АВТОНОМНЫЙ ГИДРОПРИВОД-БЛОК ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ РУЛЕВЫХ МАШИН Российский патент 2005 года по МПК F16H39/00 B64C13/02 

Изобретение относится к области машиностроительной гидравлики, конкретнее к электрогидравлическим следящим рулевым приводам объемно-дроссельного регулирования, и может быть использовано в системах управления полетом беспилотных летательных аппаратов (ЛА) в качестве силового исполнительного механизма для перемещения (отклонения) рулевых поверхностей ЛА по электрическим сигналам управления.

На современных ЛА наибольшее применение нашли гидроприводы с объемно-дроссельным регулированием. Так, известен следящий гидропривод, состоящий из блока гидродвигателей и блока источников питания, соединенных между собой межблочными гидролиниями (книга «Проектирование следящих гидравлических приводов летательных аппаратов» под ред. Н.С.Гамынина, М.: Машиностроение, 1981 г., с.12, рис.1.5).

Гидропривод в блоке источника гидропитания содержит насос переменной производительности, гидробак, газогидравлический аккумулятор, переливной клапан, а в блоке гидродвигателей, помимо распределительных устройств, два поршня, совершающих возвратно-поступательные движения в расточках корпуса под действием давления рабочей жидкости, поступающей из золотникового распределительного устройства. Поршни через толкатели со сферическими концами поворачивают силовую качалку относительно ее центральной оси вместе с рулевыми поверхностями, жестко связанными с этой осью.

Недостатками данного гидропривода является то, что две противоположно расположенные относительно друг друга рулевые поверхности (поворотные плоскости) ЛА управляются общим выходным звеном - силовой качалкой, чем предопределяется только одновременная и совместная их работа, и, кроме этого, выходное звено - качалка не имеет стопорного устройства (механизма) для осуществления жесткой механической фиксации рулевых поверхностей при определенных режимах работы гидропривода. Фиксация выходных звеньев обусловлена еще и необходимостью повышения стойкости гидропривода к механическим воздействиям, неизбежно возникающим при его транспортировании и эксплуатации. Указанные недостатки ограничивают возможности применения этого следящего гидропривода, например на беспилотных ЛА или других объектах машиностроения различного назначения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является принятый в качестве прототипа автономный гидропривод (см. патент RU №2212576 С2, кл. F 16 H 39/00, 13.08.2001). Известный автономный гидропривод содержит максимальное количество сходных с заявляемым рулевым гидроприводом признаков, а, именно: оба гидропривода относятся к следящим электрогидравлическим приводам для систем управления ЛА и каждый из которых состоит из рулевых машин, блока источников гидропитания и системы рабочих каналов и гидролиний, соединяющих составные части гидропривода между собой, и содержит в каждой рулевой машине двухкаскадный электрогидравлический усилитель мощности (ЭГУ) типа «сопло-заслонка», силовой гидродвигатель с поршнями и качалкой, взаимодействующей с гидромеханическим стопорным устройством, в блоке источников гидропитания спаренные насосы высокого и низкого давления с общим приводным валом, размещенным в картерных полостях насосов, бак-гидрокомпенсатор с поджатым поршнем, поршневая камера с избыточным давлением которого соединена с гидролинией всасывания насосов, а выход насоса низкого давления соединен с гидролинией питания первых каскадов ЭГУ.

Достоинством известного автономного гидропривода (гидропривода) является то, что в нем применены два гидродвигателя, каждый из которых имеет свое выходное звено и автономно (независимо) управляется своим ЭГУ и имеет гидромеханическое стопорное устройство, фиксирующее положение силовой качалки и, соответственно, положение управляемой рулевой поверхности ЛА.

К недостатку гидропривода следует отнести сложность конструкции, которая обусловлена многоблочностью исполнения. Гидропривод содержит следующие блоки: гидродвигателей, рулевых машин, ЭГУ, источников гидропитания. Необходимость сочленения корпусов блоков в общий корпус гидпропривода требует использования большого количества стыковочных элементов: стыковочных поверхностей, крепежа, уплотнительных элементов и др. деталей, поэтому в конечном итоге многоблочность приводит к значительному увеличению габаритов и массы гидропривода, нерациональному использованию конструктивно-силовой схемы и снижению качества компоновочного решения из-за невозможности применения гидропривода в ограниченном монтажном пространстве.

А для гидроагрегатов беспилотных ЛА, работающих в условиях больших ускорений и вибраций (книга «Гидравлические приводы летательных аппаратов», под редакцией Т.М.Башта, М.: Машиностроение, 1967, с.9) габаритно-массовые характеристики приобретают гораздо большее значение, чем для самолетных гидроприводов. Следовательно, в целом многоблочное исполнение гидропривода снижает показатели его надежности и технологичности в условиях применения на беспилотных ЛА.

Другим недостатком указанного гидропривода является то, что представленная его схемой конструкция гидромеханического стопорного устройства предусматривает стопорение силовой качалки только в одном (вертикальном по схеме) положении, соответствующем нулевому отклонению рулевой поверхности от нейтрального положения, тогда как для определенного класса беспилотных ЛА каждый из застопоренных рулей может находиться в положениях, отличных от нейтрального (например, при старте ЛА), с обеспечением жесткого, без зазоров и люфтов, стопорения по взаимодействующим между собой поверхностям стопора и отверстия силовой качалки.

Стопорные устройства гидропривода не обладают достаточной надежностью и быстродействием из-за примененной схемы непрямого, а косвенного управления этими устройствами, когда формирование гидравлического сигнала управления находится в прямой зависимости от эффективности взаимодействия функционально связанных между собой гидравлических устройств - электромагнитного клапана (10), клапана кольцевания (38), клапана разгрузки по производительности и др. элементов схемы. К недостатку следует отнести и то, что работа всех стопорных устройств гидропривода синхронизирована и осуществляется от общего дистанционно управляемого источника командного давления.

Совокупность перечисленных недостатков, а также и то, что гидропривод-прототип выполнен только с двумя выходными звеньями, ограничивают возможности практического применения гидропривода для систем управления беспилотных ЛА.

Технической задачей, на выполнение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение указанных недостатков и создание компактного, экономичного и надежного автономного гидропривода - блока электрогидравлических рулевых машин с приводным электродвигателем с одновременным увеличением быстродействия и обеспечение возможности независимой друг от друга работы стопорных устройств выходных звеньев гидропривода.

Поставленная задача решается тем, что автономный гидропривод - блок электрогидравлических рулевых машин, состоящий из рулевых машин, блока источников гидропитания и системы рабочих каналов и гидролиний, соединяющих указанные составные части между собой, и содержащий в каждой рулевой машине двухкаскадный ЭГУ типа «сопло-заслонка», силовой гидродвигатель с поршнями и качалкой, жестко соединенной с выходным звеном и взаимодействующей с гидромеханическим стопорным устройством, в блоке источников гидропитания - спаренные насосы высокого и низкого давления с общим приводным валом, размещенным в картерных полостях насосов, бак-гидрокомпенсатор с поджатым поршнем, поршневая камера с избыточным давлением которого соединена с гидролинией всасывания насосов, а выход насоса низкого давления соединен с гидролинией питания первых каскадов электрогидравлических усилителей мощности типа «сопло-заслонка», согласно изобретению картер блока источников гидропитания привалочной стороной жестко состыкован с приводным электродвигателем с возможностью передачи крутящего момента, развиваемого электродвигателем, приводному валу спаренных насосов, при этом указанный блок гидропитания с состыкованным электродвигателем и, по меньшей мере, три рулевые машины конструктивно и функционально объединены в единый блок - жестко связаны общим корпусом, причем независимо перемещающиеся выходные звенья (поворотные муфты) рулевых машин полярно размещены на периферийных зонах корпуса с равным радиусом-вектором отстояния от центральной оси, а корпус снабжен опорными основаниями с отверстиями для подсоединения блока машин к корпусу летательного аппарата, при этом гидромеханическое стопорное устройство каждой рулевой машины выполнено в виде уплотненного по наружным поверхностям подпружиненного дифференциального поршня с глухой внутренней расточкой и осевым наружным выступом (стопором) со стороны закрытого конца, причем поршень установлен внутри двухступенчатой расточки корпуса и малой ступенью обращен в сторону выходного звена с образованием полости управления и возможностями осевого перемещения и плотного контакта с поверхностью отверстия силовой качалки гидродвигателя, а взаимодействующие между собой поверхности стопора и качалки выполнены коническими с углом конуса самоторможения от 10° до 12°, обращенным в сторону качалки, при этом внутри поршня с упором в его донышко размещена предварительно поджатая пружина сжатия, второй опорный торец которой оперт в торцовую поверхность крышки корпуса, причем гидромеханические стопорные устройства рулевых машин подключены по одиночке или парами непосредственно и к своему дистанционно управляемому источнику командного давления для обеспечения быстродействия и возможности независимой друг от друга работы, при этом полость управления каждого стопорного устройства между ступенями расточки корпуса, ограниченная торцом поршня и торцом малой ступени расточки, сообщена с напорным каналом источника командного давления, а пружинная полость стопорного устройства - с атмосферой.

Создание компактного, экономичного и надежного автономного гидропривода - блока электрогидравлических рулевых машин с расширенными функциональными возможностями, включая возможность встройки в систему управления беспилотного ЛА с ограниченным монтажным пространством, обеспечивается за счет:

- встройки не менее 3-х рулевых машин непосредственно в общий корпус гидропривода вместе с системой каналов и гидролиний, соединяющих рулевые машины между собой,

- выполнения взаимодействующих между собой поверхностей стопора и отверстия силовой качалки гидродвигателя коническими с углом конуса самоторможения от 10° до 12°, что позволяет при минимальном усилии поджатия стопора и, соответственно, минимальных габаритах пружины обеспечить безлюфтовое, жесткое соединение деталей с хорошими стопорящими свойствами всего механизма и одновременно легкое расстопорение при поступлении гидравлического сигнала управления,

- снабжения каждого стопорного устройства одной рулевой машины или пары стопорных устройств для двух рулевых машин своим дистанционно управляемым источником управления, что гарантирует быстродействие и создает возможность независимой работы.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию «существенные отличия», так как при анализе патентных материалов и литературы не обнаружено признаков, сходных с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлен общий вид, разрез автономного гидропивода - блока электрогидравлических рулевых машин с блоком гидропитания - насосами 15 и 16 и приводным электродвигателем 22. Электрические сигналы управления отсутствуют. Показаны стартовые положения трех рулей (поворотных муфт 13, 13а и 13б), при этом верхняя (первая) рулевая машина (муфта 13) застопорена в среднем положении руля (в нейтрали), а две другие машины 2 и 3 с муфтами 13а и 13б застопорены в положениях, соответствующих отклонению рулевых поверхностей от нейтрали на установочный угол α.

на фиг.2 представлено место А на фиг.1;

на фиг.3 представлен общий вид, разрез автономного гидропривода - блока электрогидравлических рулевых машин с блоком гидропитания питания 5 и приводным электродвигателем 22. Поданы электрические сигналы управления на оба электромагнитных клапана включения 33 и 36 - дистанционно управляемые источники командного давления. Все три рулевые машины 1, 2 и 3 полностью расстопорены и приведены в состояние готовности к работе в системе автоматического управления рулями беспилотного ЛА.

Автономный гидропривод - блок электрогидравлических рулевых машин (фиг.1) содержит три рулевые машины 1, 2 и 3, которые конструктивно объединены и связаны общим корпусом 4, блок источников гидропитания 5, гидролинию высокого давления 6, гидролинию всасывания насосов 8. Каждая рулевая машина (1, 2, 3) состоит из двухкаскадного ЭГУ типа «сопло-заслонка» 9, силовых гидродвигателей 10, 10а (фиг.2) с поршнями 11, 11а, и силовой качалки 12, жестко соединенной с выходным звеном - муфтой 13. Качалка 12 взаимодействует с гидромеханическим стопорным устройством 14. Блок гидропитания 5 состоит из спаренных насосов высокого давления 15 и низкого давления 16. Блок машин содержит бак-гидрокомпенсатор 17 с поджатым поршнем 18, поршневая камера избыточного давления 19 которого соединена с гидролинией всасывания 8 насосов 15 и 16. Выход насоса низкого давления 16 через гидролинию низкого давления 7 соединен с гидролинией питания 20 первых каскадов электрогидравлических усилителей 9, 9а, 9б. Картер блока гидропитания 5 привалочной стороной 21 состыкован с приводным электродвигателем 22. Независимо перемещающиеся выходные звенья - поворотные муфты 13, 13а, 13б размещены на периферийных зонах корпуса 4. Корпус 4 снабжен опорными основаниями 23 и отверстиями 24 для подсоединения корпуса 4 блока машин к корпусу летательного аппарата. Гидромеханическое стопорное устройство 14 (фиг.2) каждой рулевой машины выполнено в виде уплотненного по наружным поверхностям дифференциального (ступенчатого) поршня 25 с внутренней расточкой 26 и осевым наружным выступом (стопором) 27.

Поршень 25 установлен в ступенчатой расточке 28 корпуса 4 малой ступенью, обращенной в сторону силовой качалки 12. Внутри поршня 25 с упором в его донышко размещена пружина сжатия 29, второй опорный торец которой оперт в торцовую поверхность крышки 30 корпуса 4. Пространство между ступенями расточки 28 корпуса 4 образует полость управления 31 стопорного устройства 14, которая напрямую сообщена с напорным каналом 32 (фиг.1) своего дистанционно управляемого источника командного давления - электромагнитного клапана включения 33. Пружинная полость 34 стопорного устройства 14 через канал 35 сообщена с атмосферой.

Гидромеханические стопорные устройства 14а, 14б рулевых машин 2 и 3 подключены непосредственно и к своему дистанционно управляемому источнику командного давления - электромагнитному клапану включения 36 с помощью канала 37. Выходные звенья рулевых машин 1, 2 и 3 снабжены резисторами-датчиками обратной связи 38, 38а и 38б соответственно.

Автономный гидропривод - блок электрогидравлических рулевых машин работает следующим образом.

До запуска приводного электродвигателя 22(фиг.1) давление во всех полостях блока машин определяется силой поддавливания пружины гидрокомпенсатора 17. Стопоры 27, 27а и 27б под действием пружин стопорных устройств 14, 14а и 14б стопорят выходные звенья 13, 13а и 13б рулевых машин 1, 2 и 3. При подаче электрического напряжения в электродвигатель 22 блок гидропитания 5, состоящий из спаренных насосов низкого 16 и высокого 15 давлений, обеспечивает гидропитанием контур управления ЭГУ по каналу 7 и силовой контур по каналу 6.

Рабочая жидкость под давлением напора по каналу 6 поступает к электромагнитным клапанам включения 33 и 36, к плунжеру гидрокомпенсатора 17, золотниковому распределителю каждого ЭГУ 9, 9а и 9б.

В последовательности, определяемой системой управления ЛА подаются команды вначале «РАССТОПОРЕНИЕ 1», а затем «РАССТОПОРЕНИЕ 2» (фиг.3).

По команде «РАССТОПОРЕНИЕ 1» подается электрический сигнал управления только на электромагнитный клапан включения 33 рулевой машины 1. Золотник клапана, перемещаясь, соединяет напорный канал 6 с полостью управления 31 стопорного устройства 14. Стопор 27 расстопаривает силовую качалку 12 и, соответственно, выходное звено 13. При подаче электрического сигнала управления на электромеханический преобразователь ЭГУ 9 рабочая жидкость под давлением поступает в гидродвигатели 10 или 10а, которые поворачивают силовую качалку 12 и выходное звено 13 на угол, пропорциональный величине сигнала управления. С датчика обратной связи 38 снимается электрический сигнал, сравниваемый с электрическим сигналом управления. Разность этих сигналов (величина рассогласования) определяет угловую скорость перемещения выходного звена 13.

При сигнале рассогласования, равном нулю, перемещение выходного звена 13 прекращается. Направление перемещения выходного звена 13 определяется полярностью электрических сигналов рассогласования. Отработанная жидкость по гидролинии возвращается через гидрокомпенсатор 17 в гидролинию всасывания 8 насосов 15 и 16.

По команде «РАССТОПОРЕНИЕ 2» (фиг.3) подается электрический сигнал управления на электромагнитный клапан включения 36, являющийся общим для рулевых машин 2 и 3 (при сохранении электрического сигнала на клапане 33). Золотники указанных клапанов соединяют напорные полости с полостями управления стопорными устройствами 14а и 14б. Стопоры 27а и 27б расстопаривают силовые качалки рулевых машин 2 и 3 и их выходные звенья 13а и 13б, рулевые машины переходят на работу в системе автоматического управления по аналогии с работой рулевой машиной 1, рассмотренной выше.

Таким образом, заявленная совокупность существенных конструктивных признаков предлагаемого изобретения обуславливает получение технического результата - создание автономного гидропривода-блока электрогидравлических рулевых машин с автономным источником питания и приводным электродвигателем, отличающимся более высоким быстродействием и качеством компоновочного решения, рациональным использованием конструктивно-силовой схемы, меньшими габаритно-массовыми характеристиками и эксплуатационной технологичностью - более удобным монтажом-демонтажом на беспилотных ЛА.

Проведенные испытания автономных гидроприводов-блоков электрогидравлических рулевых машин, выполненных в соответствии с предлагаемым техническим решением, подтвердили указанные преимущества, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень» и практическом его использовании в ракетостроении или других отраслях промышленности, связанных с гидроавтоматикой.

Изобретение относится к электрогидравлическим следящим рулевым приводам объемно-дроссельного регулирования и предназначено для использования в системах управления полетом беспилотных летательных аппаратов в качестве исполнительного механизма для перемещения рулевых поверхностей летательного аппарата по электрическим сигналам управления. Источники гидропитания, приводной электродвигатель и, по меньшей мере, три рулевые машины конструктивно и функционально объединены в единый блок - жестко связаны общим корпусом. Независимо перемещающиеся выходные звенья рулевых машин полярно размещены на периферийных зонах общего корпуса с равным радиусом-вектором отстояния от центральной оси. Гидромеханическое стопорное устройство каждой рулевой машины выполнено в виде подпружиненного дифференциального поршня с осевым наружным выступом, установленного в расточках общего корпуса с возможностью осевого перемещения и образования полости управления, сообщенной с напорным каналом своего дистанционно управляемого источника командного давления для обеспечения быстродействия и независимой работы. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Автономный гидропривод-блок электрогидравлических рулевых машин, состоящий из рулевых машин, блока источников гидропитания и системы рабочих каналов и гидролиний, соединяющих указанные составные части между собой, и содержащий в каждой рулевой машине двухкаскадный электрогидравлический усилитель мощности типа «сопло-заслонка», силовой гидродвигатель с поршнями и качалкой, жестко соединенной с выходным звеном и взаимодействующей с гидромеханическим стопорным устройством, в блоке источников гидропитания - спаренные насосы высокого и низкого давлений с общим приводным валом, размещенным в картерных полостях насосов, бак-гидрокомпенсатор с поджатым поршнем, в котором поршневая камера с избыточным давлением соединена с гидролинией всасывания насосов, а выход насоса низкого давления соединен с гидролинией питания первых каскадов электрогидравлических усилителей мощности типа «сопло-заслонка», отличающийся тем, что картер блока источников гидропитания привалочной стороной жестко состыкован с приводным электродвигателем с возможностью передачи крутящего момента, развиваемого электродвигателем, приводному валу спаренных насосов, при этом указанный блок гидропитания с состыкованным электродвигателем и, по меньшей мере, три рулевые машины конструктивно и функционально объединены в единый блок - жестко связаны общим корпусом, причем независимо перемещающиеся выходные звенья рулевых машин полярно размещены на периферийных зонах общего корпуса с равным радиусом-вектором отстояния от центральной оси, а общий корпус снабжен опорными основаниями с отверстиями для подсоединения блока машин к корпусу летательного аппарата, при этом гидромеханическое стопорное устройство каждой рулевой машины выполнено в виде уплотненного по наружным поверхностям подпружиненного дифференциального поршня с глухой внутренней расточкой и осевым наружным выступом со стороны закрытого конца, причем поршень установлен внутри двухступенчатой расточки общего корпуса и малой ступенью обращен в сторону выходного звена с образованием полости управления и возможностями осевого перемещения и плотного контакта с поверхностью отверстия силовой качалки гидродвигателя, а взаимодействующие между собой поверхности стопора и качалки выполнены коническими с углом конуса самоторможения от 10° до 12°, обращенным в сторону качалки, при этом внутри поршня с упором в его донышко размещена предварительно поджатая пружина сжатия, второй опорный торец которой оперт в торцовую поверхность крышки общего корпуса.2. Автономный гидропривод-блок электрогидравлических рулевых машин по п.1, отличающийся тем, что гидромеханические стопорные устройства рулевых машин подключены по одиночке или парами непосредственно к своему дистанционно управляемому источнику командного давления, при этом полость управления каждого стопорного устройства между ступенями расточки общего корпуса, ограниченная торцом поршня и торцом малой ступени расточки, сообщена с напорным каналом источника командного давления, а пружинная полость стопорного устройства -с атмосферой.