательного оборудования , а также программного и математического обеспечения для цифрового моделирования таких устройств .

Практический результат заключается также в создании элементной базы по комплектующим изделиям для многостепенных агрегатов систем подвижности повышенной точности , в том числе

- неполноповоротным лопастным гидродвигателям высокого давления (28Мпа и выше ) ,

- электрогидравлическим усилителям с увеличенным быстродействием и линейностью статических характеристик,

- преобразователям сигналов и датчикам с конструктивными элементами монтажа в корпус агрегата,

- электрогидравлическим регуляторам давления , обеспечивающим программное управление давлением питания .

Комплекс опытно-конструкторских , научно-исследовательских , производственно-технологических работ , защищаемый в настоящей диссертации и посвященный созданию перспективного следящего привода многофункционального применения позволил реализовать совершенную конструкцию 3-х координатного электрогидравлического агрегата , не имеющего мировых аналогов и отличающегося компактностью , жесткостью и технологичностью В результате длительной доводки и совершенствования конструкции был определен наиболее эффективный вариант гидродвигателя для 3-х канальных агрегатов > имеющий высокую жесткость , низкий уровень трения , небольшие размеры и малые утечки рабочей жидкости.

10

Итогом 10-летнего цикла опытно-конструкторских , расчетных , научно-исследовательских работ , технологической доводки и многочисленных испытаний , проведенных предприятием-изготовителем ПМЗ «Восход» под руководством и при непосредственном участии автора, а также рядом других организаций промышленности явилось создание образца 3-х канального электрогидравлического следящего привода с цифровым управлением , не имеющего мировых аналогов и являющегося базовой моделью для разработки последующих модификацй приводов этого класса.

Бесценный опыт, накопленный в процессе разработки и доводки привода, примененные в нем неординарные технические решения и технологические приемы изготовления позволили значительно поднять общий уровень предприятия , сформировать высококвалифицированный коллектив проектировщиков и тем самым обеспечить успешное решение новых задач в области создания высококачественных гидроприводов для различных отраслей народного хозяйства.

Структура диссертации . Диссертация включает 5 глав ( в том числе Введение ) , общие выводы , список использованной литературы , оглавление .

Заключение диссертации по теме «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», Редько, Павел Григорьевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ существующих зарубежных и отечественных мобильных многокоординатных приводов показал , что приводы этого класса с наименьшей массой могут быть реализованы только на основе электрогидравлических следящих приводов с широким использованием передовой схемотехники и высококачественной элементной базы -неполноповоротных лопастных гидродвигателей , электрогидравлических усилителей с электрической обратной связью по положению золотника , высокоточных бесконтактных датчиков обратной связи , микропроцессорных цифровых вычислителей в контуре привода .

2. Разработанная конструкция 3-х координатного злектрогидравлического агрегата многофункционального применения не имеет мировых аналогов, отличается компактностью , жесткостью и технологичностью .

3. В результате опытно-экспериментальной доводки и совершенствования конструкции неполноповоротных лопастных гидродвигателей катушечного типа создан внедрен наиболее эффективный вариант гидродвигателя для 3-х канального агрегата , имеющий цилиндрическую рабочую камеру и характеризующийся высокой жесткостью , низким уровнем момента трения на выходном звене , небольшими размерами и малыми утечками рабочей жидкости .

4. Разработанная схема коррекции устранила колебательные процессы в переходных режимах работы привода . Экспериментально подтверждена ее эффективность во всем рабочем диапазоне .

192

5. Разработанный электрогидравлический усилитель с электрической обратной связью по положению золотника обеспечил необходимое быстродействие приводов агрегата в замкнутом контуре .

6. Предложенные подходы к определению энергетических параметров следящих приводов в режиме отработки ступенчатого сигнала, характерного для многокоординатных систем , позволили создать методику решения как прямой, так и обратной задачи энергетического синтеза .

7. Выделенные граничные условия оценки предельных динамических возможностей каналов агрегата при воспроизведении как гармонического , так и ступенчатого управляющего сигнала связывают параметры предельной механической характеристики каждого канала с амплитудой колебаний и формой его частотной характеристики , а также величиной скачка и временем регулирования - для ступенчатого управляющего сигнала .

8. Экспериментальные исследования, проведенные в процессе разработки и доводки агрегата позволили определить способы улучшения статических , динамических и точностных характеристик приводов каналов и их входящих элементов , величины эмпирических коэффициентов для математического моделирования .

9. Разработаны и апробированы нелинейные математические модели цифровых следящих приводов на основе данного агрегата , позволяющие исследовать их статические , динамические и точностные характеристики с помощью математического эксперимента , в том числе с использованием персональных ЭВМ .

193

10. Комплекс испытаний различного уровня , проведенных с помощью специально разработанного уникального стендового и электронного оборудования , подтвердил высокие технические и эксплуатационные характеристики 3-х канального агрегата и цифровых следящих приводов на его основе.

При этом продемонстрирована работоспособность неполноповоротных лопастных гидродвигателей на рабочих давлениях до 840 кгс/см2 , высокая надежность приводов (наработка на отказ составила более 28 ООО часов при допускаемом по ТЗ уровне 10 ООО часов ) и технический ресурс свыше 3 600 часов .

194

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Редько, Павел Григорьевич, 2000 год

1. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода. /Под общей редакцией д.т.н. С.А.Ермакова , М: Машиностроение , 1988г.

2. Баженов А.И., Гамынин Н.С., Карев В.И. и др. «Проектирование гидравлических следящих приводов летательных аппаратов» , М: Машиностроение, 1981г.

3. Гамынин Н.С. «Гидравлический привод систем управления», М: Машиностроение, 1972г.

4. Гидравлические приводы летательных аппаратов . / Под общей редакцией В.И.Карева , Учебник для ВУЗов , М: Машиностроение , 1992г.

5. Головинский О.И. «Основы автоматики» , М: Высшая школа, 1987г.

6. Инженерные исследования гидроприводов летательных аппаратов . /Под редакцией д.т.н. Д.Н.Попова , М: Машиностроение , 1978г.

7. Казаков Л.Г. «Электромагнитные устройства РЭА» , М: Машиностроение, 1991г.

8. Матвеенко A.M. , Пейко Я.Н. , Комаров A.A. «Расчет и испытания гидравлических систем летательных аппаратов» , М: Машиностроение , 1974г.

9. Петров Б.И. , Полковников В.А. , Рабинович Л.В. и др. «Динамика следящих приводов» , М: Машиностроение , 1972г.

10. Петров Е.М. , Юзефович Ю.И. «Лопастные неполноповоротные гидродвигатели в судостроении» , Изд-во «Судостроение» , 1972г.

11. Полковников В.А. «Предельные динамические возможности следящих приводов летательных аппаратов», М: Изд-во МАИ, 1995г.

12. Потапов A.M. «Настройка и испытания следящих приводов» , Изд-во «Энергия», 1970г.195

13. Проектирование гидравлических систем машин . /Под общей редакцией д.т.н. Г.Н. Иванова, М: Машиностроение, 1992 г.

14. Решетников Е.М. , Саблин Ю.А. , Григорьев В.Е. и др. «Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов», М: Машиностроение , 1982 г.

15. Теория автоматического регулирования , книга 1 . /Под редакцией д.т.н. В.В. Солодовникова , М: Машиностроение , 1967г.

16. Тузов В.П. «Электротехнические устройства летательных аппаратов» , М: Высшая школа, 1982г.

17. Электропривод летательных аппаратов . /Под общей редакцией д.т.н. В.А. Полковникова , М: Машиностроение , 1990 г.

18. Зайченко И И. и др. «Лопастной неполноповоротный гидродвигатель» , а /с № 861776 , 1979 г.

19. Зайченко Й.И. и др. «Лопастной неполноповоротный гидродвигатель» , а/с № 1301055 , 1983 г.

20. Редько П.Г., Зайченко И.И., Мохов Б.Д. , Мухлаев В.К. «Лопастной неполноповоротный гидродвигатель», а/с № 879067 , 1981 г.

21. Зайченко И.И « Неполноповоротный гидродвигатель» , а/с № 687270, 1978 г.

22. Двухосный моментный гидродвигатель . «Ргос. Inst. Mech. Eng.» , 1976г. , 190 , № 9 , p.p. 245-254 .

23. Кузовков Н.Т. «Теория автоматического регулирования , основанная на частотных методах» , Изд-во «Оборонгиз» , 1960 г.

24. Гидравлические и пневматические приводы промышленных роботов . /Под ред. Крейнина Г.В. ; М: Машиностроение, 1990г.

25. Комплект конструкторской, технологической и испытательной документации по электрогидравлическому агрегату ЭГП-5АМ.