ПНЕВМОУСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F15B3/00 

Изобретение относится к области пневмоавтоматики и может быть использовано при проектировании рулевых приводов летательных аппаратов и других систем автоматического регулирования, в которых исполнительные двигатели работают от энергии сжатого воздуха или горячего газа, используемых в качестве рабочего тела.

Рулевые приводы летательных аппаратов для отработки сигнала управления, имеющего сравнительно высокую частоту, должны обладать достаточно высоким быстродействием. Для обеспечения этого условия в состав пневмоприводов должны входить быстродействующие пневмоусилители, например, с регулированием на выходе с распределительным устройством типа сопло-заслонка. Указанные пневмоусилители должны иметь входные нерегулируемые дроссели для подвода рабочего тела к полостям пневмоцилиндра с расположенным внутри поршнем и выходные из полостей сопла, регулирующие при помощи заслонок сброс отработанного рабочего тела. Управление заслонками осуществляется жестко связанным с ними якорем электромеханического преобразователя в соответствии с командой управления, поступающей в виде электрического сигнала на обмотки ЭМП.

Перемещение поршня происходит под действием разности давлений, образующейся в полостях пневмоцилиндра в соответствии с положением заслонок.

В качестве аналога рассмотрим пневмоусилитель с регулированием на выходе в составе схемы следящего привода на горячем газе [1]. В нем регулируемые сопла, расположенные параллельно друг другу, перекрываются заслонками в виде пластин, лежащих в одной плоскости, и закрепленных непосредственно на якоре ЭМП. Несмотря на то, что заслонки, имея несущественную массу, практически не оказывают влияние на быстродейсивие ЭМП, рассмотренный пневмоусилитель обладает недостатком. Так, при срабатывании ЭМП, поверхность заслонки в процессе движения якоря изменяет свое угловое положение относительно поверхности среза сопла. При подходе заслонки к соплу для надежного закрывания его выходного отверстия указанный угол должен быть равен нулю. Однако в реальных образцах вследствие технологического разброса допусков на детали и их сборку выполнить указанные условия не представляется возможным, и между заслонкой и соплом появляется щель. Площадь щели может достигать 10-15% от площади выходного отверстия. При этом утечки рабочего тела по щели закрытого сопла приводят к снижению давления в закрытой полости, достигающего 20% от давления на входе в пневмоусилитель, что снижает разность давлений на поршне, т.е. уменьшает движущую силу и в конечном счете ухудшает динамику пневмоусилителя.

Указанные утечки также увеличивают средний расход рабочего тела через пневмоусилитель, что приводит к уменьшению времени работы пневмопривода в случае его функционирования от аккумулятора давления, порохового или газового. Поэтому для компенсации утечек в распределительном устройстве приходится увеличивать объем и массу аккумулятора, что не желательно в случае пневмоприводов летательных аппаратов.

Известен пневмоусилитель с регулированием на выходе [2], выполненный по схеме усилителя с соплом-заслонкой, работающий на газе, принятый авторами за прототип. Пневмоусилитель состоит из пневмоцилиндра с поршнем и двумя входными нерегулируемыми дросселями, а также двумя выходными соплами, расположенными навстречу друг другу. Сопла закрываются заслонками, выполненными в виде 2-х параллельных пластин, соединенных тягой, имеющей возможность поступательно перемещаться по направляющей. Для перемещения заслонок выполнен передаточный механизм, который при повороте якоря ЭМП обеспечивает поступательное перемещение тяги с заслонками. При срабатывании ЭМП якорь через передаточный механизм поджимает заслонки к соответствующему соплу. Рабочая поверхность заслонок в процессе всего времени движения остается параллельной поверхности торца сопел, обеспечивая в конце движения более плотное их закрытие независимо от положения сопел, определяемого разбросом технологических допусков.

Кроме того, за счет наличия люфтов в направляющей заслонок имеется определенная возможность самоустановки заслонок относительно сопел, что существенно снижает утечки по соплам. При этом потери по давлению в закрытой полости не превышают 5%.

Тем не менее, рассмотренная конструкция пневмоусилителя не лишена недостатков, не позволяющих использовать ее в быстродействующих рулевых приводах.

Так, увеличение массы заслонок, приведенной через передаточный механизм к якорю, дополнительное трение тяги заслонок в направляющей, наличие передаточного механизма со своей инерционностью и трением существенно увеличивает как инерционную нагрузку на ЭМП, так и от трения. В результате ухудшается динамика ЭМП, что не всегда приемлемо для быстродействующих приводов.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка пневмоусилителя с распределительным устройством типа сопло-заслонка, который имел бы минимальные потери по давлению из-за утечек рабочего тела в распределительном устройстве независимо от разброса допусков на его детали при обеспечении несущественных нагрузок, инерционных и от сил трения на ЭМП, для обеспечения высокого быстродействия пневмопривода. Для решения поставленной задачи авторами предложен пневмоусилитель, содержащий в пневмоцилиндре, закрытом крышками, поршень, входные нерегулируемые дроссели и регулируемые на выходе сопла, расположенные навстречу друг другу, и распределительное устройство типа сопло-заслонка, заслонка которого имеет связь с якорем электромеханического преобразователя. Новым по сравнению с прототипом является то, что заслонка выполнена в виде тонкостенного четырехгранного стакана с цилиндрической внутренней частью. В дне стакана имеется отверстие, через которое проходит шток, связь которого с якорем ЭМП выполнена путем запрессовки штока в якоре. На конце штока, расположенного внутри стакана, имеется шляпка, выполненная из условия обеспечения возможности разворота стакана вокруг нее в любой плоскости, проходящей по осевой линии штока на угол, превышающий максимальный угол поворота якоря ЭМП в 1,3-1,5 раза. Кроме того, глубина запрессовки штока в якоре выбирается из условия, чтобы прямая, соединяющая центры выходных отверстии сопел, проходила по внешней поверхности шляпки штока.

Предложенная конструкция заслонки в виде тонкостенного подвижного стакана, удерживаемого на якоре ЭМП шляпкой штока, позволила выполнить заслонку достаточно миниатюрной, с массой, практически не оказывающей влияния на динамику ЭМП. При этом возможность поворота заслонки вокруг шляпки в любой плоскости, проходящей по оси штока, на угол как минимум в 1,3 раза превышающий максимальный угол поворота якоря (т.е. штока) стакан-шляпка штока. В результате при срабатывании ЭМП в процессе самоустановки рабочей грани стакана на срезе сопла, стакан разворачивается, в основном перекатываясь по шляпке с небольшим проскальзыванием, не создавая заметных нагрузок на ЭМП от сил трения.

Выполнение свободного угла поворота заслонки вокруг шляпки штока величиной, превышающей максимальный угол поворота якоря более чем в 1,5 раза, нецелесообразно, т.к. стакан в динамике может подходить рабочей гранью к срезу сопла под большим углом, что увеличивает время самоустановки стакана до полного закрытия сопла.

Требования по установке наружной поверхности шляпки штока деталей распределительного устройства на прямой, соединяющей центры выходных отверстий сопел, обеспечивает надежное перекрытие сопел заслонок независимо от разброса допусков на размеры деталей распределительного устройства.

Предложенное техническое решение поясняется графическими материалами. Конструктивная схема пневмоусилителя при отсутствии сигнала управления (якорь находится в среднем положении) представлена на фиг.1. На фиг.2 показано сечение распределительного устройства, а на фиг.3 представлена конструктивная схема пневмоусилителя при наличии сигнала управления, поданного на ЭМП. Пневмоусилитель состоит из пневмоцилиндра 1, закрытого с двух сторон крышками 3. Внутри пневмоцилиндра находится поршень 2, по обе стороны от которого расположены входные дроссели 4. На выходе пневмоцилиндра установлены сопла 6, которые могут закрываться стаканом 5, удерживаемым при помощи шляпки штока 7, проходящим через отверстие в дне стакана 5 и запрессованным в якоре 8.

При номинальных размерах деталей распределительного устройства прямая, соединяющая центры выходных отверстий сопел 6 должна лежать на внешней поверхности шляпки штока 7.

Пневмоусилитель работает следующим образом. При подаче команды управления срабатывает ЭМП и его якорь 8 (фиг.3) поворачивается к соответствующему упору. При этом шток 7 своей шляпкой поджимает стакан 5 к соплу 6, который своей гранью (фиг.2) самоустанавливается по срезу сопла. При этом рабочее тело через входные дроссели 4 подается в полости пневмоцилиндра 1 и вытекает из полостей в соответствии с указанными на фиг.3 стрелками.

В результате давление рабочего тела в полости пневмоцилиндра, связанного с соплом, закрытым стаканом, возрастает, а в полости пневмоцилиндра, связанного с открытым соплом, падает. На поршне появляется разность давлений, под действием которой поршень 2 передвигается вправо до упора в крышку 3. При смене полярности управляющего сигнала стакан с якорем отклоняется к противоположному соплу, разность давлений на поршне меняет знак и поршень перемещается в противоположную сторону.

Таким образом, предложенное техническое решение позволило разработать пневмоусилитель, имеющий минимальные потери по давлению рабочего тела независимо от разброса технологических допусков на детали распределительного устройства при обеспечении несущественных нагрузок на ЭМП (инерционных и от сил трения), что обеспечивает высокое быстродействие привода в целом.

Источники информации

1. Ю.И.Чупраков. “Основы гидро- и пневмоприводов”, “Машиностроение”, М., 1966 г., стр. 152, рис.4.12 - аналог.

2. С.В.Костин, Б.И.Петров, Н.С.Гамынин. “Рулевые приводы”, “Машиностроение”, М., 1973 г., стр. 106, рис.2.11 - прототип.

Пневмоусилитель предназначен для систем автоматического регулирования рулевых приводов летательных аппаратов. Пневмоусилитель содержит в пневмоцилиндре с крышками поршень, входные нерегулируемые дроссели и регулируемые на выходе сопла, расположенные навстречу друг другу, распределительное устройство типа сопло-заслонка, заслонка которого имеет связь с якорем электромеханического преобразователя (ЭМП), при этом заслонка выполнена в виде тонкостенного четырехгранного стакана с цилиндрической внутренней частью, в дне которого имеется отверстие для прохождения штока, связь которого с якорем выполнена путем запрессовки штока в якоре, на конце штока, расположенного в стакане, имеется шляпка, выполненная из условия обеспечения возможности разворота стакана относительно шляпки в любой плоскости, проходящей по осевой линии штока на угол, превышающий максимальный угол поворота якоря ЭМП, при этом глубина запрессовки штока в якоре ЭМП выбирается такой, чтобы прямая, соединяющая центры выходных отверстий сопел, проходила по внешней поверхности шляпки штока. Технический результат - высокое быстродействие рулевого привода. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пневмоусилитель, содержащий в пневмоцилиндре с крышками поршень, входные нерегулируемые дроссели и регулируемые на выходе сопла, расположенные навстречу друг другу, распределительное устройство типа сопло-заслонка, заслонка которого имеет связь с якорем электромеханического преобразователя (ЭМП), отличающийся тем, что заслонка выполнена в виде тонкостенного четырехгранного стакана с цилиндрической внутренней частью, в дне которого имеется отверстие для прохождения штока, связь которого с якорем выполнена путем запрессовки штока в якоре, на конце штока, расположенного в стакане, имеется шляпка, выполненная из условия обеспечения возможности разворота стакана относительно шляпки в любой плоскости, проходящей по осевой линии штока на угол, превышающий максимальный угол поворота якоря ЭМП, при этом глубина запрессовки штока в якоре ЭМП выбирается такой, чтобы прямая, соединяющая центры выходных отверстий сопел, проходила по внешней поверхности шляпки штока.2. Пневмоусилитель по п.1, отличающийся тем, что стакан имеет возможность разворачиваться относительно шляпки штока в любой плоскости, проходящей по осевой линии штока, на угол, превышающий максимальный угол поворота якоря ЭМП в 1,3-1,5 раза.