Фундаментальные исследования. Расчет статической характеристики привода

Размещено на https://сайт/

Техническое задание

Проектирование исполнительного двигателя системы газового рулевого привода

1. Общие сведения

3. Математические модели газовых и пневматических рулевых приводов

4. Принципиальная схема рулевого тракта

5. Проектирование газовой силовой системы управления

6. Моделирование

Литература

Техническое задание

Спроектировать газовую силовую систему управления, работающую в пропорциональном режиме. Входной сигнал гармонический с частотой в диапазоне. В диапазоне частот входного сигнала во всех режимах работы система должна обеспечивать отработку полезного сигналя с амплитудой не менее д 0 при фазовых сдвигах, не превышающих фазовые сдвиги апериодического эвена с постоянной времени Т ГССУ.

Основные исходные данные:

а)коэффициент передача системы;

б)максимальный угол отклонения рулевых органов д т;

в)расчетное время функционирования;

г)величины, характеризующие динамические свойства системы; в простейшем варианте сюда входят значения предельной частоты входного сигнала щ 0 , амплитуда д 0 отрабатываемого приводом сигнала на частоте щ 0 (величина обычно задается в пределах 0,8 ... 1,0), значение постоянной времени эквивалентного апериодического звена Т ГСУ;

д)нагрузки на рулевых органах - инерционная нагрузка, задаваемая моментом инерции нагрузки J Н;

Коэффициент трения f;

Коэффициент шарнирного момента т ш.

Если коэффициент т ш. изменяется во времени, то может быть задан график его изменения во времени. В простейшем случае задают экстремальные значения этого коэффициента. Обычно максимальное значение отрицательной нагрузки соответствует начальному моменту функционирования; в конечный момент пропорциональная нагрузка зачастую положительная и тоже имеет экстремальную жесткость.

Таблица начальных параметров моделирования

№ варианта
Параметры ТЗ
Момент нагрузки, Нм
Угол максимальный, рад
Амплитуда Отклонения РО, рад
Максимальная частота входного сигнала, Гц/амплитуда,в
Коэффициент трения Н*с/м
Масса подвижных частей РО кг
Давление газа в ИСГ бар
Температура газа в ИСГ град С

Проектирование исполнительного двигателя системы газового рулевого привода

рулевой двигатель пневматический газовый

1. Общие сведения

Пневматические и газовые исполнительные устройства находят широкое применение в системах управления малогабаритными летательными аппаратами. Альтернативой традиционным системам с первичными источниками энергии исполнительных устройств - систем с газобаллонными источниками сжатых газов и систем с предварительной газификацией различных веществ, явилось создание устройств, относящихся к принципиально новому семейству - систем воздушно-динамических рулевых приводов.

Исполнительные устройства данного класса являются сложными следящими системы автоматического управления, которые в составе изделия в процессе хранения, транспортировании и эксплуатации подвергаются существенному воздействию климатических, механических других внешних воздействий. Отмеченные выше особенности условий применения и режимов эксплуатации, учет которых обязателен при разработке новых систем позволяют отнести их к классу мехатронных систем .

При выборе типа и определении параметров системы рулевого привода БУЛА обычно исходят из двух способов управления: аэродинамического и газодинамического. В системах управления, реализующих первый способ, управляющее усилие создается за счет активного воздействия на аэродинамические рули скоростного напора набегающего потока воздуха. Рулевые приводы предназначены для преобразования электрических сигналов управления в механическое перемещение аэродинамических рулей, жестко связанных с подвижными частями исполнительных двигателей приводов.

Исполнительный двигатель преодолевает действующие на рули шарнирные нагрузки, обеспечивая необходимую скорость и необходимое ускорение при отработке заданных входных сигналов с требуемой динамической точностью.

К системам управления, реализующим второй способ, относятся:

Автономные газореактивные системы автоматического управления;

Системы управления вектором тяги (СУВТ).

В настоящее время для первого способа управления широко применяются устройства, в которых в качестве источника энергии используется газ высокого давления. К данному классу устройств, например, можно отнести:

Системы рулевых приводов с газобаллонными источниками сжатого воздуха или воздушно-газовой смеси;

Системы с пороховыми аккумуляторами давления или с другими источниками рабочего тела, являющегося продуктом предварительной газификации твердых и жидких веществ.

Такие системы обладают высокими динамическими характеристиками. Отмеченное достоинство вызывает к таким системам рулевых приводов большой интерес со стороны разработчиков и делают их важными объектами теоретического и экспериментального исследования.

Создание высокотехнологичных рулевых приводов систем управления БУЛА традиционно связано с поиском новых схемных и конструктивных решений. Особым, радикальным решением проблемы создания высокотехнологичных рулевых приводов явилось использование для управления энергии, обтекающего ракету воздушного потока. Это привело к созданию нового, особого класса исполнительных устройств - воздушно-динамических рулевых приводов (ВДРП), использующих в качестве первичного источника энергии, энергию набегающего потока газа, т.е. кинетическую энергию БУЛА.

Настоящие указания посвящены вопросам устройства, применения и методам исследования и проектирования исполнительных мехатронных модулей систем управления малогабаритных БУЛА. В нем отражены сведения, которые в первую очередь могут быть полезными для студентов специальностей «Мехатроника» и «Системы автоматического управления летательными аппаратами».

2. Устройство исполнительных двигателей

Системы рулевого привода включают следующие функциональные элементы.

1. Устройства, обеспечивающие создание силового воздействия на органы управления:

Источники питания - первичные источники энергии (источники сжатых газов и источники электрической энергии - батареи и турбогенераторные источники электрической энергии);

Исполнительные двигатели, кинематически связанные с органами управления, и элементы энергетических магистралей - например, воздушные и газовые фильтры, обратные и предохранительные клапаны, регуляторы давления газа систем с газобаллонными источниками сжатого газа, регуляторы скорости горения пороховых аккумуляторов давления, устройства забора и сброса воздуха ВДРП и т.п.

2. Функциональные элементы, которые устанавливают соответствие формируемого в системе управления управляющего сигнала и необходимого силового воздействия - преобразователи и усилители электрических сигналов, электромеханические преобразователи, различного вида датчики.

Для конкретизации областей исследования задач, стоящих при разработке рулевых приводов, в их составе выделяют силовую и управляющую системы (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема рулевого привода летательного аппарата

Силовая система объединяет функциональные элементы рулевого привода, которые непосредственно участвуют в преобразовании энергии источника питания в механическую работу, связанную с перемещением позиционно нагруженных органов управления. Управляющую систему составляют функциональные элементы рулевого привода, которые обеспечивают изменение регулируемой величины (координаты положения органов управления) по заданному или выработанному в процессе полета ЛА закону управления. Несмотря на несколько условный характер выделения силовой и управляющей систем, что связано с необходимостью включения ряда функциональных: элементов рулевого привода как в силовую, так и в управляющую систему, практическая полезность такого обособления заключается в возможности разнопланового представления рулевого привода при решении различных задач в процессе разработки.

В системе газового рулевого привода можно выделить следующие подсистемы:

Первичный источник энергии;

Исполнительный двигатель;

Газораспределительное устройство с управляющим электромеханическим преобразователем;

Электрическая управляющая система - усилители, корректирующие устройства, генераторы вынуждающих колебаний и т.п.;

Первичные преобразователи - датчики линейных и угловых перемещений подвижных частей механических подсистем.

Для классификации систем газовых рулевых приводов, в общем случае, могут быть использованы следующие классификационные признаки:

Тип силовой системы, т.е. тип первичного источника энергии;

Принцип управления аэродинамическими рулями;

Тип контура управления для устройств с пропорциональным движением рулевых органов;

Тип исполнительного двигателя;

Тип распределительного устройства и управляющего электромеханического преобразователя.

1. Системы с газобаллонным источником сжатого газа. Источником газа высокого давления является воздушно-арматурный блок, в состав которого помимо баллона со сжатым воздухом или воздушно-гелиевой смесью входит предохранительная, запорно-распределительная и регулирующая газовая арматура и арматура для заправки и контроля давления в баллоне. В технической литературе такие системы часто называют «пневматическими».

2. Системы с пороховым аккумулятором давления. Источником газа высокого давления в данном случае является твердотопливный пороховой заряд специальной конструкции, обеспечивающий постоянную производительность рабочего тела - продуктов горения заряда, имеющих высокую температуру. В состав таких систем помимо непосредственно источника газа и устройства включения источника газа в работу, могут входить регуляторы скорости горения топлива и предохранительные устройства. В технической литературе при описании таких систем часто используется термин «горяче-газовые» или просто «газовые».

3. Электромагнитные рулевые приводы. Основой таких устройств обычно является электромеханический преобразователь нейтрального типа, который непосредственно осуществляет заданное движение аэродинамических рулевых органов.

Исполнительный двигатель - устройство преобразующее энергию сжатого газа в перемещение рулевых органов, преодолевающее усилие, создаваемое воздушным потоком обтекающего БУЛА.

По конструктивному исполнению, можно выделить следующие группы исполнительных двигателей.

1. Поршневые - одностороннего и двухстороннего действия. Устройства, наиболее часто применяемые, как в специальной технике, так и в системах автоматизации технологических процессов.

Рис. 1. Исполнительный двигатель СГРП закрытого типа - поршневой, с одним силовым цилиндром.

Рис.2. Исполнительный двигатель СГРП закрытого типа - с двумя силовыми цилиндрами.

Работой исполнительного двигателя управляет газовое распределительное устройство (ГРУ).

Назначение ГРУ заключается в попеременном сообщении рабочих полостей исполнительного двигателя привода с источником сжатого газа либо с окружающей средой (атмосферой бортового отсека привода). По характеру решаемой коммутационной задачи, ГРУ в общем случае делятся на устройства:

С управлением «на входе» - изменяются площади впускных отверстий в рабочие полости;

С управлением «на выходе» - изменяются площади выпускных отверстий из рабочих полостей;

С управлением «на входе и выходе» - изменяются площади как впускных, так и выпускных отверстий.

3. Математические модели газовых и пневматических рулевых приводов

При математическом моделировании системы рулевого газового привода (СРГП), как элемента системы управления БУЛА, функционирующего в обтекающем его потоке воздуха, областью исследований является совокупность геометрических, электромеханических параметров и параметров рабочего тела - воздуха или другого сжатого газа, а также функции состояния электромеханических, аэрогазодинамических процессов и процессов управления, протекающих во всем многообразии причинно-следственных связей. При имеющих место преобразованиях одних видов энергии в другие, наличии распределенных полей и структурно - сложного представления реальных механизмов в рассматриваемой физической области исследований создание математических моделей, обеспечивающих требуемую степень достоверности инженерных расчетов, достигается за счет введения теоретически и экспериментально обоснованных идеализаций. Уровень идеализации определяется целями создаваемого математического обеспечения.

Математическая модель рулевого привода:

p 1 , р 2 - давление газа в полости 1 или 2 рулевого привода,

S П - площадь поршня рулевого привода,

Т 1 , Т 2 - температура газа в полости 1 или 2 рулевого привода,

Т сп - температура стенок рулевого привода,

V - скорость поршня рулевого привода,

F пр - сила поджатия пружины,

h - коэффициент вязкого трения,

Коэффициент шарнирной нагрузки,

М - приведенная масса подвижных частей.

Рис. 3 Типовые графики переходных прочцессов.

4. Принципиальная схема рулевого тракта

Рулевой тракт газовой силовой системы управления может строиться с механической, кинематической, электрической обратной связью или не иметь главной обратной связи. В последнем случае привод обычно работает в релейном режиме ("да - нет"), а при наличии обратной связи - в пропорциональном. В настоящей разработке будут рассматриваться рулевые тракты с электрической обратной связью. Сигнал рассогласования в этих трактах может усиливаться либо линейным, либо релейным усилителем.

Принципиальная схема рулевого тракта с линейным усилителем дается на рис. 5.

Рис. 4. Схема рулевого тракта

На схеме обозначено: W Ф (р), W З (р), W п (р), W ос (р) -передаточные функции корректирующего фильтра, электромеханического преобразователя, привода, цепи обратной связи соответственно. Коэффициент усиления линейного усилителя в данной схеме входит множителем в коэффициент первачи ЭМП.

Выбор параметров привода производится таким образом, чтобы в заданном диапазоне частот и амплитуд отрабатываемого сигнала не имело место ограничение по координатам х и Х. В связи с этим нелинейности в виде ограничений по этим величинам при формировании рулевого тракта не учитываются.

5. Проектирование газовой силовой системы управления

Методика проектирования

Выбирается тип исполнительного привода и принципиальная схема рулевого тракта. Тип привода определяют исходя ив требований и условий эксплуатации. При длительном времени функционирования и высоких значениях температуры Т р предпочтительнее схема привода с регулированием на выходе. Для выбора принципиальной схемы целесообразно провести предварительную проработку различных схем, оценить приближенно их возможности (эксплуатационные, динамические, массу, габариты) и выбрать наилучший вариант. Такая задача, состоящая в приближенном расчете характеристик ГССУ различных схем, должна решаться на начальном этане разработки системы. В некоторых случаях тип принципиальной схемы может быть однозначно выбран уже на начальной стадии работ и оговорен в техническом задании.

Рассчитываются обобщенные параметры привода. Методика этого расчёта определяется типом выбранной принципиальной схемы рулевого тракта. Здесь излагается методика применительно к рулевому тракту с электрической обратной связью:

а) выбирается величина нагрузочного коэффициента у:

Максимальное значение коэффициента шарнирной нагрузки;

М т - максимальный момент, создаваемый приводом,

где l - плечо механической передачи.

От выбора величины у зависит потребная мощность привода. Оптимальное значение у опт, соответствующее минимуму потребной мощности привода может быть определено как решение кубического уравнения

Численное значение у опт обычно лежит в пределах 0,55 ... 0,7. При атом величина назначается в диапазоне 1,2 ? 1,3. Величина отношения и зависят от типа выбранного исполнительного привода. Так. для приводов с газораспределителем типа сопло - заслонка, ; для приводов со струйной трубкой, .

Параметр q в зависимости для величины должен соответствовать режиму I. Его величина определяется либо по результатам теплового расчета, либо по данным экспериментов с аналитичными устройствами. Здесь будем полагать, что закон изменения параметра q по времени задан в виде аппроксимирующей зависимости для различных значений температуры окружающей среды.

Величина б 0 - амплитуда движения якоря ЭМП для рулевого тракта с линейный усилителем принимается равной у м, т.е. , а для систем с релейным усилителем, работающих в режиме ШИМ на распределительном устройстве величина принимается в диапазоне 0,7 ? 0,8;

б) при выбранном значении величины у вычисляется максимальный момент, развиваемый приводом:

в) определяется необходимое значение угловой скорости Щ т, обеспечиваемой приводом.

Величина Щ т находится из условий отработки газовым приводом гармонического сигнала частотой щ т и амплитудой д 0 . Амплитуда движения якоря ЭМП б 0 при этом принимается такой же, как в предыдущем расчете.

В области низких частот () динамика привода при относительно малой инерционности механического звена может быть описана апериодическим звеном. Можно получить следящие выражения:

Для апериодического звена

Из последней зависимости после преобразований получим формулу для расчета потребного значения Щ max:

Рассчитываются конструктивные параметры приводов.

Определяются плечо механической передачи l, диаметр поршня силового цилиндра D П, величина свободного хода привода Х т. .

Рис.5 Конструктивная схема ИД.

При определении плеча l нужно задаться соотношением между свободным ходом поршня и его диаметром.

Из соображений компактности разрабатываемой конструкции силового цилиндра можно рекомендовать соотношение.

При Х = Х т максимальный момент, создаваемый приводом, должен в раз превосходить максимальный момент от нагрузки, т.е.

С учетом принятого соотношения из последнего равенства получим зависимость

Максимальный перепад давлений в полостях силового цилиндра Др тах зависит от величины р р, типа и соотношений геометрических размеров распределительного устройства, а также от интенсивности теплообмена в полостях. При расчетах величины l можно ориентировочно принимать для приводов с газораспределителем типа сопло-заслонка Др тах = (0,55 ? 0,65) р р, при использовании струйникого распределителя Др тах = (0,65 ? 0,75) р р.

При расчете величины l величина Др тах должна соответствовать режиму I.

При относительно малых значениях д тах

В процессе расчетов все линейные геометрические размеры должны округляться в соответствии с требованиями стандартов.

Рассчитываться параметры газораспределительного устройства привода. Этот расчет ведется из условия, чтобы в наихудшем случае, т.е. в режиме I, обеспечивалась скорость привода не ниже, где Щ т - значение угловой скорости. Здесь будут даны методики расчетов геометрических параметров для двух конструктивных разновидностей газораспределителей: со струйной трубкой и с соплом и заслонкой. Первый из названных распределителей реализует регулирование газового потока по принципу "на входе и выходе". В этом случае максимальная установившаяся скорость привода определяется зависимостью

Из чего следует

При расчетах по зависимости значения Т р и q должны соответствовать режиму I.

Учитывая характерные для данного распределителя соотношения размеров, принимают, .

Рациональное соотношение площадей с и а обеспечивает наилучшие энергетические возможности привода и лежит в пределах. Из этих соображений находится величина С. Рассчитав величины а, с, следует определить основные геометрические размеры распределителя.

Рис. 6. Расчетная схема газораспределителя «струйная трубка».

Диаметр приемного окна распределителя определится из условия

где коэффициент расхода м = 0,75 … 0,85.

Величина максимального перемещения конца струйной трубки, а длинна струйной трубки.

При известном значении x m вычисляют величины b и d.

Газораспределительное устройство типа "сопло - заслонка" реализует регулирование газового потока "на выходе".

Для этого случая

Из этого следует:

При расчетах следует принимать отношение. Величины Т р и q соответствуют режиму I.

Рис. 7 Расчетная схема газораспределителя «сопло-заслонка».

Диаметр сопла d c выбирается таким образом, чтобы эффективная площадь была не менее чем в 2 раза больше максимальной площади выпускного отверстия:

При выбранном значении d c находят величину b: b = мрd c ; вычисляют максимальное значение координаты х т и величину

После разработки конструкции газораспределительного устройства определяются нагрузки на его подвижных частях и проектируются или выбираются ЭМП. Определяется также потребный расход рабочего тела, что необходимо для проектирования (или выбора) источника питания.

При известных конструктивных и эксплуатационных параметрах привода могут быть определены по зависимости (I) параметры его струйной схемы как для режима I, так и дал режима II, после чего возможно формирование рулевого тракта.

Формирование контура рулевого тракта проводится с учетом экстремальных режимов его работы. На первом этапе формирования строятся частотные характеристики разомкнутого контура в режиме I (величина коэффициента k 3 временно неизвестна).

Исходя из требования по динамической точности замкнутого контура находим допустимую величину фазового сдвига на частоте щ 0:

ц з (щ 0) = arctg щ 0 Т ГССУ.

При известном значении величины фазового сдвига для разомкнутого контура ц р (щ 0), определенного в результате построения частотных характеристик, и определенном значении ц з (щ 0) находим требуемое значение амплитудной характеристики А р (щ 0) разомкнутой системы на частоте щ 0 . Для этой цели удобно использовать номограмму замыкания. После этого амплитудная характеристика контура в режиме I оказывавшей однозначно определенной, а следовательно, определяется и значение коэффициента разомкнутого контура К р.

Поскольку в контур еще не введен корректирующий фильтр, величина К р определяется зависимостью К р = k э K n k oc . Величина коэффициента обратной связи может быть определена по коэффициенту передачи замкнутого контура: . Тогда можно вычислить значение коэффициента k э: , а в дальнейшем рассчитать и требуемое значение коэффициента усиления усилителя напряжения

6. Моделирование

Используя данные из таблицы, проведём моделирование системы сначала в программе PROEKT_ST.pas. Рассчитав таким образом пригодность параметров системы, продолжим моделирование в PRIVODKR.pas и рассчитаем в ней время срабатывания.

Заполним таблицы на основании полученных параметров:

Повысим температуру:

Понизим давление:

Повысим температуру (при пониженном давлении)

Основная литература

1. Горячев О.В. Основы теории компьютерного управления: учеб. пособие / О. В. Горячев, С. А. Руднев. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008 .-- 220 с.(10 экз.)

2. Пупков, К.А. Методы классической и современной теории автоматического управления: учебник для вузов: в 5 т. Т.5. Методы современной теории автоматического управления / К.А. Пупков [и др.]; под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егупова. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М. : МГТУ им. Баумана, 2004. -- 784 с.(12 экз.)

3. Чемоданов, Б.К. Следящие приводы: в 3 т. Т.2. Электрические следящие приводы / Е.С.Блейз, В.Н.Бродовский, В.А.Введенский и др. / Под ред.Б.К.Чемоданова. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М. : МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2003. -- 878с. (25 экз)

4. Электромеханические системы: учеб. пособие/Г.П. Елецкая, Н.С. Илюхина, А.П. Панков. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2009.-215 с.

5. Геращенко, А.Н. Пневматические, гидравлические и электрические приводы летательных аппаратов на основе волновых исполнительных механизмов: учеб.пособие для вузов / А.Н.Геращенко, С.Л.Самсонович;под ред.А.М.Матвеенко.-- М. : Машиностроение, 2006 .-- 392с. (10 экз)

6. Наземцев, А.С. Гидравлические и пневматические системы. Ч.1, Пневматические приводы и средства автоматизации: Учеб.пособие / А.С.Наземцев.-- М. : Форум, 2004 .-- 240с. (7 экз)

Подобные документы

Проект рулевого привода для малогабаритных летательных аппаратов, полет которых происходит в плотных слоях атмосферы. Технические требования к составным частям автоколебательной системы рулевого привода. Конструкции и принцип действия рулевого привода.

дипломная работа , добавлен 10.09.2010

Обоснование выбора структуры привода, составление его математической модели. Расчет конструктивных параметров, управляющего электромагнита и динамических характеристик привода, тепловой расчет конструкции. Технологический процесс сборки рулевой машины.

дипломная работа , добавлен 10.09.2010

Общие сведения об автомобиле. Проектирование рулевого управления, описание его назначения и основных требований. Обоснование выбора реечного управления и определение параметров рулевой трапеции. Расчет параметров зацепления механизма "шестерня-рейка".

дипломная работа , добавлен 13.03.2011

Проектирование стенда для разборки и сборки рулевого управления легкового автомобиля. Описания стенда для ремонта карданных валов и рулевых управлений. Определение стоимости проекта. Подбор материала. Расчет затрат на покупку материалов и создание стенда.

курсовая работа , добавлен 12.03.2015

Обзор приводов и систем управления путевых машин. Расчет параметров привода транспортера. Разработка принципиальной гидравлической схемы машины. Расчет параметров и подбор элементов гидропривода, механических компонентов привода и электродвигателей.

курсовая работа , добавлен 19.04.2011

Выбор элементов следящего привода: исполнительного двигателя, электромашинного усилителя, чувствительного элемента. Синтез системы управления методом типовых нормированных характеристических уравнений. Исследование и анализ разработанной системы.

курсовая работа , добавлен 07.09.2014

Проектирование и расчет привода, зубчатой передачи и узла привода. Силовая схема привода. Проверочный расчет подшипников качения, промежуточного вала и шпоночных соединений. Выбор смазочных материалов. Построение допусков для соединений основных деталей.

курсовая работа , добавлен 29.07.2010

Обзор химического состава, механических, технологических и эксплуатационных свойств легированной стали, из которой изготовлена деталь. Технологический маршрут ремонта вала сошки рулевого механизма с роликом. Выбор оборудования и технологической оснастки.

курсовая работа , добавлен 07.02.2016

Кинематический и энергетический расчет привода. Подбор электродвигателя, расчет открытой передачи. Проверочный расчет шпоночных соединений. Описание системы сборки, смазки и регулировки узлов привода. Проектирование опорной конструкции привода.

курсовая работа , добавлен 06.04.2014

Описание автоматического цикла сверлильного станка. Подбор необходимых элементов электрической принципиальной схемы для управления технологическим процессом: с использованием алгебры логики и без ее применения. Логические функции исполнительных устройств.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Введение

1. Основная часть

1.1 Классификация приводов

1.3 Технические требование к рулевому приводу

1.7 Проектирование управляющего электромагнита

1.8 Технические требования к составным частям автоколебательной системы рулевого привода

2. Конструкторская часть

3. Технологическая часть

3.1 Теоретические сведения

4. Экономика

4.1 Введение

4.3 Выводы

5. Охрана труда

5.1 Введение

5.2 Анализ вредных и опасных факторов при расчёте и проектировании замкнутой системы ВДРП

5.3.1 Расчёт освещённости

5.3.2 Шум на рабочем месте

5.3.3 Защита от электромагнитного и рентгеновского излучения

5.3.4 Электробезопасность

5.3.5 Пожарная безопасность

5.4 Охрана окружающей среды

5.5 Выводы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время к разработке приводов для малогабаритных управляемых ракет (МУР) предъявляются все более жесткие требования по техническим и эксплуатационным характеристикам. Поэтому процесс создания перспективных МУР должен основываться не только на усовершенствовании ранее разработанных конструкций и схем реализации приводов, но и на поиске новых технических решений, отличающихся от традиционных и дающих очередной скачок в развитии данного вида техники. Таким принципиально новым решением оказалось создание и использование так называемых воздушно-динамических рулевых приводов (ВДРП).

Ранее применяемые рулевые привода традиционной конструкции со специальным источником питания обладают следующими недостатками: во-первых, они обеспечивают мощность источников на уровне максимально потребной, что необходимо только лишь на определенном участке полета; во-вторых, при повышении дальности и времени полета масса источника питания увеличивается. Ужесточающиеся массогабаритные характеристики не позволяют реализовать традиционные привода со специальными системами согласования мощности привода с мощностью, расходуемой на управление. Поэтому рациональным решением явился отказ от специального источника питания и использование для перемещения рулевых органов энергии движения ракеты в газовой среде, т.е. использование энергии обтекающего корпус ракеты воздушного потока.

Основой данного технического решения является процесс трансформации энергии двигательной установки, сообщающей ракете кинетическую энергию движения. В результате движения на корпусе ракеты возникает распределенное поле давлений, определяющее силу ее лобового сопротивления в обтекающем ракету потоке воздуха. Располагая устройства забора и сброса воздуха на корпусе в зонах соответственно повышенного или пониженного давления, формируют рабочий поток определенной мощности, при этом в соответствии с законом сохранения энергии возрастает коэффициент лобового сопротивления. Последнее, при использовании воздушно-динамических рулевых приводов требуется увеличение массы пороховой шашки двигательной установки для сохранения неизменными времени полета и величины конечной скорости. Однако анализ соотношения масс показывает, что эффективность данного технического решения по сравнению с рулевыми приводами, имеющими специальный источник питания, тем выше, чем больше максимальная скорость и время управляемого участка полета по сравнению со временем работы двигательной установки. При этом достигается уменьшение массы пассивных элементов конструкции и повышение технологичности за счет исключения трудоемких элементов конструкции: аккумуляторов давления, трубопроводов и т.п. Отличительной особенностью является то, что он функционирует практически все время, пока движется ракета, а использование единого воздушного потока, нагружающего рулевые органы воздушно-динамических рулевых приводов и одновременно являющегося энергоносителем для сохранения неизменности функциональных характеристик по времени полета. Практическая реализация воздушно динамических рулевых приводов с различными типами силовых систем показала их значительное превосходство по функциональным, массогабаритным и техническо-технологическим характеристикам над приводами традиционной конструкции. Поэтому в настоящее время актуальной является проблема оснащения вновь разрабатываемых ракет приводами воздушно-динамического типа, а значит и разработки эффективных методик и алгоритмов их проектирования.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Управление летательным аппаратом (ЛА) является важнейшей научной и практической проблемой современного самолето- и ракетостро е ния.

Для обеспечения полета ЛА по требуемой траектории применяется совокупность различных технических средств, представляющая собой систему упра вления.

По функциональному назначению входящие в систему управления ЛА устройства можно разбить на три группы:

устройства формирования управляющего воздействия с сигнала управления;

органы управления, которые создают управляющие усилия;

рулевые приводы, приводящие органы управления в действие в соответствии с управляющим воздействием.

Так как данный дипломный проект посвящен расчёту и проектиров а нию замкнутой системы рулевого привода, рассмотрим более подробно 3-тью группу устройств.

Рулевые приводы осуществляют в системе управления функционал ь ную взаимосвязь между устройствами первой и второй групп. Поэтому н а ряду с функциональными элементами, обеспечивающими создание силов о го воздействия на органы управления (источники питания, кинематич е ски связанные с органами управления исполнительные двигатели, элементы энергетических магистралей), рулевые приводы включают функционал ь ные элементы, которые устанавливают соответствие этого силового сигн а ла формируемому в системе управления управляющему сигналу (преобр а зователи и усилители электрических сигналов, электромеханические преобразователи, различного вида датч и ки).

Для конкретизации областей исследования задач, стоящих при разработке рулевых приводов, в их составе выделяют силовую и управля ющую системы. Силовая система объединяет функциональные элементы рулевого привода, которые непосредственно участвуют в преобразовании энергии источника питания в механическую работу, связанную с перемещением позиционно нагруженных органов управления.

Управляющую систему составляют функциональные элементы рулевого привода, которые обеспечивают изменение регулируемой величины (координаты положения органов управления) по заданному или выработанному в процессе полета ЛА закону управления.

Структура, характеристики и конструкция рулевого привода определяются типом летательного аппарата. В данном дипломном проекте рассматривается рулевой привод для малогабаритных ЛА, полет которых происходит в плотных слоях атмосферы. Такие рулевые приводы осуществляют перемещение, как правило, поворотных аэродинамических рулей ЛА и характеризуются высоким быстродействием, способностью развивать значительные усилия при низкой массе и малых габаритах конструкции. Их энергетические и габаритно-массовые характеристики существенно зависят от вида используемой энергии.

Бурное развитие ЛА в пятидесятых годах заставило применять пневмопривод с воздушным аккумулятором давления в системах управления ЛА из-за того, что он был наиболее дешевым, простым и надежным рулевым механизмом.

В шестидесятых годах получили распространение рулевой привод на горячем газе, широко применяемый и в настоящее время. Переход от воздушного аккумулятора давления в системах рулевых приводов, занимающего значительный объем в ЛА, к малогабаритному и простому в изготовлении пороховому генератору газа позволил улучшить габаритно-массовые и эксплутационные характеристики рулевых приводов.

Создание в семидесятых годах рулевого привода без бортового источника питания - воздушно-динамического - положило начало новому этапу совершенствования рулевых приводов малогабаритных ЛА.

Следует также упомянуть о существовании электромагнитных рулевых приводов, в которых управления лопастями происходит напрямую силовым электромагнитом, напитываемым от аккумуляторной батареи. Однако они также не получили широкого применения вследствие малой мощности и большого веса источника питания электромагнита.

1.1 Классификация приводов

Приводы лопастей предназначены для преобразования электрич е ских сигналов управления в механическое перемещение лопастей, жестко связанных с подвижными частями исполнительного дв и гателя.

Исполнительный двигатель преодолевает при этом действующие на лопасть шарнирные нагрузки, обеспечивая необходимую скорость и нео б ходимое ускорение при обработке заданных выходных сигналов с требуемой динамич е ской точностью.

На базе уже существующих конструкций приводы могут быть кла ссифицированы:

по типу силовой системы:

воздушно - динамические;

пневматические;

горячегазовые;

электромагнитные;

по принципу управления лопастями:

релейное двух и трехпозиционное управление;

пропорциональное управление;

по схеме управляющей системы:

автоколебательная с двух и трехпозиционным управлением;

самонастраивающаяся с генератором вынуждающих колебаний и с двух и трехпозиционным управлением;

автоколебательная с генератором вынуждающих колебаний и с двух и трехпозиционным управлением;

по типу исполнительного двигателя:

одностороннего и двух стороннего действия;

полуоткрытого и закрытого типа;

по типу распределительного устройства:

поворотный золотник на входе, на выходе, на входе и выходе одновременно;

струйная трубка;

клапанное распределительное устройство на входе, выходе, входе и выходе одновременно.

1.2 Обоснование выбора типа привода

При сравнении характеристик различных типов и схем рулевых приводов отмечено, что при заданных шарнирных нагрузках и требуемых динамических характеристиках целесообразно для обеспечения минимальных габаритов и массы летательного аппарата применение пропорционального рулевого привода, использующего в качестве рабочего тела скоростной напор встречного потока воздуха.

В этом случае исчезает необходимость размещения специального источника питания.

Для малогабаритных управляемых ракетных снарядов наиболее часто проектируются воздушно-динамические рулевые привода, обладающие рядом преимуществ:

· независимость массы и объёма рулевого привода от времени работы, так как отсутствует специальный источник питания;

соответствие потребного и развиваемого момента рулевого привода;

соответствие потребной и развиваемой скорости;

практически постоянство фазового сдвига на частоте вращения ракеты вследствие эквивалентности скорости привода и скор о сти ракеты по крену, движущего момента и момента шарни р ной нагрузки;

применение в конструкции недефицитных материалов вследствие низких давлений и температур рабочего тела.

Для сравнения характеристик различных типов приводов приведём следующую таблицу:

Таблица 1.1 Сравнительная характеристика различных типов приводов

Скорость ЛА
Тип рулевого привода	ВДРП с сил. сист. открытого типа	электромагнитный	ВДРП с сил. сист. закрытого типа	на горячем газе	на сжатом газе
Тип бортового источника питания		электрическая батарея			Баллон со сжатым гелием
Объём привода с источником питания,
Масса привода с ист. питания, кг
Трудоёмкость изготовления,
Наиб. момент нагрузки,
Наибольший развиваемый момент,
Диапазон изменения ФЧХ, град.

Анализ данных таблицы показывает, что ВДРП значительно превосходят по своим характеристикам рулевые приводы отечественных и зарубежных ЛА.

ВДРП управляемого ЛА с дозвуковыми скоростями полета по сравнению с электромагнитными рулевыми приводами ЛА имеет в 2.5 раза меньший объем, в 5 раз меньшую трудоемкость изготовления.

Рулевой привод ЛА с транс- и сверхзвуковыми скоростями полета по сравнению с рулевыми приводами отечественных ЛА и американского ЛА ТОУ имеет в 3-4 раза меньшую массу, в 4 раза меньшую трудоемкость изготовления.

1.3 Технические требования к рулевому приводу

Рулевой привод (РП) одноканальный. Рули складываются внутрь отсека. Пиротехническая задержка раскрытия рулей в течение

Зависимость отклонения рулей от входного сигнала - пропорциональная.

РП работает от скоростного напора воздуха. Зависимость избыточного давления P и на входе воздухозаборника от времени при различных температурах окружающей среды представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Зависимость избыточного давления P и на входе воздухозаборника от времени t.

РП должен быть работоспособным при:

· числах Маха (рис. 1.2)

· частотах вращения от 4 до 13 Гц (рис. 1.3)

Рис. 1.2 Зависимость избыточного давления от значений числа Маха

Рис. 1.3 Зависимость частоты вращения ракеты от времени t

шарнирных моментах, представленных на рис. 1.4

Рис. 1.4 Зависимость момента шарнирной нагрузки M ш от времени t

Изменение фазового сдвига с учётом частот вращения должно соответствовать значениям

Максимальный угол отклонения рулей должен быть ±15°.

1.4 Математическое описание функционирования воздушно-динамического привода

Состояние физического тела (однородного газа) в некотором проточном объеме в каждый момент времени характеризуется совокупностью следующих параметров:

давление;

удельный вес;

тепература.

Для этого газа, полагая его идеальным, справедливо уравнение состояния:

Из этого уравнения следует, что независимых величин, характеризующих состояние газа в проточной полости, две. В термодинамике для их определения используется два закона:

закон сохранения энергии;

закон сохранения массы.

Принимаем допущение о том, что параметры газа являются медленно меняющимися по сравнению с изменением сигналов управления. Это позволяет разбить уравнение нелинейной нестационарной модели привода на две группы уравнений:

уравнения с медленно меняющимися координатами;

уравнения с быстро меняющимися координатами.

Расчет газодинамической системы привода по системе нелинейных алгебраических уравнений построен на основе схемы замещения (рис. 1.5).

Рис. 1.5 Схема замещения силовой системы

При разработке РП применяется система математических моделей:

а) нелинейная, используемая для расчета динамических характеристик РП;

б) модель параметрической идентификации, используемая для расчета конструктивных параметров исполнительного двигателя.

Нелинейная математическая модель получена на основе законов сохранения массы и энергии и включает в себя следующие уравнения:

для полости ресивера:

для рабочих полостей (i=1,2):

для полости отсека:

Законы сохранения массы можно записать в следующем виде:

для полости ресивера:

для рабочих полостей (i=1,2):

для полости отсека

Удельный приход (расход) энергии находим по следующим зависимостям:

Массовый секундный приход (расход) газа в рабочей полости определяется по формулам:

Функции режима течения определяются по формулам:

Полное математическое описание исполнительного двигателя включает в себя еще и уравнения, полученные из уравнения состояния. Они имеют вид:

полость ресивера:

рабочие полости (i=1,2):

полость отсека:

Для определения объёма имеем следующие зависимости:

Механическая подсистема исполнительного двигателя описывается следующим уравнением:

Эффективность сечения входного и выходного отверстий распределительного устройства типа ”струйная трубка” с достаточной точностью можно описать с помощью следующих уравнений:

для входного сечения:

для выходного сечения:

Коэффициент колебательности;

p П1,2 - давление в полостях привода;

k - показатель адиабаты;

П Р - удельный расход энергии в ресивере;

G Р1,2 - удельный массовый секундный расход рабочего тела в ресивере;

П П1,2 - удельный расход энергии в рабочих полостях;

G П1,2 - удельный массовый секундный расход рабочего тела в полостях;

S П - площадь поршня;

M - угол поворота и максимальный угол поворота рулей;

W 1,2 - объём рабочих полостей;

Т П1,2 - температура рабочего тела в полостях;

П1,2 - удельный вес рабочего тела в полостях;

R - универсальная газовая постоянная;

I - приведённый суммарный момент инерции подвижных частей;

f - коэффициент вязкого трения;

m ш () - жёсткость шарнирной нагрузки;

М СТР - момент сухого трения;

k 0 - газодинамический коэффициент;

p P - давление в ресивере;

Y P1,2 , Y П1,2 - газодинамические функции режима течения;

S ВХ1,2 , S ВЫХ1,2 - эффективные площади втекания и истечения в рабочих полостях;

p 0 - давление в отсеке;

с - коэффициент, характеризующий регулируемое втекание;

M - угол поворота и максимальный угол поворота якоря управляющего электромагнита;

а, У - коэффициенты, характеризующие регулируемое истечение.

1.5 Разработка рулевого привода

Необходимо спроектировать рулевой привод, обеспечивающий воспроизведение управляющих сигналов в полосе частот от 28 с -1 до 91 с -1 и амплитуд до 15° угла поворота рулей с фазовым сдвигом 15°±13°. Процесс разработки привода представлен на схеме рис. 1.6.

Разработка малогабаритной танковой управляемой ракеты накладывает существенные ограничения на габариты и массу рулевого привода. Кроме того, в настоящее время не менее актуальна разработка технологичных, выполненных из отечественных недефицитных материалов и, следовательно, имеющих низкую себестоимость рулевых приводов. Габариты и масса РП существенно зависят от потребной выходной мощности и определяются применяемыми типом и структурой системы привода. Для пропорционального закона управления рулевыми органами наименьшие габариты обеспечиваются при применении автоколебательной системы привода с двухпозиционным управлением (рис. 1.7).

В качестве привода управляемой ракеты выбран воздушно-динамический рулевой привод со струйным распределительным устройством.

Воздушно-динамический РП не требует специального источника питания, габариты которого в значительной степени зависят от времени работы и мощности привода.

Рис. 1.6 Алгоритм разработки рулевого привода

Рис. 1.7 Автоколебательная система привода с двухпозиционным управлением

Для воздушно-динамического привода характерно согласование действующих шарнирных нагрузок с развиваемым приводом моментом, а также скорости вращения по крену со скоростью перемещения рулей, вследствие чего по времени полёта обеспечивается практически постоянный фазовый сдвиг на частотах вращения ракеты по крену.

Стабильность динамических характеристик ВДРП по времени управляемого полёта ракеты позволяет расширить допуски на конструктивные параметры рулевых приводов, работающих на традиционных источниках питания: сжатом газе высокого давления, горячем пороховом газе, электрической энергии.

Выбранное распределительное устройство типа "струйная трубка" позволяет применить управляющий электромагнит поворотного типа, надёжный в работе при внешних воздействующих факторах. Нагрузка на управляющий электромагнит с распределительным устройством типа "струйная трубка" незначительна. Динамические характеристики управляющего электромагнита практически не зависят от величины входного давления.

Проектирование автоколебательной системы ВДРП проводится по математической модели параметрической идентификации:

Уравнение суммирующего устройства:

Уравнение корректирующего фильтра:

Уравнение релейного элемента усилителя:

Уравнение управляющего электромагнита:

Уравнение исполнительного двигателя:

Расчёт обобщённых и конструктивных параметров производится для режима наихудших энергетических возможностей, который соответствует максимуму отношения потребной мощности к развиваемой при отработке гармонического сигнала с амплитудой? 0 и частотой при шарнирной нагрузке, имеющей пружинный характер, т. е. из условия минимума энергетической функции привода:

где - частота вращения ракеты, рад/с;

Момент шарнирной нагрузки, Н м;

Газодинамическая функция режима течения (рис. 1.8);

Величина избыточного давления, Па;

Температура окружающей среды, К;

t - время полёта, с.

Режим наихудших энергетических возможностей соответствует полёта при температуре (рис. 1.9). Для указанного режима значения параметров следующие:

Число маха М ………………………………………………………1.17;

Момент шарнирной нагрузки ………………………-0.937;

Избыточное давление ………………………………..1.22?10 5 ;

Частота вращения по крену ……………………………..9.3±1.9.

Рис. 1.8 График зависимости числа Y от величины избыточного давления.

Рис. 1.9 Энергетическая функция привода

Значение выбирается из условия обеспечения фазовой частотной характеристики разомкнутого контура, близкой к заданному номинальному значению при возникновении ограничений выходной координаты силовой части привода. При таком значении? обеспечиваются меньшие фазовые сдвиги, чем при расчёте? по минимуму расхода, но расход рабочего тела через систему увеличивается, что в случае применения воздушно-динамического привода не является ограничением для проектирования.

Максимальный развиваемый момент определяется по зависимости:

Значение произведения площади поршня на плечо кинематической передачи определяется по зависимости:

Потребная скорость для обеспечения отработки гармонического сигнала рассчитывается по формуле:

Рис. 1.10 График зависимости числа? от величины избыточного давления

Структура и параметры автоколебательной системы воздушно-динамического привода определяются для режима наихудших фазовых сдвигов, соответствующего максимуму энергетической функции при нагрузке, имеющей характер перекомпенсации, то есть режима (рис. 1.11). Для указанного режима значения параметров следующие:

Число маха М ……………………………………………………..0.894;

Момент шарнирной нагрузки ………………………..0.265;

Избыточное давление ………………………………0.667?10 5 ;

Частота вращения по крену ……………………………….7.8±2.

Рис. 1.11 Энергетическая функция привода

Рассчитаем структуру и параметры автоколебательной системы ВДРП на соответствующего режима:

а) рассчитывается допустимая минимальная частота автоколебаний из условия обеспечения разноса рабочей частоты? 0 и частоты автоколебаний? а:

б) рассчитывается фазовый сдвиг? n и амплитудная характеристика A n исполнительного двигателя на рабочей частоте и частоте автоколебаний.

Рис. 1.12 Структурная схема исполнительного двигателя РП

Рассчитаем максимальную скорость на этом режиме, исходя из? m на предыдущем:

Тогда новое? m примет значение:

Из рис. 1.13 определим фазовые сдвиги и величины амплитудной характеристики исполнительного двигателя РП на рабочей частоте и частоте автоколебаний.

Для данного режима определены соответствующие значения:

в) определяется время эквивалентного запаздывания управляющего электромагнита:

где - фазовый сдвиг нелинейного элемента на частоте,

Фазовый сдвиг корректирующего фильтра на частоте автоколебаний, выбираемый при первой итерации равным нулю.

Рис. 1.13 Амплитудно-фазовая частотная характеристика исполнительного двигателя рулевого привода

г) рассчитываются фазовые характеристики разомкнутой и замкнутой автоколебательной системы воздушно-динамического привода.

Фазовая характеристика разомкнутой системы рассчитывается по следующей формуле:

Фазовый сдвиг исполнительного двигателя РП,

Фазовая характеристика управляющего электромагнита (рис. 1.15),

Фазовый сдвиг корректирующего фильтра (рис. 1.14),

Фазовый сдвиг нелинейного элемента, .

Фазовая характеристика замкнутой системы:

Амплитудная характеристика разомкнутой системы.

При необходим фильтр с ослаблением амплитудной характеристики на частоте автоколебаний:

Рис. 1.14 Амплитудно-фазовая частотная характеристика корректирующего фильтра

Рис. 1.15 Фазовая характеристика управляющего электромагнита

Фазовая характеристика разомкнутой системы воздушно динамического рулевого привода представлена на рис. 16, замкнутой - на рис. 1.17.

Рис. 1.16 Фазовая характеристика разомкнутой системы ВДРП

Рис. 1.17. Фазовая характеристика замкнутой системы ВДРП

1.6 Оценка влияния изменения параметров математической модели ВДРП на его характеристики

Проследим, каким образом влияют на характеристики привода изменения таких величин, как скорость движения рулей, момент шарнирной нагрузки, момент инерции рулей, время эквивалентного запаздывания управляющего электромагнита, а также коэффициенты трения.

Пусть и изменяются в пределе ±15%, а и f - на ±50%.

Наиболее существенные изменения происходят, когда вышеназванные величины изменяются одновременно либо в сторону уменьшения, либо в сторону увеличения. Рассмотрим два крайних случая:

1) и увеличим на 15%, а и f - на 50%.

Результаты отображены на рис. 1.18-1.20

Рис. 1.18 Амплитудно-фазовая характеристика исполнительного двигателя рулевого привода

Рис. 1.19 Фазовая характеристика разомкнутой системы ВДРП

Рис. 1.20 Фазовая характеристика замкнутой системы ВДРП

2) и уменьшим на 15%, а и f - на 50%

Результаты отображены на рис. 1.21-1.23

Рис. 1.21 Амплитудно-фазовая характеристика исполнительного двигателя рулевого привода

Рис. 1.22 Фазовая характеристика разомкнутой системы ВДРП

Рис. 1.23 Фазовая характеристика замкнутой системы ВДРП

Как можно заметить из вышеприведённых графиков, ни одно из проделанных изменений не привело к выходу рулевого привода из заданного коридора фазовых сдвигов (рис. 1.20 и 1.23), что свидетельствует о высокой динамической точности разрабатываемого ВДРП. Проверим, какую роль играют величины постоянных времени T ф1 и T ф2 .

Рассмотрим три варианта фильтра (рис. 1.24, 1.25):

Графики фазовых характеристик разомкнутой и замкнутой систем будут иметь вид, представленный на рис. 1.26-1.29.

Рис. 1.24 Амплитудные частотные характеристики нескольких вариантов корректирующего фильтра

Рис. 1.25 Фазовые частотные характеристики нескольких вариантов корректирующего фильтра

Рис. 1.26 Фазовые характеристики разомкнутой системы ВДРП

Рис. 1.27 Фазовые характеристики замкнутой системы ВДРП

Рис. 1.28 Фазовые характеристики разомкнутой системы ВДРП

Рис. 1.29 Фазовые характеристики замкнутой системы ВДРП.

1.7 Технические требования к составным частям автоколебательной системы рулевого привода

а) воздухозаборник должен обеспечивать:

Отношение площадей воздухозаборника к площади струйника:

Отношение площадей ресивера к площади струйника:

Выступание воздухозаборника за обтекатель не менее 5 мм.

б) рулевой привод должен обеспечивать:

Максимальную скорость при давлении

и температуре:

Максимальный развиваемый момент при давлении

Управляющий электромагнит в реальных условиях эксплуатации должен обеспечивать время эквивалентного запаздывания:

в) постоянные времени корректирующего фильтра должны быть:

1.8 Проектирование управляющего электромагнита

В качестве управляющего электромагнита выбираем нейтральный электромагнит с угловым перемещением якоря. Управляющий электромагнит, на оси которого закреплён струйник, установлен на основании распределительного устройства. Ток, протекающий через обмотки этого электромагнита, при поступлении команды управления, создает магнитный поток, притягивающий якорь к одному из упоров, разворачивая диск распределительного устройства в одно из крайних положений.

Расчёт параметров управляющего электромагнита проводится из обеспечения требуемых динамических характеристик при заданном напряжении питания и токе потребления обмоток управляющего электромагнита. Расчёт проводится графоаналитическим способом в соответствии с алгоритмом (см. рис. 1.30).

В данном дипломном проекте при проектировании ВДРП в целях унификации с ранее изготовленными подобными рулевыми приводами воспользуемся одним из уже существующих управляющих электромагнитов и расчёт производить не будем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.30 Алгоритм расчета УМ

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Описание конструкции рулевого привода

Рулевой привод предназначен для преобразования электрических сигналов, поступающих с наземной аппаратуры управления, в соответствующие угловые отклонения аэродинамических рулей, управляющих полетом летательных аппаратов. В данном дипломном проекте разработан автоколебательный одноканальный воздушно-динамический рулевой привод полуоткрытого типа с регулируемым на выходе распределительным устройством типа «струйная трубка» (рис. 2.1).

Рис. 2.1 Рулевой привод

1 - основание; 2 - поршень; 3 - руль; 4 - втулка; 5 - ось; - подшипник; 7 - пружина; 8 - вилка; 9 - потенциометр обратной связи;10 - шпангоут; 11 - трубка; 12 - фильтр; 13 - пружина; 14 - канал; 15 - приемное отверстие; 16 - поршень; 17 - чехол; 18 - манжета; 19 - основание; 20 - штифт; 21 - серьга; 22 - ось; 23 - ось; 24 - пружина; 25 - подшипник; 26 - корпус; 27 - планка;28 катушка управления; 29 - якорь; 30 - приемник; 31 - струйник; 32 - воздухозаборник; 33 - электромагнит управляющий;34 - электровоспламенитель; 35 - силовой цилиндр; 36 - планка.

Привод состоит из следующих основных частей:

а) исполнительный двигатель с аэродинамическими рулями;

б) управляющий электромагнит с распределительным устройством.

Базовой деталью рулевого привода является шпангоут 10, на котором установлены оси 5 с рулями 3, втулками 4, пружинами 7. Рули соединены между собой осью 22, на этой же оси находится вилка 8, связывающая рули с потенциометрическим датчиком обратной связи 9. Шпангоут 10 является базовой деталью, к которой крепится основание 1. На основании установлены два силовых цилиндра 35.

Управляющий электромагнит 33 состоит из корпуса 26, в котором на подшипниках 25 установлена ось 23 с якорем 29, двух катушек управления 28, соединенных планкой 27, закреплённой в корпусе 26, и пружины 24.

Силовой цилиндр 35 состоит из основания 19, на котором закреплена эластичная манжета 18, закрытая чехлом 17, поршня 16, соединённого с манжетой 18 и серьги 21, связывающей поршень 16 с осью 22.

Рули 3 и воздухозаборники 32 в сложенном положении удерживаются планкой 36, закреплённой штифтами 20 на шпангоуте 10.

2.2 Описание принципа действия рулевого привода

Принцип действия РП состоит в следующем.

При полёте управляемой ракеты встречный поток воздуха через отверстия в воздухозаборниках 32 проходит через струйное распределительное устройство в рабочие полости рулевых машин. В автоколебательном приводе генерируются автоколебания. С усилителя подается поочерёдно напряжение на одну или другую обмотки управляющего электромагнита. При поступлении сигнала в одну из обмоток, якорь притягивается к ней и устанавливает струйник напротив соответствующего окна приёмника. Воздух поступает в рабочую полость привода, и в ней устанавливается максимальное давление; в это время вторая рабочая полость опорожняется. Под действием разности давлений на поршни рулевых машин происходит поворот оси рулей. Разность средних давлений в полостях и угол поворота рулей пропорциональны входному сигналу.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Теоретические сведения

Сборка является заключительной стадией технологического процесса изготовления деталей.

К сборочно-технологическим процессам относят соединение деталей и сборочных единиц для образования изделия с его последующей регулировкой, контролем и испытанием.

Технологический процесс сборки осуществляют, руководствуясь нормативными документами, которые оформляются в соответствии с единой системой технологической документации (ЕСТД).

ЕСТД представляет собой комплекс стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения о порядке разработки, оформления и обращения единой технологической документации для всех предприятий и организаций приборостроительных и машиностроительных отраслей промышленности.

Проектированием технологических процессов и составлением нормативной документации занимаются технологические отделы и бюро предприятия.

Для разработки технологического процесса сборки изделия или сборочной единицы технологу необходимо иметь сборочные чертежи, спецификацию деталей по сборочным единицам, технологические условия на сборку, испытания и приемку, годовой план выпуска изделия. Кроме того, в распоряжении технолога должны находиться данные о парке оборудования и электроснабжении цехов, о применяемом инструменте, приспособлениях, контрольно-измерительной аппаратуре, а также стандарты предприятия.

Подготовку к проектированию технологического процесса начинают с анализа конструкции по чертежам, схемам, техническим условиям и программе испытания. Проектирование технологического процесса сборки содержит следующие этапы:

1. Определение последовательности сборки.

2. Определение перечня и последовательности работ при сборке, построение схемы технологического процесса.

3. Нормирование операций.

4. Определение организационной формы сборки и синхронизация операций по ритму.

В данном разделе дипломного проекта рассмотрены первые три этапа.

3.2 Определение последовательности сборочного процесса

Основой для определения последовательности сборки изделия является конструкторская документация, в которой изделие разбито на сборочные единицы. Характерной особенностью сборочной единицы является возможность сборки обособленно от других частей изделия. Благодаря этому процесс сборки сложных изделий состоит из переходов, выполняемых не только последовательно друг за другом, но и параллельно друг другу.

3.3 Построение схемы технологического процесса сборки

Схема технологического процесса сборки служит для облегчения разработки основной технологической документации - маршрутных и операционных карт. Схема технологического процесса наглядно и детально отражает последовательность и структуру сборки, включая регулировку, контроль и испытания изделия.

Построение схемы ведется по следующим правилам:

1. Каждый элемент изделия имеет условное обозначение. Сборочные единицы принято обозначать квадратом, а детали - кругом. Стандартные и поставляемые изделия изображаются со штриховкой.

2. Приспособления, применяемые вместо деталей или сборочных единиц, без которых не может быть выполнена сборка, указываются на схемах как детали или сборочные единицы, но пунктиром.

3. Процесс сборки изображается линией, а переходы точками на этой линии. Линия проводится в направлении от базового элемента изделия к собранному объекту.

Соединение деталей или сборочной единицы с собранной ранее частью изделия или базовой деталью, использование материалов обозначается линией, присоединяемой к сборочной линии. Крепежные детали и прикрепляемые ими элементы изделия соединяются со сборочной линией в одной точке.

4. Снимаемые (демонтируемые) детали, сборочные элементы, приспособления указываются на схемах со стрелкой, направленной от линии сборки.

5. Схема поясняется указанием о выполнении соединений, регулировки и контроля при сборке.

4. ЭКОНОМИКА

4.1 Введение

Процесс создания и освоения новой техники является комплексным, охватывающим большой промежуток времени и большое количество исполнителей. Исходя из новизны создаваемого изделия и степени его комплексности в практике планирования СОНТ применяются два метода:

Метод, основанный на разработке ленточных планов - графиков;

Метод, основанный на разработке сетевых графиков.

Метод ленточных планов - графиков используется при относительно краткосрочных разработках и при небольших количествах исполнителей.

Сетевое планирование представляет собой систему планирования комплекса работ, направленную на достижение конечной цели.

4.2 Составление и расчёт сетевого графика

Сетевое планирование основано на графическом изображении комплекса работ, которое отображает их логическую последовательность, взаимосвязь и длительность. Сетевое планирование имеет значительное преимущество перед обычным методом планирования и управления:

- наиболее полно учитывается связь между различными работами;

- появляется возможность более эффективного распределения срока окончания работ или ресурсов;

- появляется возможность более эффективного распределения ресурсов за счёт оптимизации планов;

- возможность применения ЭВМ;

- наглядное и удобное изображение комплекса работ.

Сетевое планирование позволяет вести разработку в оптимальном режиме. Сетевая модель отображает логическую последовательность и взаимосвязь работ и изображается в виде графика, состоящего из стрелок и кружков.

Кружки на сетевом графике обозначают совершение отдельных событий, отображающих результаты выполнения работ. Продолжительности события не имеют.

Стрелки обозначают работы, то есть действия, которые совершаются для совершения событий. Работы имеют продолжительность, которая на графике указывается стрелкой.

Каждая работа имеет начало и окончание. На графике начало стрелки находится в предыдущем событии, а окончание в последующем.

Работы могут быть трёх типов:

- действительными;

- ожидаемыми;

- фиктивными.

Путем называется непрерывная последовательность работ между двумя событиями сетевого графика, в котором конечное событие каждой работы совпадает с начальным событием следующим за ней событием.

Существует три вида путей:

- полный путь (от начального до конечного события);

- предшествующий путь (от начального до данного события);

- последующий путь (от данного до конечного события).

Критическим путем является полный путь, имеющий наибольшую длительность. Критический путь определяет продолжительность процесса в целом.

Для завершения всего комплекса работ в более ранние сроки необходимо принимать меры по сокращению длительности работ, лежащих на критическом пути. При расчёте сетевых графиков определяют ранние и поздние сроки начала и окончания работ.

Ранний срок свершения события - это срок, необходимый для выполнения всех работ, предшествующих данному событию, т.к. это событие свершится только тогда, когда будут выполнены все работы, для которых оно является конечным (рис. 4.1).

Рис. 4.1 Ранний срок свершения события

Поздний срок свершения события - это такой срок, превышение которого вызовет аналогичную задержку наступления завершающего события графика. Поэтому расчет поздних сроков свершения событий осуществляется после нахождения критического пути по принципу, представленному на рис. 4.2.

Рис. 4.2 Поздний срок свершения события

Раннее начало каждой работы равно раннему сроку свершения начального в данной работе события:

Раннее окончание каждой работы определяется как сумма фона раннего начала и продолжительности ожидаемого времени выполнения этой работы:

Позднее окончание каждой работы равно позднему сроку свершения конечного события в работе:

Позднее начало работы определяется как разница между сроком позднего окончания и ожидаемым временем выполнения этой работы:

На основании рассчитанных ранних и поздних сроков начала и окончания работ определяются резервы времени работы.

Различают понятия полного и свободного резервов времени.

Резерв времени события - это промежуток времени, на который может быть отсрочено свершение этого события, без нарушения критического пути:

Полный резерв времени работы - это максимальный период времени, на который можно увеличить продолжительность данной работы, не изменяя критического пути:

Важным свойством этого резерва является то, что он может быть распределен между работами, лежащими на следующем пути, т.е. он является резервом всего последующего пути.

Свободный резерв времени работы - это промежуток времени, на который может быть отодвинуто окончание данной работы, не изменяя ранних сроков начала последующих работ

Резервы времени работы позволяют маневрировать сроками начала и окончания работ, устанавливая наиболее благоприятные сроки выполнения работы с точки зрения рациональной загрузки ресурсов, выделяемых на достижение конечной цели. Резервами работ можно пользоваться также для выявления критического пути. Представляя цепную связь работ, он проходит по работам, не имеющим резервов.

Одними из важнейших операций при анализе рассчитанных параметров сетевого графика являются определение коэффициентов напряженности работ и вероятности свершения завершающего события в заданный срок.

Коэффициент напряженности работы характеризует относительную сложность соблюдения сроков выполнения работ на некритических путях:

где - продолжительность максимального пути, проходящего через работу ij;

Продолжительность критического пути;

Продолжительность отрезка максимального пути работы, совпадающего с критическим путем ij.

Контролировать правильность расчета сетевого графика необход и мо по параметрам полного резерва времени и коэффициента напряженн о сти. Причём резерв времени работ, лежащих на критическом пути всегда равен нулю, а к о эффициент напряженности работ равен единице.

Таблица 4.1. Картотека событий

№ события	Перечень событий
	ТЗ получено
	ТЗ проработано
	Литература подобрана
	Литература изучена
	Математическая модель выбрана
	Расчет характеристик привода сделан
	Выбор типа и схемы привода сделан
	Расчет конструктивных и обобщенных параметров проведен
	Анализ влияния различных факторов на характеристики привода проведен
	Техническая документация выпущена
	Рабочие чертежи разработаны
	Эскизный проект выпущен
	Техническая документация выпущена и выдана в производство
	Материалы заказаны
	Материалы поставлены
	Комплектующие изделий заказаны
	Детали изготовлены и комплектующие изделия поставлены
	ПИ выпущено и произведена сборка и настройка образца
	Испытания произведены
	ТП выпущено и произведена корректировка ТД
	Принято решение о серийном выпуске

Таблица 4.2 Картотека работ

№ работы	Перечень работ	Продолжительность, дни	Затраты на выполнение работ, руб.

	Выдача ТЗ
	Подбор литературы
	Изучение литературы
	Фиктивная работа
	Выбор мат. модели
	Расчёт характеристик привода
	Фиктивная работа
	Выбор типа и схемы привода
	Расчёт конструктивных и обобщённых параметров привода
	Анализ влияния различных факторов на характеристики привода
	Выпуск ТД
	Разработка рабочих чертежей
	Выпуск эскизного проекта
	Выпуск ТД и выдача ее в производство
	Заказ материалов
	Поставка материалов
	Подготовка производства
	Заказ комплектующих изделий
	Поставка комплектующих тизделий
	Изготовление деталей
	Сборка и настройка образца
	Выпуск ПИ
	Проведение испытаний
	Корректировка технической документации
	Выпуск технического проекта
	Принятие решения о серийном выпуске

Расчёт сетевого графика проведён с применением ЭВМ. Результаты представлены в виде таблицы 1.

Из расчетов видим, что критический путь проходит через события:

Продолжительность критического пути 111.5 дней.

Расчёт вероятности наступления завершающего события в заданный срок совершенно необходим, когда установленный директивный срок оказывается меньше срока свершения завершающего события, рассчитанного по величине критического пути.

Вероятность свершения завершающего события в заданный срок можно определить по формуле:

где - значение дифференциальной функции нормального распределения вероятностей, называемой функцией Лапласа, определяют в зависимости от ее аргумента х по таблице, приведенной в приложении 1.

где - среднеквадратическое отклонение срока наступления завершающего события;

- продолжительность работы ij, лежащей на критическом пути;

n - число работ критического пути;

- среднее арифметическая для параметра.

Для величины имеются вполне определенные границы допустимого риска. При > 0.65 можно утверждать, что на работах критического пути имеются избыточные ресурсы, следовательно общая продолжительность работ может быть сокращена. При < 0.35 опасность срыва заданного срока наступления завершающего события настолько велика, что необходимо повторное планирование с перераспределением ресурсов, т.е. оптимизация сетевого графика.

Оптимизация сетевого графика в зависимости от полноты решаемых задач может быть разделена на частную и комплексную. Видами частной оптимизации являются: минимизация стоимости всего комплекса работ при заданном времени выполнения проекта, минимизация времени выполнения разработки при заданной ее стоимости. Комплексная оптимизация - это нахождение оптимума в соотношениях величин затрат и сроков выполнения проекта.

Проведением оптимизации сетевого графика стадия составления исходного плана заканчивается. Далее начинается стадия оперативного управления ходом работ, когда в службу сетевого планирования поступает с определенной периодичностью информация о фактическом ходе смоделированного процесса. Производятся перерасчеты графика и разрабатываются мероприятия по ликвидации возникших от него отклонений.

Таким образом, в целом сетевой график позволяет наиболее рационально построить план работы, установить строгую последовательность и очередность в выполнении всех необходимых операций и действий. С помощью сетевого графика можно с достаточной точностью определить сроки свершения каждого события и, следовательно, срок достижения результата - завершающего события; оптимизировать использование выделяемых ресурсов; организовать контроль, наблюдение и управление действиями ответственных исполнителей с помощью ЭВМ.

4.3 Выводы

1. Проведя расчёт параметров сетевого графика, мы видим, что при длине критического пути 111.5 дней затраты на комплекс работ составляют 18 338 рублей.

2. Проведя оптимизацию сетевого графика, исходя из минимума затрат, мы видим, что при той же длине критического пути затраты на комплекс работ составляют 18 213 рублей.

3. Проведя оптимизацию сетевого графика, исходя из минимума длины критического пути, при директивном сроке, длина критического пути составляет 103 дней, при затратах на комплекс работ 20 358 рублей.

4. Проведя комплексную оптимизацию, исходя из минимума затрат и минимума длины критического пути, при директивном сроке, видно, что длина критического пути оставляет 103 дня, при затратах на комплекс работ 20 358 рублей.

5. ОХРАНА ТРУДА

5.1 Введ ение

При проектировании ВДРП на работоспособность инженера влияет организация трудового процесса, метеорологические условия производст венной среды, шум, освещение производственного помещения, его температура и многое др у гое.

Безопасность труда обеспечивается соблюдением правил по техн ике безопасности, санитарных норм и правил. Также для обеспечения безопасности труда должны предъявляться требования к сооружениям, производственным зданиям, оборудованию. При этом необходимо обеспечивать защиту рабочих мест от воздействия опасных и вредных факторов, содержать рабочие места в строгом соответствии с санитарно-гигиеническими нормами.

В данной части дипломного проекта будут рассмотрены все вышеп е речисленные факторы, влияющие на здоровье и безопасность человека, и будут разработаны меры по предотвращению вредных и опасных факт о ров.

5.2 Анализ вредных и опасных факторов при расчёте и проектировании замкнутой системы ВДРП

Расчёт и проектирование - это работа с чертежами, с технической документацией, с расчётами, с ЭВМ. Инженеру приходится часами работать над чертежами, книгами, поэтому в помещении, где он работает должно быть освещение соответствующее санитарным нормам и правилам. Правильно спроектированное и выполненное освещение на предприятии обеспечивает возможность нормальной производственной деятельности. Сохранность зрения человека, состояние его центральной нервной системы и безопасность на производстве в значительной мере зависят от условий освещения.

При недостаточном освещении в помещении, где работает инженер, у работающего постепенно ухудшается зрение, а, следовательно, и его общее физическое состояние, и работоспособность.

Расчёт и проектирование замкнутой системы ВДРП осуществляется с применением персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением. Эксплуатация ПЭВМ связана с воздействием на работающего таких вредных и опасных факторов, как повышенная температура окружающей среды, недостаток естественного освещения, недостаточная освещенность рабочей зоны, электрический ток, статическое электричество, шум, повышенный уровень электромагнитного, ультрафиолетового и инфракрасного излучений.

Работа инженеров-исследователей и конструкторов связана с воздействием таких психофизических факторов, как умственное перенапряжение, напряжение зрительных и слуховых анализаторов, монотонность труда, эмоциональные перегрузки.

Воздействие указанных неблагоприятных факторов приводит к снижению работоспособности, вызванной развивающимся утомлением. Появление и развитие утомления связано с изменениями, возникающими в процессе работы в центральной нервной системе, с тормозными процессами в коре головного мозга. Так при длительной работе за видеомонитором, у человека возникает повышенная утомляемость и головная боль. Длительное нахождение человека в зоне комбинированного воздействия различных неблагоприятных факторов может привести к профессиональным заболеваниям, например, ухудшение зрения, бессонница.

После разработки технологических факторов и технической документации изготавливают экспериментальный образец и производят испытания на испытательных стендах. При этом возникает опасность возникновения пожара или поражения электрическим током.

5.3 Меры по недопущению вредных и опасных факторов

Для предотвращения вредных и опасных факторов на предприятии при строительстве производственных зданий необходимо соблюдать все требовании санитарных норм и правил. Также необходимо регулярно производить и н структаж работников предприятия по технике безопасности, надо постоянно следить за электрооборудованием и за наличием противопожа р ных средств.

Подобные документы

Проектирование исполнительного двигателя системы газового рулевого привода. Анализ применения пневматических и газовых исполнительных устройств. Построение принципиальной схемы рулевого тракта. Обзор функциональных элементов систем рулевого привода.

курсовая работа , добавлен 20.06.2012

дипломная работа , добавлен 10.09.2010

курсовая работа , добавлен 06.04.2014

Производители, описание конструкции, преимущества использования системы верхнего привода в буровых работах. Обоснование выбора кинематической схемы привода, проектирование валов редуктора. Укрупненный технологический процесс изготовления детали.

дипломная работа , добавлен 18.04.2011

дипломная работа , добавлен 13.03.2011

Классификация смесителей по принципу действия. Определение расчётной мощности двигателя. Описание порядка сборки и обслуживания привода. Конструктивный расчёт цепной передачи, шпоночных соединений. Рекомендации по выбору масла и смазки всех узлов привода.

курсовая работа , добавлен 27.10.2014

Расчёт энергосиловых и кинематических параметров привода. Передаточные числа по ступеням привода и частоты вращения валов. Расчёт конической передачи с круговым зубом. Проверка по контактным напряжениям. Расчёт валов, шпонок и подбор подшипников.

курсовая работа , добавлен 09.01.2014

Принцип действия привода шнекового питателя. Подбор электродвигателя, расчет цилиндрического редуктора. Алгоритм расчета клиноременной, цепной передачи. Рекомендации по выбору масла и смазки узлов привода. Сборка и обслуживание основных элементов привода.

контрольная работа , добавлен 04.11.2012

Разработка привода ленточного транспортера, состоящего из электродвигателя, клиноременной передачи и двухступенчатого цилиндрического зубчатого редуктора. Кинематический и силовой расчет привода. Форма и размеры деталей редуктора и плиты привода.

курсовая работа , добавлен 18.12.2010

В представленной статье приведена разработанная линеаризованная математическая модель, описывающая динамику электрогидравлического привода ракеты-носителя. Модель состоит из передаточных функций его основных узлов. Предложено для оценивания качества функционирования электрогидравлических приводов в динамических режимах перейти от использования традиционных временных характеристик к частотным характеристикам. Проведено моделирование данной системы в среде «Matlab+Simulink», которая позволяет вводить нелинейности различного вида и описывать динамические процессы электрогидравлического привода, неподдающиеся линеаризации. Для анализа устойчивости исследуемой гидравлической системы управления при заданных значениях коэффициентов были получены логарифмические амплитудные фазовые частотные характеристики. Частотные характеристики позволяют анализировать структуры электрогидравлических систем на этапах проектирования, а также при эксплуатации существующих приводов, решать задачи синтеза путем подбора корректирующих звеньев.

электрогидравлический привод

передаточная функция

амплитудно-фазовая частотная характеристика

1. Боровин Г.К., Костюк А.В. Математическое моделирование гидравлического привода с LS-управлением шагающей машины. Препринт № 54. – М.: Институт прикладной математики. им. М.В. Келдыша РАН, 2001.

2. Дьяконов В.П. MATLAB R2006/2007/2008 + Simulink 5/6/7. Основы применения. – 2-е изд., перераб. и доп. Библиотека профессионала. – М.: СОЛОН-Пресс, 2008. – 800 с.

3. Крымов Б.Г., Рабинович Л.В., Стеблецов В.Г. Исполнительные устройства системы управления летательными аппаратами. – М.: Машиностроение, 1987.

4. Навроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов. – М.: Машиностроение, 1991. – 384 с.

5. Ратушняк А.И., Каргу Д.Л. Исследование путей построения и обоснование новых схемных решений систем диагностирования и контроля динамических режимов работы приводов ракетных двигателей // Современные проблемы улучшения тактико-технических характеристик ракетно-космической техники, ее создания, испытаний и эксплуатации: труды Всероссийской научно-практической конференции. – СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2013. – С. 115–121.

Несмотря на тенденцию широкого внедрения ЭВМ в область анализа и синтеза автоматических систем частотные методы исследования динамики проектируемых систем не утратили своего значения. Реализация их на ЭВМ дает возможность в короткий срок получить ценную информацию о проектируемой системе. По амплитудно-фазовым частотным характеристикам можно судить о таких качественных показателях, как запасы устойчивости по амплитуде и по фазе, резонансная частота и другие .

Основной задачей для экспериментального снятия частотных характеристик является математическое описание динамики автоматических систем управления в виде передаточных функций .

Широкое применение электрогидравлических приводов (ЭГП) ракет-носителей обусловлено высокой плотностью создаваемых усилий на единицу площади гидроусилителя.

В гидроприводе использованы распределители с пропорциональным управлением и гидроцилиндр.

При проектировании ЭГП оценка устойчивости, качества регулирования и коррекции динамических характеристик привода является важной задачей. Для выполнения этой задачи необходимо разработать математическую модель процессов, протекающих в приводе.

На рис. 1 приведена функциональная схема электрогидравлического привода.

В состав электрогидравлического привода ракеты-носителя входят: электромеханический преобразователь, гидроусилитель, золотник, силовой гидроцилиндр, формирователь тока управления, блок обратной связи. ЭГП является автоматической системой регулирования с отрицательной обратной связью.

Рис. 1. Функциональная схема электрогидравлического привода

При составлении линейной модели ЭГП были приняты следующие предположения и допущения: коэффициенты расходов дросселей и рабочих окон золотника являются постоянными; перетечки рабочей жидкости через радиальные зазоры золотников и гидроцилиндров пренебрежимо малы; давление нагнетания слива постоянно; величины вязкости и модуля объёмной упругости не изменяются .

Уравнение цепи управления электромагнита в электромеханическом преобразователе имеет следующий вид:

где i - ток в ЭМП; TЯ - постоянная времени вихревых токов якоря ЭМП; iК - командный ток.

Уравнение в операторной форме и передаточная функция цепи управления электромагнита примут вид

(TЯs + 1)i = iК;

(2)

Уравнение сигнала рассогласования представлено в следующем виде:

C h = K FI (i - i OC) - K C A C ΔP ТЗ, (3)

где i OC = K OC X ШТ - ток обратной связи; K OC - коэффициент обратной связи; X ШТ - перемещение штока привода; C h - сигнал управления; h - величина смещения заслонки; K FI - коэффициент передачи усилия ЭМП; K C - коэффициент, учитывающий отношение диаметра торца сопла к диаметру сопла; A C - эффективная площадь заслонки; ΔP ТЗ - перепад давления на торцах золотника.

С другой стороны, динамика изменения перепада давления на торцах золотника описывается выражением

(4)

где TГУ - постоянная времени гидроусилителя; KPh - коэффициент усиления по давлению.

После преобразования передаточная функция звена, определяющего зависимость перепада давления на торцах золотника от смещения заслонки, будет иметь вид

(5)

Уравнение движения золотника имеет вид

где X З - перемещение золотника; m З - масса золотника; A ТЗ, C ТЗ, f mp З - площадь торцов, жесткость пружин на торцах и коэффициент вязкого трения золотника.

Отсюда передаточная функция золотника будет иметь вид

(7)

где - коэффициент передаточной функции золотника; - постоянные времени золотника.

Для структурной схемы узла управления, в состав которой входят ЭМП, гидроусилитель и золотник, из выражения (3) получим

(8)

Расход рабочей жидкости через силовой гидроцилиндр представлен в следующем виде:

а уравнение движения штока с поршнем гидроцилиндра с массой mП

где X ШТ - перемещение штока; P НАГ, P СЛ - давления нагнетания и слива; P1, P2 - давления в полостях гидроцилиндра; mП, AП - масса и площадь поршня гидроцилиндра; VЦ1,2 - объемы полостей гидроцилиндра; KСЖ - коэффициент, учитывающий сжимаемость рабочей жидкости; fmpП - коэффициент вязкого трения поршня; CE - эквивалентная жесткость рулевой проводки; ΔX - рассогласование между координатой штока и координатой массы качающейся части двигателя; ПРНАГ1,2, ПРСЛ1,2 - проводимости окон золотника; причем

ПРН1 = ПРС2 = KЗ(XЗ - XЗ0) при XЗ > XЗ0;

ПРН2 = ПРС1 = KЗ(-XЗ - XЗ0) при XЗ < -XЗ0,

KЗ - коэффициент расхода; XЗ0 - перекрытие золотника.

Из-за невозможности получения аналитического решения зависимости перепада давлений в полостях гидроцилиндра P1, P2 от перемещения золотника XЗ преобразуем уравнения для расхода рабочей жидкости через силовой гидроцилиндр путем линеаризации их левых частей. В результате получим

где

- коэффициенты линеаризации; QЗ - расход через основной золотник; ΔP2 - P1 - перепад давления в полостях гидроцилиндра; VЦ0 - объем полости цилиндра при симметричном положении поршня; X30, PЦ0 - перемещение золотника и давление нагрузки в точке линеаризации.

После преобразований получим линеаризованное уравнение расхода через основной золотник в операторной форме

Из уравнения движения штока с поршнем гидроцилиндра передаточная функция давления в силовом гидроцилиндре будет иметь вид

Структурная схема электрогидравлического привода, представленная на рис. 2, состоит из передаточных функций всех элементов, входящих в него.

Структурная схема электрогидравлического привода была смоделирована в среде «Matlab + Simulink» . При этом имеется возможность ввода нелинейностей различного вида, которые позволяют описать процессы неподдающиеся линеаризации. В модели привода используются нелинейности, которые ограничивают выходную величину. Такие блоки имитируют ограничение перемещения заслонки и золотника, входящих в состав узла управления, а также ограничение перемещения штока силового гидроцилиндра.

Результаты моделирования

Важной динамической характеристикой систем автоматического управления являются частотные характеристики, достоинство которых состоит в том, что частотные характеристики позволяют просто выявлять влияние того или иного параметра на динамические свойства системы (устойчивость, переходный процесс и т.д.). Для анализа устойчивости исследуемой гидравлической системы управления при заданных значениях коэффициентов в дифференциальных уравнениях были получены логарифмические амплитудные фазовые частотные характеристики (ЛАФЧХ) разомкнутой цепи. ЛАЧХ и ЛФЧХ для электрогидравлического привода представлены на рис. 3.

Рис. 2. Структурная схема электрогидравлического привода

Рис. 3. Логарифмические амплитудные и фазовые частотные характеристики разомкнутой цепи электрогидравлического привода

Запасы по частоте и амплитуде должны быть не менее определенных значений. Рекомендуемые запасы по амплитуде - 6-8 дБ, по фазе - 40°. Для данного электрогидравлического привода запас по амплитуде составляет 115 дБ, запас по фазе 56°, что является вполне достаточным для устойчивого функционирования привода. Проведенный анализ показывает, что данный электрогидравлический привод устойчив.

Заключение

Проектирование систем управления с помощью амплитудно-фазовых частотных характеристик дает возможность анализировать структуры и влияние параметров объекта и отдельных его частей, решать задачи синтеза регулятора путем подбора корректирующих звеньев, выполнять идентификацию по экспериментально снятым частотным характеристикам и решать другие задачи.

Библиографическая ссылка

Ратушняк А.И., Каргу Д.Л., Чудновский Ю.А., Шубин Д.А., Гридин В.В. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 9-2. – С. 294-298;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40738 (дата обращения: 17.10.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Структурная схема модели рулевого устройства с приводом от электродвигателя приведена на рис.4.5. Нагрузкой следует считать руль вместе с судном.

Рисунок 4.5 - Структурная схема модели электропривода руля

Перекладка руля на угол α вызывает (рис.4.6) боковое перемещение (дрейф с углом β дрейфа) и поворот судна вокруг трех взаимно перпендикулярных осей: вертикальной (рыскание с угловой скоростью ω p ), продольной (крен) и поперечной (дифферент). Кроме того, из-за увеличения сопротивления воды движению судна несколько снижается его линейная скорость v .

На рис.4.7 приведены статические характеристики момента на баллере руля М Б =f (α ) от угла перекладки α его для различных рулей при ходе судна вперед и назад. Эти характеристики нелинейные и зависят также от скорости движения v судна. При наличии дрейфа судна угол α перекладки руля заменить на угол (α+β ) между плоскостью пера руля и потоком набегающей воды. Таким образом, в воздействии руля на электродвигатель привода руля кроме собственно угла α перекладки нужно учитывать также параметры движения судна - угол β дрейфа и линейную скорость v . Это значит, что для анализа электропривода руля нужно рассматривать САУ курсом судна (рис.4.8), в которую входят авторулевой (АР ), рулевая машинка (РМ ) и судно. Рулевая машинка состоит из руля и приводящего его во вращение двигателя. Судно представлено в виде двух структурных блоков с передаточными функциями по управлению W У (р ) и по возмущению W В (р ). Приводным двигателем может быть ДПТ или АД с частотным управлением. Источником питания для ДПТ может быть либо управляемый выпрямитель, либо генератор постоянного тока. АД получает питание от преобразователя частоты.

Рисунок 4.6 - Траектория движения при повороте судна и ее параметры

Рисунок 4.7 - Статическая характеристика руля

В режиме стабилизации процесса поворота судна, если допустить, что его линейная скорость v постоянна, а зависимость боковой силы и гидродинамического момента, действующих на корпус, от угла дрейфа β линейна, и пренебречь углами крена и дифферента, то система уравнений, описывающая динамику движения судна, будет иметь вид

(4.3)

где F (t ) – функция. учитывающая действие на судно возмущающих воздействий волн, ветра, течения и др.;

а 11 , …, а 23 – коэффициенты, зависящие от формы корпуса и загрузки судна.

Рисунок 4.8. Структурная схема САУ курсом судна

Если исключить из системы (4.3) сигнал β , то будет получено дифференциальное уравнение, связывающее величину курса Ψ с углом α поворота пера руля и возмущающим сигналом F (t ):

где Т 11 , …. Т 31 – постоянные времени, определяемые через коэффициенты а 11 , …, а 23 ;

k У и k В – коэффициенты передачи САУ курсом судна, также определяемые через коэффициенты а 11 , …, а 23 .

В соответствии с (4.4) передаточные функции по управлению W У (р ) и по возмущению W В (р ) имеют вид

Уравнение механики электродвигателя рулевого устройства имеет вид

или (4.6)

где i – передаточное число редуктора между двигателем и рулем;

М С – момент сопротивления, определяемый через момент М Б на баллере руля по выражению

Момент М Б на баллере руля согласно рис.4.7 является нелинейной функцией от угла α .

(4.7)

В целом математическая модель рулевого электропривода, учитывающая судно и авторулевой, является нелинейной и описывается, как минимум, системой из уравнений (4.4), (4.5) и (4.6). Порядок этой системы – седьмой.

Вопросы для самоконтроля

1. Поясните состав и взаимодействие элементов структурной схемы ЭП рулевого устройства.

2. Поясните параметры, характеризующие процесс поворота судна, вызванный перекладкой руля.

3. Почему модель электропривода рулевого устройства должна учитывать параметры судна?

4. Какими уравнениями и в каких переменных описывается процесс движения судна с поворотом?

5. Приведите выражение передаточных функций судна по управлению и возмущению с поворотом на курсе.

6. Обоснуйте тип и порядок математической модели рулевого электропривода.

Математическая модель рулевого привода:

p 1 , р 2 - давление газа в полости 1 или 2 рулевого привода,

S П - площадь поршня рулевого привода,

Т 1 , Т 2 - температура газа в полости 1 или 2 рулевого привода,

Т сп - температура стенок рулевого привода,

V - скорость поршня рулевого привода,

F пр - сила поджатия пружины,

h - коэффициент вязкого трения,

Коэффициент шарнирной нагрузки,

М - приведенная масса подвижных частей.

Рис. 3

Принципиальная схема рулевого тракта

Принципиальная схема рулевого тракта с линейным усилителем дается на рис. 5.

Рис. 4.