Электропневмогидравлический рулевой привод и принципы его функционирования

Разработка автономных подводных аппаратов (АПА) является одним из приоритетных направлений современной робототехники, которое определятся порядком выполнения аварийно-спасательных, обзорно-поисковых, геологоразведочных, научно-исследовательских и других видов работ в океанских и морских зонах мирового океана в ближайшей перспективе. Развитие этого направления во многом зависит от степени совершенства используемых систем автоматического управления АПА и входящих в их состав рулевых приводов. Различным вопросам построения рулевых приводов (РП) посвящено большое число научных работ [1-3]. Однако общий подход к синтезу рулевых приводов АПА, применение методов системного анализа для выбора эффективных вариантов РП АПА, вопросы конструктивного исполнения РП, обеспечивающих установку, торможение и фиксацию органов управления АПА в заданном положении с требуемой точностью, освещены в литературе недостаточно. Решение этих научно-технических задач представляется актуальным.

Предлагаемая общая методика синтеза и построения конструкции РП АПА заключается в следующем.

• 1.    Генерирование полного множества вариантов РП.

• 2.    Разработка совокупности критериев, описывающих характерные свойства РП.

• 3.    Выбор (разработка) метода решения задачи.

• 4.    Построение множества эффективных вариантов РП (кортежа Парето) и выбор наилучшего по принятой совокупности критериев варианта РП для последующей реализации.

• 5.    Разработка конструкторской документации и изготовление опытных образцов РП.

• 6.    Построение математической модели разработанного РП и определение его динамических характеристик.

• 7.    Проведение испытаний РП, установление соответствия его параметров требованиям технического задания.

• 8.    Оценка адекватности математической модели.

• 9.    Внесение необходимой коррекции в конструкторскую документацию.

Пункты 1-4 методики подробно раскрыты в [4]. С точки зрения системного анализа выбор наилучшего варианта РП сводится к задаче гипервекторного ранжирования, метод решения которой изложен в [5]. На основе метода морфологического ящика составлены морфологические таблицы и сгенерировано множество возможных вариантов РП (более 3000), определено множество допустимых вариантов (8 вариантов) и сформирована система критериев для всесторонней оценки РП.

Состав системы критериев: четыре многовекторные компоненты, двадцать три векторных компонент, сорок один скалярных критериев. Выполнены вербальная и математическая постановки задачи гипервекторного ранжирования вариантов РП. Раскрыты особенности решения задач при использовании метода «жёсткого» ранжирования, который содержится в основе метода гипервекторного ранжирования. Решение задачи оказалось реализовано на основе введения псевдозначений векторных и многовекторных компонент [5]. В качестве наилучшего по принятой совокупности критериев выбран комбинированный электропневмогидравлический РП. При выполнении этапов 6-8 использовались, в частности, методы идентификации [6, 7] и моделирования [8, 9] сложных технических систем. Настоящая статья посвящена описанию результатов разработки варианта конструкции выбранного электропневмогидравлического РП АПА.

Особенности конструкции электропнев-могидравлического РП. Конструктивными особенностями электропневмогидравлического РП являются: наличие гидроцилиндра с двумя гидравлическими рабочими камерами; пневмокамеры в виде надувных баллонов, взаимодействующих в противофазе с гидравлическими камерами и сообщённых с использованием распределителей с источником давления и разряжения. На рис. 1, 2 приведены комбинированная схема и трехмерная модель электропневмогидравлического привода, соответственно. Привод включает общую корпусную оболочку 1, в которую входят пневмоцилиндр 2 и гидроцилиндр 3 с камерами 4-7. Камеры представляют внутренние полости, в них установлен единый шток 8 пневмоцилиндра 2 и гидроцилиндра 3. Камеры 4 и 5 –надплунжерные и подплунжерные полости пневмоцилиндра 2, соответственно; камеры 6 и 7 –надплунжерные и подплунжерные полости гидроцилиндра 3, cоответственно. Надплунжерная 6 и подплунжерная 7 полости гидроцилиндра 3 соединены параллельными каналами 9 и 10 для перепуска рабочей жидкости из одной полости 6 в другую полость 7. В канале 9 установлены клапан с пневмоприводом 11 и датчики измерения давления 13, а в канале 10 – электромагнитный клапан 12 и датчик линейного перемещения 14. В каналах подачи воздуха 15 и 16 установлены стравливающие электромагнитные клапаны 17 и 18, а на едином штоке 8 жестко закреплены пневмоплунжер 19 и гидроплунжер 20. Датчик линейного перемещения 14 контролирует линейное положение штока 8. Датчики давления 13 измеряют давление в надплунжерной 6 и подплунжерной 7 полостях гидроцилиндра 3. Датчик линейного перемещения 14 и датчики измерения давления 13 вырабатывают сигналы отрицательной обратной связи.

Принципы функционирования РП. В исходном положении надплунжерные 6 и подплунжерные 7 полости гидроцилиндра 3 , параллельные каналы 9 и 10 заполнены рабочей жидкостью. Электромагнитный клапан 12 работает в режиме широтно-импульсной модуляции, обеспечивающей гидравлическое сопротивление канала 10 . При подаче воздуха в полость 4 пневмоцилиндра 2 через канал 15 открывается стравливающий электромагнитный клапан 17 . Под действием переменное внутреннего давления в полости 4 плунжер 19 пневмоцилиндра 2 совместно со штоком 8 и плунжером 20 гидроцилиндра 3 перемещается вправо. Воздух из подплунжерной полости 5 вытесняется в атмосферу через выключенный стравливающий электромагнитный клапан 18 . Одновременно рабочая жидкость, находящаяся в подплунжерной полости 7 гидроцилиндра 3 , перетекает через открытый клапан с пневмоприводом 11 и электромагнитный клапан 12 по каналу 9 в надплунжерную полость 6 гидроцилиндра 3 . При этом достигается минимальное тормозное усилие на едином штоке 8 , создаваемое гидроцилиндром 3.

При подходе единого штока 8 к заданному положению система управления закрывает клапан с пневмоприводом 11 , рабочая жидкость перетекает из подплунжерной полости 7 гидроцилиндра 3 по каналу 10 через электромагнитный клапан 12 в надплунжерную полость 6 , при этом гидравлическое сопротивление канала 10 возрастает.

Рис. 1. Комбинированная схема электропневмогид-равлического РП АПА

Расход жидкости через канал резко падает, давление подплунжерной полости 7 гидроцилиндра 3 возрастает до максимального значения, что приводит к резкому торможению единого штока 8 . Для фиксации штока 8 в этом положении выключается стравливающий электромагнитный клапан 17 . Расход жидкости через электромагнитный клапан 12 прекращается, давление в полостях 6 и 7 гидроцилиндра 3 выравнивается, единый шток 8 и рабочий орган фиксируются с высокой точностью, так как рабочая жидкость несжимаема. При перемещении единого штока 8 в обратном направлении работа элементов гидравлического привода аналогична.

При подаче воздуха в полость 5 пневмоцилиндра 2 через магистраль 16 открывается стравливающий электромагнитный клапан 18 , в результате под действием внутреннего давления в полости 5 плунжер 19 пневмоцилиндра 2 совместно со штоком 8 и плунжером 20 гидроцилиндра 3 перемещается влево. Воздух из надплунжерной полости 4 вытесняется в атмосферу через выключенный стравливающий электромагнитный клапан 17 . Одновременно рабочая жидкость из надплунжерной полости 6 гидроцилиндра 3 перетекает через открытый клапан с пневмоприводом 11 по каналу 9 и электромагнитный клапан 12 по каналу 10 в подплунжерную полость 7 гидроцилиндра 3 , при этом достигается минимальное тормозное усилие на штоке 8 .

При подходе штока 8 к заданному положению система управления закрывает клапан с пневмоприводом 11 . Рабочая жидкость перетекает из надплунжерной полости 6 гидроцилиндра 3 через электромагнитный клапан 12 по каналу 10 в подплунжерную полость 7 . Гидравлическое сопротивление канала 10 при работающем в режиме широтно-импульсной модуляции электромагнитном клапане 12 возрастает.

Рис. 2. Трехмерная модель электропневмогидрав-лического РП АПА

Рис. 4. Основные расчетные характеристики РП АПА

Рис. 3. Опытный образец электропневмогидравли-ческого РП АПА

• 1)    определение функции объемного расхода жидкости от объемного расхода воздуха =   =

  / (Q i );

• 2)    проверка выполнения условий движения плунжера;

• 3)    расчет корпуса РП на прочность;

• 4)    расчет на прочность и устойчивость штока РП;

• 5)    вычисление расходных характеристик гидролиний.

Для вычисления функции объемного расхода жидкости от объемного расхода воздуха величина рабочего хода штока привода S определяется как сумма двух составляющих 5₁ и 5₂: 5 = 5₁ + 5₂, где 5₁ - величина рабочего хода штока, при котором тормозное усилие на штоке в гидроцилиндре незначительное, т.е.

F ^dkocmu  ^ 0;

Расход жидкости через него резко падает, давление в надплунжерной полости 6 гидроцилиндра 3 возрастает до максимального значения, что приводит к резкому торможению штока 8 . Для фиксации штока 8 в данном положении выключается стравливающий электромагнитный клапан 18 . Расход жидкости через электромагнитный клапан 12 прекращается, давление в полостях 6 и 7 гидроцилиндра 3 становится одинаковым, рабочий орган фиксируется с высокой точностью.

Внешний вид электропневмогидравлическо-го РП представлен на рис. 3. Конструкция предлагаемого РП защищена патентом [10]. Техническая новизна электропневмогидравлического РП заключается в использовании гидроцилиндра в качестве тормозящего элемента. Гидроцилиндр находится на одном валу с пневмоцилиндром, что позволяет реализовать преимущества как пневмо-, так и гидроуправления: отличительной чертой пневмоуправления является быстродействие, а гидроуправления - высокая точность фиксации рабочего органа в заданном положении.

Методика расчета статических характеристик РП. Для расчета характеристик РП определены следующие исходные данные (рис. 4): максимальная глубина погружения АПА; время раскрытия руля; рабочее давление в пневмосистеме АПА; рабочий ход штока РП; усилие на штоке РП. Методика расчета статических характеристик РП состоит из последовательно выполняемых шагов:

где 52 - величина рабочего хода штока, при котором тормозное усилие на штоке в гидроцилиндре велико, однако при этом обеспечивается условие движения плунжера, т.е.

жидкости

< штока

F рулей ,⁽²⁾

где F штока - усилие на штоке РП, создаваемое в надплунжерной полости пневмоцилиндра; F рулей - тормозное усилие на штоке РП, создаваемое воздействием набегающего потока воды на рули при движении АПА.

При этом 5₁ = т₁14, а 14 = Q₁/F₁; 5₂ = т₂14, а V₂ = Q ₂/ F ₂, где т₁, т₂ - время перемещения штока, соответственно, на величину рабочего хода 5₁, 5₂; 14, 14 - скорость перемещения штока, соответственно, на величину рабочего хода 5₁, 5₂; F₁, F₂ = F‘₂ = F' ₁ - площадь плунжера, соответственно, в надплунжерной полости пневмоцилиндра, в надплунжерной (подплунжерной) полости гидроцилиндра. Допускается запись 5 = т₁ Q₁/F₁ +т₂ Q₂/F₂, где F 1 = л£> ^{2 /} 4; F 2 = л(Р- - d ^{2 )/} 4; Т 1 + Т 2 = т -время раскрытия рулей АПА; = - диаметр плунжера РП; d ₁ = d ₂ > 0,5 х D ₁ - диаметр штока РП. Тогда функция объемного расхода жидкости от объемного расхода воздуха имеет вид

=   =( -    )  ⁄(   )․

При этом Qi = 2ΔPi ⁄ Pi , где j»! – коэффициент расхода воздуха в пневмоцилиндре; △ Pl = - p ′ 1 – перепад давления на плунжере пневмоцилиндра; Pl – плотность воздуха; Pl – давление в надплунжерной полости пневмоцилиндра, соответствует рабочему давлению в пневмосистеме АПА; p′ 1 – давление в подплунжерной полости пневмоцилиндра, соответствует давлению во внутреннем пространстве АПА на максимальной глубине погружения H .

Для определения объемного расхода жидкости Q2 подбирается соотношение времен перемещения штока Ti и T2 , которое обеспечивает выполнение условий работы электромагнитного клапана в режимах:

• -    минимальное тормозное усилие на штоке, когда клапан с пневмоприводом открыт, а электромагнитный клапан обеспечивает максимальный объемный расход жидкости Q2 ₌ ^% , где 012° ^% – объемный расход жидкости через клапан в режиме 100% скважности;

• -    тормозное усилие на штоке близко к оптимальному для текущего режима эксплуатации АПА, когда клапан с пневмоприводом закрыт, а электромагнитный клапан обеспечивает номинальный объемный расход жидкости Q2 ^{= %} , где 012 – объемный расход жидкости через клапан в режиме 50% скважности.

Выполнение условия (1) обеспечивается поддержанием перепада давления на плунжере гидроцилиндра

• △    P2 = жидкости ⁄ ^2 , где F жидкости → 0.

Выполнение условия (2) обеспечивается поддержанием перепада давления на плунжере гидроцилиндра

• △    P2 = жидкости ⁄ ^*2 = штока - рулей ⁄ ^2 , где f штока =Δ P1F1 .

Новизна методики расчета статических характеристик РП заключается в следующем:

• -    определен порядок расчета функции объемного расхода жидкости в зависимости от объемного расхода воздуха;

• -    обеспечена двухрежимная работа РП, при которой тормозное усилие на штоке в гидроцилиндре изменяется от незначительного до расчетного значения.

Выводы: с использованием методов системного анализа и гипервекторного ранжирования синтезирован наилучший по совокупности критериев вариант электропневмогидравлического рулевого привода. Разработана конструкция рулевого привода, характеристики которого соответствуют требованиям технического задания. Проведены математическое моделирование и предварительные испытания опытных образцов рулевых приводов, которые показали, что установка рулевого органа АПА в заданное положение и последующая его фиксация осуществляются с высокой точностью во всех режимах эксплуатации. В процессе предварительных испытаний выявлены следующие конструктивные недостатки: масса; высокое давление рабочего тела; повышенная трудоемкость при прокачке привода и наличие «мертвых» зон; большое количество уплотнительных соединений. Недостатки планируется устранить в рамках последующих исследований, которые предполагают, в том числе использование новых методов: гипервекторного перевода сложных технических систем в лидеры [11]; математического и аналогового моделирования динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями высокого порядка [12-14].