Размещено на http://allbest.ru

Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

\

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

Проектирование электрогидравлической рулевой машины

по курсу: Автоматизированные системы навигации и управления

Работу выполнил: Студент Гаврилов А.Н.

Преподаватель Доцент, к.т.н. Пономарёв В.К.

Санкт-Петербург 2021



Содержание

Задание на курсовую работу

Перечень принятых сокращений и специальных терминов

Введение

1. Схема и описание работы электрогидравлической рулевой машины

2. Проектирование силового цилиндра

2.1 Определение длины цилиндра

2.2 Расчёт давления питания гидравлической рулевой машины

2.3 Расчёт максимального шарнирного момента

2.4 Расчёт максимальной силы поршня СЦ

2.5 Расчёт эффективной площади поршня

2.6 Расчёт диаметра штока

2.7 Расчёт диаметра цилиндра (поршня)

3. Проектирование золотникового распределителя

3.1 Расчёт максимальной скорости движения поршня

3.2 Определение максимального расхода жидкости, протекающей через ЗР

3.3 Расчёт максимального перепада давлений в полостях СЦ

3.4 Определение минимальной площади окна перепускного отверстия

3.5 Выбор параметров окна перепускного отверстия

3.6 Определение нагрузочной характеристики ЗР

3.7 Зависимость скорости перемещения руля от угла его поворота

3.6 Определение коэффициента нелинейности по перемещению руля

3.7 Выбор диаметра поршня ЗР

3.8 Определение максимального хода поршня золотника

3.9 Определение коэффициента регулировочной характеристики на холостом ходу

3.10 Определение коэффициента жёсткости гидродинамических сил

3.11 Определение жёсткости возвратных пружин

3.12 Вычисление максимального перепада давлений в полостях гидроусилителя «сопло-заслонка» (ГУС-З)

3.13 Вычисление максимального перепада давлений в полостях гидроусилителя «сопло-заслонка» (ГУС-З)

3.14 Параметры перекрытия перепускного отверстия и радиального зазора ЗР между поршнем и цилиндром

4. Проектирование гидроусилителя «сопло-заслонка»

4.1 Определение диаметра сопла и начального положения заслонки

4.2 Построение регулировочной характеристики ГУ «С-З»

4.3 Построение графика нелинейности регулировочной характеристики

4.4 Определение рабочего диапазона по перепаду давлений в полости 3 и 4

4.5 Определение давления питания гидроусилителя сопло-заслонка

Заключение

Список использованных источников



Задание на курсовую работу

Учитывая тактико-технические требования, предъявляемые к рулевой машине, выполнить проектные расчеты основных параметров электрогидравлической рулевой машины с учетом указанных в задании данных.

Давление в гидросистеме:

Максимальные углы отклонения рулей:

Коэффициент шарнирного момента:

Максимальная скорость перемещения руля:

Коэффициент нелинейности золотникового распределителя:

Коэффициент нелинейности сопло-заслонка:



Перечень принятых сокращений и специальных терминов

РМ - рулевая машина

U_y- напряжение управления

ПЭМ - пропорциональный электромагнит

С - сопло

З - заслонка

ГУ «C-З» - гидроусилитель сопло-заслонка

ЗР - золотниковый распределитель

ЗУ - золотниковое устройство

ШЗ - шток золотника

ПЗ - поршень золотника

ПР - пружина

СЦ - силовой цилиндр

П - поршень

Ш - шток

-длина силового цилиндра электрогидравлической рулевой машины

-приведенное значение плеча силовой проводки от штока силового цилиндра к рулям

- толщина поршня силового цилиндра

- максимальные линейные перемещения поршня силового цилиндра при максимальном отклонении руля

-максимальные углы поворота руля

- диаметр штока силового цилиндра

- максимальное напряжение, возникающее в штоке силового цилиндра

-максимальная сила, преодолеваемая поршнем силового цилиндра

- максимальный шарнирный момент

- площадь поперечного сечения штокасилового цилиндра

- диаметр поршня силового цилиндра

- эффективная площадь поршня силового цилиндра

- давление в магистрали питания

- давление в магистрали слива

- давление в гидросистеме

- минимальная площадь перепускного отверстия

- максимальный расход рабочей жидкости

- коэффициент расхода

- максимальный перепад давления в полостях силового цилиндра

- максимальная линейная скорость перемещения руля

- максимальная угловая скорость перемещения руля

- ширина перепускного отверстия

- максимальное смещение поршня золотника от нейтрального положения

- диаметр поршня золотника

- площадь сечение внутренней полости канала золотникового распреде-лителя

- максимальный перепад давлений действующий, на контр-поршни золотникового распределителя

- сила, действующая на контр-поршнизолотникового распределителя

- безразмерный коэффициент перепада давлений

, - безразмерные коэффициенты давлений в полостях гидроусилителя «Сопло-Заслонка»

- давление питания гидроусилителя «Сопло-Заслонка»



Введение

Исполнительные устройства, преобразующие электрические сигналы управления органами управления в механические перемещения этих органов, получили название рулевых машин или рулевых агрегатов.

В зависимости от вида используемого рабочего тела, РМ делятся на следующие типы:

1) Электрические

2) газовые

3) электрогидравлические

4) пневматические

В электрогидравлической машине в качестве рабочего тела используют энергию жидкости, находящуюся под большим давлением.

Электрогидравлические РМ получили широкое применение в системах управления различных типов ЛА. С их помощью можно уменьшить усилия на ручке управления пилота, улучшить управляемость и манёвренные свойства самолёта, увеличить устойчивость в режиме стабилизации, осуществить комбинированное управление от штурвала и автопилота и улучшить противофлаттерные свойства рулевых систем.

Так же, помимо систем управления, электрогидравлические рулевые приводы применяются в механизмах поворота крыла или двигателя на самолётах с вертикальным взлётом, для уборки и выпуска шасси и тормозных щитков, изменения формы и геометрии крыла, управления двигателями и воздушными винтами, реверса тяги двигателей, в качестве привода для топливных насосов и других целях.

Основные преимущества электрогидравлических РМ:

-малые габариты и вес, приходящиеся на единицу мощности;

-сравнительно большой срок службы и высокий КПД;

-возможность непрерывного, бесступенчатого регулирования выходной скорости и осуществления высокой степени её редукции;

- высокий показатель по отношению вращающегося момента гидравлического мотора к его инерции (благодаря этому РМ отличается высоким быстродействием);

- высокая приемистость и малое запаздывание отработки командных сигналов;

- плавность, равномерность и устойчивость движения;

- простота изготовления и высокие коммутационные качества.

С учётом всего вышесказанного к РМ, к применяемым на борту современных ЛА, предъявляются следующие основные требования:

1) РМ должна развивать требуемое усилие для компенсации нагрузки;

2) РМ должна перемещать исполнительные органы ЛА (рули) в заданных пределах;

3) РМ должна удовлетворять заданным требованиям по надежности; работать при заданных параметрах рабочего тела (напряжение, давление, вид рабочего тела);

4) РМ должна работать при заданных эксплуатационных параметрах

(диапазон температур, давлений, влажности; при постоянных и переменных механических воздействиях, таких как удары и вибрации);

5) РМ должны иметь заданные массогабаритные параметры.



1. Схема и описание работы электрогидравлической рулевой машины

На рисунке 1 представлена схема гидравлической рулевой машины, принцип действия которой будет рассмотрен далее.

Рисунок 1- Расчетная схема гидравлической рулевой машины

На рисунке 1 Представлена схема гидравлической рулевой машины.

На пропорциональный электромагнит подается сигнал управления. С якорем ПЭМ связана заслонка. Эта заслонка перекрывает два сопла С3, С4, через которые рабочая жидкость вытекает из внутренних объемов РМ на слив. В структуру ГУ помимо заслонки включены два дросселя постоянного расхода (G1, G2), используется дополнительный дроссель G5 для понижения давления питания РМ до необходимого для работы ГУ «С-З». Давление питания-p_н.

Золотниковый распределитель содержит два внутренних поршня и два внешних контрпоршня. Поршни перекрывают перепускные отверстия, связанные с трубопроводами с левой и правой полостью силового цилиндра. Внутри СЦ перемещается поршень, который через шток поворачивает рычаг отклонения руля.

В золотниковом устройстве имеются две пружины, которые удерживают конструкцию золотника в среднем положении. При отсутствии входного сигнала заслонка перекрывает сопла С1 и С2 одинаковым образом, в результате гидравлической проводимости С1 и С2 будут одинаковыми. Во внутренние объемы полостей управления через дроссели G1 и G2 поступает равное количество жидкости и вытекает из сопла из этих объемов. В итоге давление в магистралях управления p₃ и p₄ будут одинаковыми, следовательно, на контрпоршни действуют две силы, которые равны по величине и противоположны по направлению. Суммарная сила, действующая на поршень золотника, будет равна нулю. Под воздействием пружин шейки поршня золотника занимают нейтральное положение и перекрывают отверстия, связанные с полостями силового цилиндра. Жидкость как в левой, так и в правой плоскости оказывается запертой и при условии ее несжимаемости создает сопротивление перемещению поршня СЦ.

Таким образом, в этих условиях перемещение руля под влиянием нагрузки оказывается невозможным и руль удерживается в том положении, которое он получил на предыдущем этапе РМ. Для удержания руля в определенном положении не надо прикладывать никаких усилий. Поэтому она называется самотормозящейся. При подаче сигнала на ПЭМ якорь вместе с заслонкой перемещается, при этом сопла уже одинаково перекрывают канал слива жидкости. Гидравлическое сопротивление или проводимость одного сопла увеличивается, а другого пропорционально уменьшается. Поскольку в магистрали управления поступает одно и то же количество жидкости, давление в одной части магистрали увеличивается, а в другой пропорционально уменьшается. При этом силы, создаваемые этими давлениями (p₃ и p₄), и силы, действующие на торцы поршня, оказываются разными, под влиянием этой разницы ПЗ начинает перемещаться до тех пор, пока сила сжатия пружин не уравновесит эту разность. В итоге перемещение ПЗ будет пропорционально разности давления p₃ и p₄, а значит и перемещению заслонки, которая в свою очередь пропорциональна напряжению U_y.

При перемещении золотника открывается два перепускных отверстия, при чем по одному из них давление из магистрали питания РМ поступает в одну из полостей СЦ, в то же время в результате открытия второго отверстия, вторая полость СЦ оказывается связанной с магистралью слива. В итоге давления, действующие на торцы поршня СЦ, оказываются разными и он будет перемещаться. Скорость его перемещения будет зависеть от количества жидкости, поступающей из магистрали питания в одну из полостей, а это количество жидкости будет зависеть от площади открытой части перепускного отверстия. Поскольку эта площадь при известных допущениях будет пропорциональна смещению ПЗ, то и скорость перемещения поршня СЦ окажется в пропорциональной зависимости от смещения ПЗ и в конечном итоге от величины управляющего сигнала.

Величина напряжения управления U_y обеспечивает пропорциональное изменение скорости поршня СЦ и соответственно руля, т.е. такая РМ управляет скоростью перемещения руля, а не углом.



2. Проектирование силового цилиндра

2.1 Определение длины цилиндра

Перемещение штока в крайнее положение рассчитывается по формуле (2.1):

. (2.1)

Длина СЦ рассчитывается по формуле (2.2):

. (2.2)

По конструкторским соображениям, и лежат в диапазонах:

Примем , , тогда по формулам (2.1), (2.2) можем вычислить длину силового цилиндра и линейные перемещения поршня СЦ:

мм.

2.2 Расчёт давления питания гидравлической рулевой машины

Давление питания гидравлической рулевой машины определяется по формуле (2.3):

, (2.3)



где - коэффициент редуктора, понижающий давление на опорной магистрали и стабилизирующий давление питания. Примем , тогда по формуле (2.3):.

2.3 Расчёт максимального шарнирного момента

Максимальный шарнирный момент рассчитывается по формуле (2.4):

. (2.4)

Используя формулу (2.4), получим: .

2.4 Расчёт максимальной силы поршня СЦ

Максимальная сила поршня СЦ определяется по формуле (2.5):

. (2.5)

Используя значения, найденные в пунктах 2.1 и 2.3, получим:

.

2.5 Расчёт эффективной площади поршня

Эффективная площадь поршня рассчитывается по формуле (2.6):

, (2.6)

где - коэффициент запаса.

Чтобы коэффициент нелинейности золотникового распределителя был меньше допустимого значения, величину необходимо принять за 9.

Учитывая и по формуле (2.6) рассчитаем эффективную площадь поршня СЦ: .

2.6 Расчёт диаметра штока

Расчёт диаметра штока на разрыв выполняется по формуле (2.7):

, (2.7)

где - допустимый предел прочности на разрыв, - коэффициент запаса по прочности.

Примем .

Подставив в (2.7) полученные ранее значения, найдем:

.

На практике существует понятие устойчивость стержней малого диаметра при деформации сжатия. Было установлено, чтобы шток силового цилиндра обладал этим свойством, его диаметр выбирается из диапазона (2.8):

мм. (2.8)

Окончательный диаметр штока выбирается наибольшим из формул (2.7) и (2.8), поэтому увеличиваем до рекомендуемого значения:

.



2.7 Расчёт диаметра цилиндра (поршня)

Диаметр цилиндра равен диаметру поршня и рассчитывается по формуле (2.9):

. (2.9)

Подставив ранее полученные значения по формуле (2.9) найдем:

.

гидравлический рулевой золотниковый сопло



3. Проектирование золотникового распределителя

3.1 Расчёт максимальной скорости движения поршня

Максимальная скорость движения поршня определяется по формуле (3.1):

, (3.1)

Используя формулу (3.1), найдем максимальную скорость перемещения штока СЦ:

м/с.

3.2 Определение максимального расхода жидкости, протекающей через ЗР

Максимальный расход жидкости через ЗР рассчитывается по формуле (3.2):

. (3.2)

Используя формулу (3.2), получим:

м³/с.

3.3 Расчёт максимального перепада давлений в полостях СЦ

Максимальный перепад давлений в полостях СЦ определяется по формуле (3.3):



. (3.3)

Зная необходимые параметры, полученные ранее, найдем:

.

3.4 Определение минимальной площади окна перепускного отверстия

Определим минимальное значение площади перепускного отверстия ЗР, используя формулу максимального расхода жидкости:

. (3.4)

Минимальная площадь окна перепускного отверстия рассчитывается по формуле (3.5):

, (3.5)

где =835,6 - плотность жидкости, - коэффициент расхода жидкости через перепускное отверстие.

Используя формулу (3.5), получим:

м².



3.5 Выбор параметров окна перепускного отверстия

Для простоты расчётов будем считать перепускные отверстия прямоугольными, в частности, квадратными, с шириной , которая рассчитывается по формуле (3.6):

. (3.6)

Тогда получим:

м.

3.6 Определение нагрузочной характеристики ЗР

По формулам (3.3) и (3.4):

,

,

,

.

Используя предыдущие расчеты, получим:

,

.

Нагрузочная характеристика ЗР представлена на рисунке 2.



Рисунок 2- График нагрузочной характеристики ЗР

3.7 Зависимость скорости перемещения руля от угла его поворота

Используя параметры, полученные после вычисления по формулам (3.2) и (3.4), получим:

. (3.7)

Имея в виду (2.4) и (2.5), заметим, что:

, .

Получим:

.



Для получения формулы зависимости перемещения руля от его поворота, вспомним формулу (3.1), и получим:

.

Соответствующий график представлен на рисунке 3.

Рисунок 3- График зависимости скорости перемещения руля от его поворота

3.6 Определение коэффициента нелинейности по перемещению руля

Коэффициент нелинейности по перемещению руля рассчитывается по формуле (3.8):

. (3.8)

.



Условие: .

Требование выполнено.

3.7 Выбор диаметра поршня ЗР

Диаметр поршня ЗР рассчитывается по формуле (3.9):

, (3.9)

где м/с - скорость ламинарного течения жидкости внутри полости ЗР, - отношение диаметров шейки и поршня золотника.

Примем м/с, .

По формуле (3.9) поучим:

м.

По конструкторским соображениям диаметр поршня золотника выбирается из диапазона 8ч10 мм. Тогда примем м.

3.8 Определение максимального хода поршня золотника

Ход поршня золотника определяется по формуле (3.10):

. (3.10)



По формуле (3.10) получим:

м.

3.9 Определение коэффициента регулировочной характеристики на холостом ходу

Коэффициент регулировочной характеристики на холостом ходу определяется по формуле (3.11):

. (3.11)

Используя формулу (3.11), получим:

м²/с.

3.10 Определение коэффициента жёсткости гидродинамических сил

Коэффициент жёсткости гидродинамических сил определяется по формуле (3.12):

. (3.12)

По формуле (3.12) получим:

Н/м.



3.11 Определение жёсткости возвратных пружин

Коэффициент жёсткости возвратных пружин ЗР рассчитывается по формуле (3.13):

, (3.13)

где - коэффициент жесткости.

Примем и по формуле (3.13) найдем жесткость:

Н/м.

3.12 Вычисление максимального перепада давлений в полостях гидроусилителя «сопло-заслонка» (ГУС-З)

Значение максимальной осевой силы, действующей на золотник, рассчитывается по формуле (3.14):

. (3.14)

Найдём по формуле (3.14) значение :

Н.

3.13 Вычисление максимального перепада давлений в полостях гидроусилителя «сопло-заслонка» (ГУС-З)

Максимальный перепад давлений в полостях ГУС-З определяется по формуле (3.15):



. (3.15)

Из формулы (3.15) найдём максимальный перепад давлений в полостях ГУ «С-З»:

Па.

3.14 Параметры перекрытия перепускного отверстия и радиального зазора ЗР между поршнем и цилиндром

Радиальный зазор между поршнем и цилиндром ЗР выбирается из диапазона мкм.

Перекрытие перепускного отверстия ЗР определяется по формуле (3.16):

. (3.16)

Примем мкм, тогда по формуле (3.16):

мкм.



4. Проектирование гидроусилителя «сопло-заслонка»

4.1 Определение диаметра сопла и начального положения заслонки

Диаметр сопла выбирается из диапазона мм.

Начальное положение заслонки выбирается по формуле (4.1):

. (4.1)

Примем мм, тогда по формуле (4.1):

м.

4.2 Построение регулировочной характеристики ГУ «С-З»

Для построения регулировочной характеристики ГУ «С-З» воспользуемся следующими формулами:

- безразмерные коэффициенты давлений в полостях ГУ «С-З» вычисляются по формулам (4.2) и (4.3):

, (4.2)

, (4.3)

где - безразмерная величина отклонения заслонки;

- безразмерный коэффициент перепада давлений вычисляется по формуле (4.4):

. (4.4)



Идеальный перепад давлений вычисляется по формуле (4.5):

, (4.5)

где- коэффициент гидроусилителя,_.

Регулировочная характеристика ГУ «С-З» представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Регулировочная характеристика ГУ «С-З»

4.3 Построение графика нелинейности регулировочной характеристики

Для построения графика нелинейности гидроусилителя используем формулу (4.6):

. (4.6)



График нелинейности ГУ «С-З» представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - График нелинейности регулировочной характеристики ГУ «С-З»

Согласно графику определим рабочую зону гидроусилителя:

При получим: .

Величина отклонения заслонки рассчитывается по формуле (4.7):

. (4.7)

По (4.8) получим:

м.

4.4 Определение рабочего диапазона по перепаду давлений в полости 3 и 4

Рабочий диапазон по перепаду давления определяется по формуле (4.8):

. (4.8)



По формуле (4.8):

.

4.5 Определение давления питания гидроусилителя сопло-заслонка

Вычисление давления питания гидроусилителя сопла-заслонки производится по формуле:

.

Отсюда получим формулу (4.9) для вычисления давления питания ГУ «С-З»:

. (4.9)

Рассчитаем давление питания гидроусилителя по формуле (4.9):

Па.



Заключение

В ходе выполненной курсовой работы были выполнены проектные расчеты основных параметров электрогидравлической рулевой машины, описаны ее основные характеристики и требования.

Были произведены расчеты основных параметров силового цилиндра, золотникового распределителя, гидроусилителя Сопло-Заслонка.

Построена регулировочная характеристика гидроусилителя типа «сопло-заслонка», построен график нелинейности регулировочной характеристики ГУ «С-З», построен график зависимости коэффициента нелинейности по скорости от угла поворота руля, построен график нагрузочной характеристики золотникового распределителя.

Параметры, полученные в процессе выполнения работы:

- длина силового цилиндра:

;

- диаметр поршня силового цилиндра:

;

- диаметр штока поршня силового цилиндра:

;

- график нагрузочной характеристика ЗР;

- диметр поршня ЗР:

;

- коэффициент нелинейности нагрузочной характеристики:

;

- график зависимости скорости перемещения руля от угла его поворота;

- крутизна характеристики ЗР при отсутствии нагрузки: ;

- жесткость возвратных пружин:;

- гидродинамические силы, действующие на поршень ЗР: ;

- расчетное значение максимального перепада давлений, действующих на контрпоршни ЗР:

;

- размеры радиального зазора и перекрытия:

, ;

- диаметр сопла ГУ и зазор между соплом и заслонкой: ;;

- регулировочная характеристика ГУ «С-З»;

- график нелинейности регулировочной характеристики ГУ «С-З»;

- давление питания ГУ: .



Список использованных источников

1. Конспект лекций по элементам автоматического управления;

2. Башта Т. М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. - 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1967;

3. Хованский Ю. М., Пономарёв В. К. Стабилизация летательных аппаратов. Лекции. - Ленинград.: ЛЭТИ, 1981.

Размещено на Allbest.ru