На правах рукописи УДК 62-822, 62-626 Прилипов Алексей Валерьевич
реклама
На правах рукописи УДК 62-822, 62-626 Прилипов Алексей Валерьевич РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ РУЛЕВОГО ПРИВОДА УПРАВЛЕНИЯ ПОВОРОТНЫМ СОПЛОМ ПУТЕМ ПОСТРОЕНИЯ ЭПЮРЫ СОПРЯЖЕНИЯ РАСПОЛАГАЕМОЙ И ПОТРЕБНОЙ МОЩНОСТЕЙ Специальность - 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2010 Диссертация выполнена на кафедре «Системы приводов авиационнокосмической техники» Московского авиационного института (государственного технического университета). Научный руководитель: д.т.н., профессор Лалабеков Валентин Иванович Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Попов Д.Н. к.т.н., Шмачков Е.А. Ведущая организация: ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики» (ЦНИИАГ), г. Москва Защита состоится «___» __________________ 2010 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д212.125.07 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете), расположенном по адресу: 125993, г.Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, учёный совет МАИ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета). Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим отправлять по указанному адресу. Автореферат разослан «___» __________________ 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д212.125.07 к.т.н., доцент ______________ А.Б. Кондратьев 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Привода управления поворотным соплом беспилотного летательного аппарата являются элементами, в которых происходит значительное усиление мощности управляющего сигнала. Этим обусловлено относительно большое, по сравнению с другими элементами системы управления, потребление энергии от их бортового источника. Поэтому, требования к минимизации энергомассовых показателей приводов являются существенными. Жесткие требования к энергомассовым характеристикам привода обусловлены тем, что увеличение стартовой массы снижает возможную массу полезной нагрузки. Так как возмущённое движения беспилотных летательных аппаратов составляет 10…12% энергетической загрузки рулевого привода в течение полного времени работы двигательной установки, то целесообразно в качестве источника энергии приводов управления поворотных сопел использовать газогидравлический источник питания, состоящий из твёрдотопливного газогенератора и вытеснительной системы подачи рабочей жидкости - вытеснительный пороховой аккумулятор давления. В описанной схеме в качестве исполнительных механизмов используется две гидравлические рулевые машины, одна – для управления в плоскости тангаж, другая - в плоскости рыскания. Достоинством такой схемы является простота конструкции, а следовательно, и высокая надежность. Привод с газогидравлическим источником питания в большом диапазоне мощностей соизмерим по энергомассовым показателям с аналогами и имеет небольшую область минимальной массы в плоскости параметров «мощность-время работы». На этом основании, проблема разработки и реализации методов проектирования направленных на совершенствование энергомассовых показателей газогидравлических приводов с вытеснительной системой подачи рабочей жидкости с целью повышения полезной нагрузки летательного аппарата является актуальной. Объектом исследования - является газогидравлический источник питания рулевого привода. Целью работы - разработать методику расчета газогидравлического источника питания рулевого привода управления поворотным соплом, позволяющую улучшить его энергомассовые показатели. Задачи исследования. Достижение поставленной цели предполагает решение задач, среди которых: 1. Сравнительный анализ приводов управления поворотным соплом по энергомассовым показателям 2. Учет влияния вязкости жидкости на энергомассовые характеристики газогидравлического привода 3. Разработка методики расчета газогидравлического источника питания рулевого привода управления поворотным соплом путем анализа 2 располагаемой и потребной мощностей, а также с учетом зависимости непроизводительного расхода рулевых машин от вязкости жидкости 4. Построение математической модели объединённой системы «вытеснительный источник питания — рулевые машины - нагрузка» и проведение исследования динамических характеристик газогидравлического привода с учетом энергетических возможностей вытеснительного источника питания 5. Анализ внутрибалистических характеристик твёрдотопливного газогенератора и ресивера в составе газогидравлического привода с вытеснительным источником питания 6. Сравнение результатов моделирования и натурных испытаний Методы исследования. Задачи данной работы решались с использованием методов теории линейных и нелинейных систем, гидромеханики, а также методов современной теории автоматического управления, математического и натурного моделирования динамических систем с использованием современных средств компьютерной техники. Научные результаты, выносимые на защиту: 1. Методика расчета газогидравлического источника питания рулевого привода управления поворотным соплом путем построения эпюры сопряжения располагаемой и потребной мощностей, с учетом зависимости для непроизводительного расхода рулевых машин от вязкости жидкости. 2. Закономерности влияния вязкости жидкости на энергомассовые характеристики газогидравлического привода с вытеснительным источником питания 3. Обобщенная математической модель «вытеснительный источник питания — рулевые машины - нагрузка» 4. Динамические характеристики газогидравлического привода с учетом энергетических возможностей вытеснительного источника питания 5. Динамические характеристики в твёрдотопливном газогенераторе и ресивере при различных возмущающих воздействиях Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: - полученые закономерности влияния вязкости жидкости на энергомассовые характеристики газогидравлического привода с вытеснительным источником питания, позволяют сократить массу источника питания на7 %; - разработанная методика расчета газогидравлического источника питания рулевого привода управления поворотным соплом путем построения эпюры сопряжения располагаемой и потребной мощностей, а также с учетом зависимости для непроизводительного расхода рулевых машин от вязкости жидкости, обеспечивает снижение массы привода в целом на 10…12%.; - в рамках приведенной методики, разработана обобщенная математическая модель «вытеснительный источник питания — рулевые машины – нагрузка», позволяющая существенно расширить объём информационных показателей привода, при этом модель источника питания построена таким 3 образом, что расход, потребляемый рулевыми машинами и давление нагнетания взаимосвязаны; получены динамические характеристики, позволяющие исследовать газогидравлический привод с учетом энергетических возможностей вытеснительного источника питания;. - разработана конструкция автономного привода, подтвержденная патентом Российской Федерации. Практическая ценность Значимость, полученных автором диссертации, результатов для теории и практики определяется следующим: - Увеличением эффективности инженерных расчетов, за счет использования разработанной методики и выявленных закономерностей влияния вязкости жидкости на энергомассовые характеристики, газогидравлических приводов с вытеснительным источником питания; - Уменьшением сроков экспериментальной отработки при минимизации финансовых затрат за счет разработанной математическая модели адекватной физической модели привода с вытеснительным источником питания; - Формированием требований для построения желаемой временной диаграммы действия возмущающих факторов при минимальных затратах энергетики и массы привода на основе полученных рекомендаций о динамических характеристиках; Результатами исследования динамических характеристик в твёрдотопливном газогенераторе и ресивере при различных возмущающих воздействиях позволяющие однозначно определять характер аномальных явлений, при эксплуатации привода с вытеснительным источником питания; - Полученным методом расчета энергомассовых характеристик наряду с разработанными техническими решениями и рекомендациями позволяющим непосредственно применять их для повышения эффективности как существующих, так и перспективных приводов. Достоверность научных положений и выводов Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена использованием апробированных современных методов расчета, компьютерного моделирования и подтверждена экспериментальными исследованиями Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: - XV Международной конференции по «Вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2007)», г. Алушта, 2007 г.; - XV-й, XVI-й, XVII-й, XVIII-й Международных научно-технических семинарах “Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации”, г. Алушта, сентябрь 2006, 2007, 2008, 2009 гг.; 4 - XV международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред им. А.Г. Горшкова», 2009 Реализация работы. Разработанные математические модели и методика расчета газогидравлического источника питания рулевого привода включены в учебные материалы, для использования в курсовом и дипломном проектировании, а также в научно-исследовательскую работу на кафедре «Системы приводов авиационно-космической техники» и лаборатории «Поиск» Московского авиационного института (государственного технического университета) Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них – 3 опубликованы в рецензируемых журналах из Перечня ВАКа. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников, включающего 54 наименований и 2 приложений. Диссертации изложена на 155 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 53 рисунка и 6 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Приведены сведения об апробации и публикациях, представлена структура диссертации. В первой главе проведен сопоставительный анализ приводов для решения задач управления поворотным соплом. Показано, что преимуществом газогидравлического источника питания по сравнению с электрогидравлическим является отсутствие ампульных батарей, которые требуют предварительного обогрева при низких температурах и большего времени выхода на номинальный режим работы, что усложняет комплекс и уменьшает его мобильность. Газогидравлический источник энергии, работает в составе привода по схеме слива жидкости за борт после отработки рулевыми машинами командного сигнала управления, улучшая с течением времени массовые показатели. Достоинством такой схемы является простота конструкции, а следовательно, и высокая надежность. Проведен сравнительный анализ приводов систем управления мобильными объектами по энергомассовым показателям. Показано, что газогидравлических привод с вытеснительным источником питания в большом диапазоне мощностей соизмерим по энергомассовым показателям с аналогами, например с приводом с аксиально-поршневым моторнасоным агрегатом и имеет небольшую область минимальной массы в плоскости параметров «мощность-время работы». Во второй главе рассмотрен расчет привода с учетом влияния вязкости жидкости на энергомассовые характеристики газогидравлического привода с вытеснительным источником питания. Расход, потребляемый 5 рулевыми машинами является суммой двух составляющих: полезной Qп пропорциональной скорости штока, и утечек: Q ут k ут Pн (1) На данный момент для оценки диапазона значений давления нагнетания, в источнике питания, расход утечек рассчитывается пропорционально давлению pн . При этом выражение для непроизводительного расхода пропорционального только давлению pн не учитывает изменение вязкости жидкости при изменении температуры. Предлагается использовать соотношения для непроизводительного расхода, учитывающее зависимость изменение вязкости жидкости от температуры и давления: Q ут k P c 3 b e 1 e t0 t k P 12 l 0 e c (2) где Δ, b, l – высота, ширина и длинна зазора в распределительном устройстве соответственно, при этом в качестве распределительного устройства используется плоский золотник, с – теплоемкость жидкости, к – коэффициент, учитывающий долю работы сил вязкости, которая идет на нагревание, α, λ - коэффициенты, характеризующие свойства жидкости, μ0 – значение вязкости жидкости при температуре t0, ρ – плотность жидкости. Величину Qут используют для оценки диапазона значений давления газа p. Для этого составлены балансы расходов газа в источнике питания без учета и с учетом зависимости вязкости жидкости от температуры и давления соответственно: - без учета влияния вязкости жидкости: k ут p u1min 1 K ut t S A min 1 K t p1 R T (3) - с учетом выражение для непроизводительного расхода в виде зависимости от давления нагнетания и температуры жидкости: k p b e c 1 e t0 t u1min 1 K ut t S A min 1 K t 1 p k p 12 l 0 e R T c 3 (4) где u1min – коэффициент чувствительности скорости горения от окружающей температуры, p – давление газа, - показатель степени в законе горения топлива, Ku - коэффициент пропорциональности по температуре для топлива, kут – коэффициент утечек, - удельный вес топлива, S- площадь 6 горения твердотопливного газогенератора, А – коэффициент истечения газа через сопло, min - площадь проходного сечения клапана, R- универсальная газовая постоянная, Ттемпература газа, Kσкоэффициент пропорциональности площади проходного сечения клапана от температуры, - коэффицент расхода. В результате решений уравнений балансов массового расхода газа и жидкости для случаев без учета (3) и с учетом (4) зависимости вязкости рабочей жидкости в источнике питания от действия температуры окружающей среды в эксплуатируемом диапазоне t=0…40◦C получены матрицы значений давления p (t ) и p (t ) . На основании данных матриц давления построены графики (см. рис.1), где по оси абсцисс откладывается температура t◦C, а по оси ординат значения давлений p и p . В итоге получены две кривые p (t ) и p (t ) , которые свидетельствуют о сужении диапазона давления газа на 3…5% по верхней границы и на 3…4% по нижней границе при учете f (t ж , pн ) . Эффект сужении диапазона давления газа объясняется увеличением вязкости и уменьшением непроизводительного расхода жидкости, с уменьшением температуры и наоборот. Сужение диапазона позволяет уменьшить поверхность горения и длину заряда газогенератора, что приведет к снижению массы примерно на 7 %. Рис. 1 Зависимость давления нагнетания от температуры, где ( p1 , p2 ) - диапазон давлений без учета вязкости жидкости, ( p 1 , p 2 ) диапазон давлений с учетом вязкости жидкости, ( p1 , p 3 ) - диапазон давлений, с учетом вязкости жидкости, позволяющий уменьшить поверхность горения и длину заряда Также в данной главе разработана методика расчета газогидравлического источника питания рулевого привода управления поворотным соплом путем построения эпюры сопряжения располагаемой и 7 потребной мощностей, а также с учетом зависимости для непроизводительного расхода рулевых машин от вязкости жидкости. Показано, что для беспилотных летательных аппаратов наиболее перспективно для пространственного управления вектором тяги относительно центра масс применение поворотных сопел с использованием эластичного шарнира. Упругий элемент поворотного управляющего сопла характеризуется значительным шарнирным моментом и для управления требует применение мощных рулевых приводов. При этом круговая диаграмма шарнирного момента поворотного управляющего сопла оказывается вписанной в квадрат располагаемых сил при работе двух рулевых машин с точками касания, в которых рулевая машина крепится к раструбу поворотного сопла (см. рис. 2а). Для построения эпюры располагаемой мощности при требуемой круговой эпюре мощности использовалось уравнение баланса секундного массового прихода и расхода газа «газогенератор– клапан – вытеснитель». С учётом степенного закона зависимости скорости горения от давления, уравнения состояния газа в газовой полости вытеснителя и сверхкритического истечения газа через клапан уравнение баланса записывается в виде для p>p0: u1 S p Q РМ Q ут p R T A 0 K P p p0 p , (6) 0 - площадь зазора между клапаном и седлом в закрытом состоянии, K P - коэффициент пропорциональности между проходным сечением клапана и давлением в зоне регулирования, QPM - cуммарное значение расхода для двух РМ. Для p<p0 уравнение баланса преобразуется к виду: u1 S p Q РМ Q ут p R T A 0 p , (7) Суммарный расход QPM в расчётах эпюр мощности источника энергии для двух рулевых машин (РМ) принимался в виде: - QPM = 2 QPM - для обеспечения максимальной скорости движения двух РМ независимо от направления движения проекции вектора тяги, принятого в практике проектирования, - QPM = QPM (Sin Cos ) - для обеспечения круговой эпюры мощности, где QPM – расход, потребляемый одной РМ при формировании максимальной скорости движения в базовом направлении. Мощность, требуемая от источника питания для обеспечения движения одной РМ с максимальной скоростью в любом из базовых направлений при действии максимальной нагрузки со стороны поворотного сопла F p0 AП (где АП – эффективная площадь поршня РМ) определяется соотношением: N OTP F V QPM Qут P0 , (8). 8 Значение этой мощности является базовым для формирования энергетических показателей источника энергии, не зависящим от угла , и предельным для круговой диаграммы мощности. На основании вышеизложенного рассмотрены различные варианты построения источника питания: - Постоянное минимальное давление питания в гидросистеме Po , при линейной зависимости непроизводительного расхода от давления Qут k ут Pн , т.е формирования постоянного усилия на выходном валу рулевых машин и Q 2 QPM В этом случае, располагаемая мощность привода при одновременном движении двух рулевых машин превышает требуемую со стороны поворотного управляющего сопла мощность за счёт принятого в практике проектирования расчёта поверхности горения заряда газогенератора из условия потребления рабочей жидкости двумя рулевыми машинами при минимальном постоянном давлении Р0 в гидросистеме с обеспечением максимальной скорости движения двух рулевых машин 2V, потребляющие расход 2Qрм и располагаемого усилия F. Избыточная мощность проявляется при движении проекции вектора тяги в направлении отличном от базовых: «x» или «y». Причем максимальное превышение располагаемой силы над потребной достигает 40%, а по мощности в два раза при движении проекции вектора тяги под углом 45 к оси x. Таким образом, из уравнения (7) поверхность горения S2 для Q 2 QPM принимает вид: S2 P01 u1 2 QPM K YT P0 A 0 R T - Переменное минимальное давление питание в гидросистеме c учетом нелинейной зависимости непроизводительного расхода жидкости от давления и температуры. Предлагается для построения рациональной схемы привода в источнике питания обеспечить переменное давление на входе в рулевые машины. При этом методика расчета имеет вид: 1. Рассчитывается требуемая мощность на основании (8) и с учетом (2): N vTP где QYT 2. QYT QPM k pо c t 0 t e 1 e Po , e pо 2 3 b k 12 l 0 c Определяется располагаемая мощность при одновременном движении 9 двух рулевых машин, при движении проекции вектора тяги под углом когда Q QPM ( Sin Cos ) 2 QPM , гидросистеме Рv: N1, 4 v QYT 2QPM при минимальном давлении 4 , в k pv c t0 t e 1 e pv e pv 3. Исходя из равенства N vTP N1, 4v находится pv путем графического решения уравнения. 4. Рассчитывается поверхность горения газогенератора из уравнения (7) с учетом (2): S1,4v QYT ( Pv )1 2 QPM u1 k Pv e c 1 e t0 t e Pv A 0 R T На рис. 2 а представлена круговая диаграмма шарнирного момента поворотного управляющего сопла при линейной зависимости непроизводительного расхода от давления нагнетания. На рис. 3 представлена зависимость мощности привода с вытеснительным источником питания от угла поворота сопла. Как видно из рис. 3 требуемая мощность от источника питания с учетом вязкости жидкости будет на 10% меньше, чем в случае без учета влияния вязкости жидкости. Также на основании вышеизложенного можно сделать вывод о снижении рассеивания избытка энергии в приводе в виде тепловых потерь на дроссельных элементах (см рис. 2 указанный режим работы ограничивается зависимостью N=f(a) соответствующей кривой а, b, c, d, e, f, g, k, l, m, n), при этом избыточная мощность сократилась на 45 %, за счет уменьшения площади горения газогенератора с S 2 до S1.4v , в случае построения источника питания с переменным минимальным давлением нагнетания и учетом выражения вязкости жидкости. При этом относительная величина снижения площади горения твердотопливного газогенератора составляет 37,5 % . Реализация на практике метода рационального использования энергетических характеристик применительно к газогидравлическим приводам, позволит улучшить энергомассовые показатели твердотопливного газогенератора вытеснительных преобразователей энергии ~ на 30…40%, обеспечивая снижение массы привода в целом на 10…12%. 10 Npасп1,4 Npасп2 Nтр Npасп1,4_вязкость Nтр_вязкость α а) б) Рис. 2 Зависимость мощности привода с вытеснительным источником питания от угла поворота сопла а) Круговая диаграмма шарнирного момента поворотного управляющего сопла при линейной зависимости непроизводительного расхода от давления, б) Зависимость мощности привода с вытеснительным источником питания от угла поворота сопла c учетом нелинейной зависимости непроизводительного расхода жидкости от давления и температуры, где где Fр,Vр - располагаемая сила и скорость рулевых машин соответственно, δ угол поворотного управляющего сопла, Npасп2, Npасп1,4 - располагаемая мощность рулевых машин, Fтр,Vтр – требуемая сила и скорость рулевых машин соответственно Следует учитывать, что особенностью предложенной рациональной процедуры являются ограничения, накладываемые на время непрерывного действия возмущающих факторов. Поэтому следует уточнить динамические характеристики газогидравлического привода с учетом энергетических возможностей вытеснительного источника питания и время, затрачиваемое на восстановление давления до минимального уровня для управления ОУ на максимальных углах с максимальной потребной скоростью. В третьей главе проведено исследование динамических характеристик газогидравлического привода с учетом энергетических возможностей вытеснительного источника питания. Для этого была построена обощенная математическая модель «вытеснительный источник питания — рулевые машины - нагрузка». Исследованы переходные процессы давления нагнетания при различных входных воздействиях при переменном варианте построения источника питания: а) При движении 1-ой рулевой машины с максимальной скоростью Vmax, потребляется расход Q 2 QPM 2 QУТ при этом на штоках рулевых машин формируется результирующее усилие F, тогда давление не должно быть ниже p0 11 б) При движении 2-х рулевых машин со скоростью 0,7Vmax, потребляется расход Q3 1.4 QPM 2 QУТ при этом давление не должно быть ниже pv; Построена математическая модель газогидравлического источника питания. Уравнение газогидравлического источника питания в операторной форме имеет вид: V p sp ( s ) u1Sp v ( s ) Ap( s ) ( min K Gp ( p p0 )) (Qж ( s ) u1 Sp v ( s )) RT RT При этом модель источника питания построена таким образом, что потребляемый рулевыми машинами расход и давление нагнетания взаимосвязаны. Для построения обобщённой динамической модели привода математическая модель газогидравлического источника питания дополнена дифференциальными уравнениями баланса расхода рабочей жидкости и действия нагрузки в рулевой машине. Математическая модель рулевой машины и нагрузки в операторной форме: 1) (s) шм (s) q K мос X (s) 2) p( s ) A Fш Fтр Fас Fв 3) Q( s) Qп ( s) Q ут ( s) Qсж ( s) 4) Gk (s) K v (s) 5) Q(s) Gk (s) pвх p (s) 6) p( s ) s Qсж ( s ) E V 7) Fв p( s ) A ( Fш Fтр Fас ) Fв fs 9) mX н ( s) s 2 F Fн 8) X ( s) 10) mX н (s)s 2 ( X (s) X н (s)) с X н (s) сш Fас X н (s) ктр Также, математическая модель дополняется передаточной функцией шагового мотора Wшм К шм . Tшм s 1 Новизна рассмотренной математической модели РМ, в том, что она составлена с учетом влияния вязкости жидкости на непроизводительный расход. Структура обобщённой динамической модели привода с учётом источника питания образуется объединением структуры газогидравлического источника питания и рулевой машины по каналам давления нагнетания Рн и расхода Q, где суммарный расход рабочей жидкости Q является выходным параметром для рулевых машин и входным параметром для газогидравлического источника питания (см. рис 3). На рис. 4 представлены переходные процессы давления в газогидравлическом приводе при пилообразном входном сигнале. 12 Q рм φвх Pн Fн ВИП Pн Рулевая машина Хшт Нагрузка Хн Fн Рис. 3 Обобщенная структурная схема газогидравлического привода с вытеснительным источником питания (ВИП), где , Qрм(t) –суммарный расход, Хн , Хшт –перемещение нагрузки и штока привода соответственно , pндавление нагнетания, Fн – сила нагрузи, в х -входной сигнал При движении 1-ой рулевой машины с максимальной скоростью Vmax давление не опускается ниже p0.(см. рис. 4а). При движении 2-х рулевых машин со скоростью 0,7Vmax давление не опускается в источнике питания ниже pv.(см. рис. 4б). Следовательно, у рулевых машин будет достаточно усилия на выходном валу для отработки сигнала управления. P0 Pv t, c а) б) Рис. 4 Переходный процесс давления нагнетания а) При движении одной рулевой машины с максимальной скоростью Vmax; б) При движении 2-х рулевых машинок со скоростью 0,7Vmax; где в - входной сигнал, Qрм(t) –полезный расход, Qут(t) –непроизводительный расход, p(t)-давление нагнетания При исследовании динамических характеристик газогидравлического привода получены данные по времени восстановление давления до минимального уровня. На основании зависимостей представленных на рис. 5 13 и 6 можно определять время восстановления давления нагнетания при различных величинах свободного объема и время восстановления давления нагнетания при различных величинах интегрального хода и значений свободного объема. Полученные рекомендации по времени восстановления обеспечивают формирование требований для построения желаемой временной диаграммы действия возмущающих факторов при минимальных затратах энергетики и массы привода. Таким образом, разработанный метод расчета источника питания с переменным давлением и с учетом зависимости вязкости жидкости, позволяющий существенно улучшить энергомассовые показатели привода, проверен с помощью моделирования. При этом как показывают результаты при уменьшении площади горения твердотопливного газогенератора, давление не просаживается ниже расчетных значений следовательно располагаемой мощности привода будет достаточно для того, чтобы отработать входной сигнал. Рис. 5 График зависимости времени восстановления давления от величины свободного объема tв= f(V) Рис. 6 График зависимости tв= f(h), где tв3 (h), tв4 (h) – зависимость время восстановления от различных значений интегрального хода при V1=300 см3 и V2=1000 см3 соответственно В четвертой главе проведен анализ внутрибалистических характеристик твёрдотопливного газогенератора и ресивера в составе газогидравлического привода с вытеснительным источником питания. Известно, что в процессе эксплуатации газогенератора возможны аномальные режимы работы, среди которых наиболее распространенными являются режимы, при которых происходит изменение площади горения или критического сечения газогенератора. Переходные процессы изменения давления в камере сгорания на возмущения в виде изменения поверхности 14 или критического сечения могут быть идентичны, что затрудняет анализ аномалий в газогенераторе. В основу метода идентификации возмущений при испытаниях газогенератора в составе привода с вытеснительным источником питания положено сравнение переходных процессов, протекающих в ресивере – камере-анализаторе переходных процессов при действии двух основных видов возмущения: изменение критического сечения потребителя и изменения величины поверхности горения. При этом ресивер представляет из себя камеру, расположенную в клапане привода с вытеснительным источником питания. В процессе работы была составлена нелинейная математическая модель твердотопливного газогенератора. Давление в камере сгорания твердотопливного газогенератора устанавливается в соответствии с законом сохранения расхода в потребителе (объёмный расход в вытеснителе) и определяется из соотношения Бори: u1 SP AP AP APp p V dP RT dt V p dPp RT dt где p - давление в камере газогенератора; V - текущее значение объёма ;u1 коэффициент чувствительности скорости горения к температуре; ν показатель степени в законе горения; – уд. вес топлива; T - температура газа; A - коэффициент истечения газа через сопло; τ - время действия возмущения; R - универсальная газовая постоянная; S – площадь горения газогенератора; g – площадь критического сечения газогенератора. В рамках диссертации была решена нелинейная задача индентификации аномалий при испытании газогенератора в составе газогидравлического привода с вытеснительным источником питания. По результатам моделирования получены переходные процессы давления в камере сгорания и в ресивере при скачкообразном изменении площади горения S газогенератора (см. рис. 7 Б) и скачкообразном изменении критического сечения σ (см. рис. 7 А). Из сопоставления переходных процессов в камере сгорания и в ресивере на действие скачка уменьшения критического сечения и действие скачка увеличения поверхности горения следует: - характер процессов изменения давления в камере сгорания на действие двух возмущений различной природы аналогичен; - характер процессов в ресивере имеет существенное различие (экспонента в случае изменения поверхности горения, отрицательное перерегулирование – в случае изменения проходного сечения сопла), что позволяет однозначно определить источник аномалии и своевременно принять меры по его устранению; По результатам исследования внутрибаллистических характеристик газогенератора, для анализа аномалий при испытаниях газогенератора в 15 составе привода с вытенительным источником питания предлагается вместе с твердотопливным газогенератором использовать камеру-анализатор ресивер, в которой можно было бы замерять значения давления в разные моменты времени и впоследствии, по виду переходного процесса изменения давления Р(t) однозначно определить причину аномалии. Проведено сравнение линейной и нелинейной модели решения данной задачи – относительная погрешность составляет 6%. Ркс(t) Ркс(t) Рр(t) Рр(t) S σ t, с а) t, с б) Рис. 7 Переходный процесс давления Р(t) в камере сгорания и ресивере. а) при скачкообразном изменении критического сечения газогенератора б) при скачкообразном изменении площади горения газогенератора, где РКС(t), Рр(t) - давление в камере сгорания газогенератора и ресивере соответственно; S – площадь горения газогенератора; σ– площадь критического сечения. В пятой главе рассмотрено сравнение результатов моделирования полученных на основании модели с учетом вязкости жидкости и натурных испытаниях. Цель экспериментальных исследований состояла в проверке выражения для непроизводительного расхода с учетом нелинейной зависимости вязкости жидкости от температуры и давления нагнетания (1). Испытания проводились на стендовом испытательном оборудовании схема которого представлена на рис. 8 а с использованием наземной питающей установки. Результаты полученные при испытаниях качественно соответствуют результатам моделирования - при увеличении температуры непроизводительный расход увеличивается, что объясняется уменьшением вязкости жидкости. Количественные результаты иллюстрирует графики представленные на рис. 8. При t=25 ºС непроизводительный расход полученный при моделировании отличается от расхода при испытаниях в среднем на 13% (см. рис. 8Б) При t=50 ºС максимальное утечки при 16 моделировании при одинаковом давлении на 30 % больше, чем при испытаниях (см. рис. 8В). При увеличении температуры в два раза с 20 ºС до 40 ºС непроизводительный расход при постоянном давлении увеличился на 40%. А испытания показали увеличения производительного расхода на 22%. Таким образом, как показали результаты испытаний, если использовать выражение для расчета диапазона значений давления нагнетания в источнике питания по выражению (2), которое учитывает увеличение непроизводительного расхода при увеличении температуры, то диапазон давления нагнетания и объем жидкости источника питания будет точнее, что ведет к улучшению энергомассовых показателей источника питания, чем в случае расчета по выражению (1). а) б) p в) p Рис. 8 Сравнение результатов моделирования и натурных испытаний а) Схема испытательного стенда, б) График зависимости непроизводительного расхода от давления при t=25 ºС, в) График зависимости непроизводительного расхода от давления при t=50 ºС В шестой главе проведена оценка эффективности реализации разработанных методов совершенствования энергомассовых характеристик газогидравлического привода с вытеснительным источником питания Показано, что при реализации разработанных методов относительный выигрыш по массе источника питания составил 38,7% . Как видно из рис. 9 с помощью разработанных методов совершенствования энергомассовых характеристик удалось увеличить область минимальной массы привода с 17 вытеснительным источником питания на 35%. Следовательно, применения на практике методики совершенствования энергомассовых характеристик газогидравлического привода с вытеснительным источником питания, позволяющие расширить область применения привода, являются эффективными. б) а) Рис. 9 Энергомассовые характеристики приводов с различными источниками питания а) Зависимость массы привода от мощности, б) Область минимальной массы приводов в плоскости параметров «мощность-время работы» где ВИП –вытеснительный источник питания, ЭПУ - электрогидравлическая питающая установка, АПМНА - аксиально-поршневой моторнасосный агрегат, G- вес привода, N- мощность источника питания. Основные выводы и результаты работы 1. Полученые закономерности влияния вязкости жидкости на энергомассовые характеристики газогидравлического привода с вытеснительным источником питания, позволяют сократить массу источника питания на 7 %; 2. Разработанная методика расчета газогидравлического источника питания рулевого привода управления поворотным соплом путем построения эпюры сопряжения располагаемой и потребной мощностей, а также с учетом зависимости для непроизводительного расхода рулевых машин от вязкости жидкости, обеспечивает снижение массы привода в целом на 10…12%.; 3. В рамка приведенной методики, разработана обобщенная математическая модель «вытеснительный источник питания — рулевые машины – нагрузка», позволяющая существенно расширить объём информационных показателей привода, при этом модель источника питания построена таким образом, что потребляемый рулевыми машинами расход и давление нагнетания взаимосвязаны; 18 4. Получены динамические характеристики, позволяющие исследовать газогидравлический привод с учетом энергетических возможностей вытеснительного источника питания 5. По результатам исследования внутрибаллистических характеристик газогенератора, для анализа аномалий при испытаниях газогенератора в составе привода с вытенительным источником питания предлагается вместе с твердотопливным газогенератором использовать камеру-анализатор (ресивер), позволяющую однозначно определять причину аномалии. 6. Проведены испытания непроизводительного расхода от температуры привода с вытеснительным источником питания, которые подтвердили теоретические результаты. 7. Разработана конструкция автономного привода, подтвержденная патентом Российской Федерации. Основные положения диссертации опубликованы в работах: 1. Прилипов А.В. К вопросу совершенствования энергомассовых показателей газогидравлического рулевого привода с вытеснительным источником питания // Вестник Московского авиационного института, 2009 г., т.16, № 5; 2. Геращенко А.Н., Макаренко А.В., Прилипов А.В., Сорокин А.Е. Сравнительный анализ автономных приводов систем управления мобильными объектами по энергомассовым показателям // Вестник Московского авиационного института. 2007 г., Т.14. № 3. С. 17; 3. Макаренко А.В., Прилипов А.В., Самохина К.Е. Исследование энергомассовых характеристик первичных источников питания автономных приводов систем управления мобильными объектами// Вестник Московского авиационного института. 2007 г., Т.14, № 4.; 4. Макаренко А.В., Прилипов А.В. Автономный привод на основе роторно-волнового двигателя. Проектирование и изготовление аэрокосмических аппаратов. Под ред. Проф. Ю.Ю. Комарова. – М.: Изд-во МАИ, 2006. – 368 с.: ил.; 5. Макаренко А.В., Осипов Ю.М., Прилипов А.В., Сорокин А.Е. Проектирование автономных систем следящих приводов с высокой энергетической эффективностью // Доклады ТУСУР, №2(18), ч.2, 2008 г.; 6. Геращенко А.Н., Лалабеков В.И., Макаренко А.В., Прилипов А.В., Самсонович С.Л., «Автономный привод», Патент РФ, регистрационный № 2314427 от 10.01.2008 г.
