ВЫБОР ГИДРОУСИЛИТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Выбрав ту или иную структурную схему автопилота и определив тем самым необходимость включения его в определенные виды (каналы) управления, необходимо подобрать гидроусилители с учетом работы их не только от ручного управления, но и от сигналов автопилота.

Рис. 3. 40. Принципиальная схема работы гидроусилителя: /—ручка управления; 2—золотник; 3— силовой цилиндр; 4—поршень силового штока; 5—ограничитель хода золотника; б—чюловка гидроусилителя

Напомним кратко принцип работы гидроусилителя [2]. Как известно, силовой шток гидроусилителя воспроизводит движение механической проводки системы управления, подсоединенной к его распределительно­му золотнику с многократным силовым усилием, получаемым за счет энергии, подаваемой жидкости.

При отклонении ручки управления 1 (рис. 3.40), соединенной через проводку управления с распределительным золотником 2, последний пе­ремещается на незначительную величину А/ и жидкость под давлением поступает в соответствующую полость силового цилиндра 3.

Перемещение золотника 2 происходит под действием небольшого усилия, равного величине трения в этой плунжерной паре. Движущийся вслед за ним шток силового цилиндра развивает необходимое усилие, зависящее от площади поршня и давления.

При остановке ручки управления золотник 2 становится неподвиж­ным и передвигающаяся головка 6 гидроусилителя, жестко связанная с поршнем 4, перемещает окна гильзы золотника относительно его по­ясков. При этом постепенно перекрывается щель, через которую рабо­чая жидкость подается в полость цилиндра, и при установке окон отно­сительно золотника в нейтральное положение подача жидкости прекра­тится и силовой шток остановится.

Золотник гидроусилителя имеет так называемую зону нечувстви­тельности, которая определяется превышением размера а пояска золот­ника над шириной б окна гильзы золотника.

Величина 2е = а—б является зоной нечувствительности, так как, пе­ремещая ручкой управления золотник из его нейтрального положения на величину в, мы не получим подачи жидкости в силовой цилиндр, а сле­довательно, и его движения. Максимальное усилие на выходном штоке гидроусилителя определяется произведением рабочего давления на пло­щадь поршня силового штока и соответствует нулевой скорости переме­щения силового штока. С уменьшением нагрузки на выходном штоке скорость перемещения его возрастает, достигая некоторого максималь-

ного значения при нулевой нагрузке. Указанная зависимость усилия на штоке от скорости его перемещения называется внешней или нагрузоч­ной характеристикой гидроусилителя. Нагрузочная характеристика сни­мается при постоянном рабочем давлении, следовательно, различным ра­бочим давлениям будет соответствовать семейство нагрузочных харак­теристик.

В гидросистеме вертолета с насосом постоянной производительно­сти установлен так называемый автомат разгрузки насоса, в результате работы которого рабочее давление периодически изменяется в некото­ром диапазоне от максимального (ртах) до минимального (pmin) [24].

Проектирование гидроусилителей производится специализированными организа­циями, поэтому в данной главе будут изложены лишь методика подбора силовой части гидроусилителей по усилиям от шарнирных моментов лопастей, требования к зонам не­чувствительности и трению распределительного золотника и выбор параметров серво­привода в комбинированных гидроусилителях, работающих как от ручного управления, так и от сигналов автопилота. ‘ ’

Присущие вертолетам относительно низкочастотные вибрации, возбуждаемые не­сущим винтом, обусловливают ряд особых требований к элементам гидросистемы. На­пример, на одном из вёртолетов Ми-б с повышенным уровнем вибраций на режиме тор­можения в полете была обнаружена пульсация давления в трубопроводах нагнетания. Частота пульсации была равна удвоенному произведению оборотов несущего винта на число лопастей (20 гц). Проведенный анализ и специальные стендовые испытания по­казали, что это происходит вследствие вынужденных перемещений цепи управления вместе с золотником гидроусилителя. Перемещения вызываются общими вибрациями вертолета с частотой 10 гц. Благодаря тому, что золотник за время перемещения из одного своего крайнего положения в другое сообщает с линией нагнетания две поло­сти гидроусилителя, частота пульсации удваивается, т. е. равна 20 гц. При этом зна­чительно возрастают расходы жидкости гидросистемы, что приводит к более частым срабатываниям автомата разгрузки насоса. На рис. 3. 41 показана осциллограмма пуль-

гации давления в трубопроводе нагнетания, записанная при полете вертолета на режи­ме торможения.

Чем меньше величина зоны нечувствительности гидроусилителя, тем точнее управление любым летательным аппаратом. На самолетах, как правило, стремятся эту зону уменьшить и довести до весьма незначи­тельной величины 0,1 мм.

Из сказанного следует, что гидроусилители для вертолетов должны иметь увеличенные зоны нечувствительности с тем, чтобы указанные вы­ше перемещения золотников, вызываемые вибрациями, укладывались в них. Практически величина зоны нечувствительности в месте присоеди­нения вертолетной тяги к гидро­усилителю должна составлять 0,5— 7 0,8 мм, что соответствует перемеще­

нию ручки управления на 2—4 мм и не сказывается на управлении вертолетом (см. табл. 3.4). В то же время силы трения, возникаю­щие при перемещении золотника, должны быть минимальными. Уве­личение трения в золотниковом устройстве «загрубляет» всю систе­му необратимого бустерного управ­ления и приводит к необходимости увеличения предварительной за — ^+ЖПоп тяжки загрузочных пружин на руч­ке управления или сил трения при отсутствии загрузочных пружин, на­пример в проводке управления об­щим шагом. Величины трения зо­лотников, приведенные в табл. 3. 1, значительно возрастают на тяже­лых вертолетах, что объясняется увеличением их диаметров и увели­чением рабочих давлений в гидро­системах.

Для уменьшения сил трения в этом случае целесообразно приме­нять двухкаскадные золотники (рис. 3.42), т. е. присоединять систему управления к золотнику 1, который, перемещаясь с минимальным тре­нием, управляет распределительным золотником 2 большого диаметра, рассчитанным на управление мощным исполнительным механизмом. Для определения мощности гидроусилителей рассмотрим усилия

в продольном и поперечном управлении, а также в управлении общим шагом несущего винта, обусловленные шарнирными моментами лопа­стей.

При работе несущего винта на его лопастях возникают моменты от­носительно осевого шарнира, вызываемые аэродинамическими и инер­ционными силами, которые обусловливают появление усилий в цепях продольно-поперечного управления и управления общим шагом (рис. 3.43). Очевидно, что усилия в управлении могут быть выражены как

р — им 1 прод Л1‘1Г1РрОД»

Лоп = МС,„

■^ош = fa 2

Здесь Рпрод, Люп и Р0ш—соответственно усилия в продольном, по­перечном управлении и в управлении общим шагом; Мл — шарнирный момент лопастей; fa, fa, fa — коэффициенты, определяемые кинематикой управления; Л4пр0д и Мпоп — соответственно продольный и поперечный моменты на кольцах автомата перекоса. Моменты можно выразить как Мщ>од=ті^і(sin ф) +m2F2(cos ф), Мпоп=—mlF2(cos ф)—m2Fj(sin ф), где Ш и т2 — коэффициенты, определяемые кинематикой втулки и углом опережения управления, a /4 и F2 — функции, определяемые

Fl (sin і]») = МА sin ф + Мл2 sin [-j 2к + ф| +

+ ^лз sin 2г. + ф) +. .. Мл г sin 2л 4- ф) ,

F2 (cos ф) = Мл cos ф 4- Мл2 cos (-j 2л 4- фj 4"

+ Л4л3 cos 2л 4- ф) + • ■ • Мм cos 2jt + ф).

где Млі, Мл2, …Мщ — шарнирные моменты каждой лопасти.

Исследования показывают, что шарнирный момент каждой лопасти является сложной периодической функцией угла азимута, которая мо­жет быть представлена рядом Фурье Мл=Ай—А cos фф-^і sin фф-

4- ЛгСоз2ф-|-В25іп2ф4-… .-j-i4„cos пфф-BnSin пф.

Наиболее существенными компонентами этого разложения являют­ся постоянная составляющая А0 и первая гармоника с коэффициентами Аі и В і. Анализ показывает, что постоянная составляющая шарнирного момента лопастей не вызывает усилий в продольно-поперечном управ­лении и дает только постоянную составляющую усилия в управлении общим шагом. Первая гармоника дает постоянную часть усилий в про­дольном и поперечном управлении, а высшие гармоники дают перемен­ные составляющие усилий в продольно-поперечном управлении и в уп­равлении общим шагом. Приведем табл. 3. 5, составленную А. М. Изак­соном, показывающую состав функций /4(sin ф), F2(cos ф) и 2МЛ в за­висимости от числа лопастей несущего винта для пяти гармоник разло­жения шарнирного момента лопасти.

Таблица 3.5

Определение функций Fi (sin ф), F2 (cos ф) и 2 в зависимости . от числа лопастей z несущего винта

г = 3

3 3 3

— — В2 cos Зф — — А4 sin Зф + — В4 cos Зф ■+­3 3

— sin 6ф — — В$ cos 6ф

Если учитывать лишь постоянную составляющую и первую гармо­нику шарнирного момента, можно получить следующие простые зависи­мости для усилий в управ­лении:

Л, род=*1 -у (т, В,-т2Л,),

Ло’п = *2 J — (— /М, —

Дэш = ^зг-‘^о*

Эти простые формулы, однако, дают лишь постоян­ные составляющие усилий. Для определения очень важ­ных в ряде случаев перемен­ных составляющих усилий в управлении необходимо использовать более опреде­ленные зависимости, данные в табл. 3.5.

Точное определение шарнирных моментов лопасти расчетным путем затруднительно, т. к. это связано с трудностями получения точной карти­ны упругих деформаций лопасти. Поэтому при проектировании вертоле­та приходится пользоваться различными приближенными методами оценки величин нагрузок в управлении, основанными на экстраполяции имеющихся данных по результатам летных испытаний. На рис. 3.44 приведены типовые зависимости шарнирного момента лопасти от угла азимута Мл=/(ф), полученные в летных испытаниях для вертолета

Ми-4, соответствующие трем различным вариантам конструкции ло­пасти.

Рассмотрим методику подбора параметров силовых гидроусилите­лей вертолета [25].

При предварительной оценке этих параметров на этапе эскизного проектирования можно использовать статистические данные. Для этого введем понятие относительной работы гидроусилителей, которую опре­делим как произведение усилия, развиваемого гидроусилителем, на его

]—рекомендуемое значение; 2—поперечное управление; 3—управление
общим шагом; 4~продольное управление. Значения коэффициентов k
по замеренным усилиям в полете:

О —в продольном управлении;

V—в поперечном управлении;

Л—в управлении общим шагом;

□—по параметрам установленных на вертолетах гидроусилителей

хсд, отнесенное к полетному весу. Значение относительной работы, со­ответствующее усилию на штоке гидроусилителя, равному 70% от уси­лия при нулевой скорости штока при минимальном рабочем давлении з гидросистеме будем называть рекомендуемым, а значения, соответст­вующие усилиям, замеренным в полете, — фактическими.

На рис. 3.45 даны зависимости фактической относительной работы гидроусилителей от взлетного веса вертолетов, а также приведена ре­комендуемая зависимость, которую можно использовать для определе­ния силовых параметров гидроусилителей.

На этом

(3.4)

где Дф. пр., -4ф. поп., Афя ош— фактическая работа гидроусилителей про­дольного, поперечного и управления общим . шагом, полученные как произведения заме­

ренного усилия в полете на рабочий ход гид­роусилителя в кГ • см

4рек — произведение усилия, развиваемого гидро­усилителем, при минимальном рабочем дав-

лении в гидросистеме на его рабочий ход. Уси­лие берется в размере 70% от усилия при ну­левой скорости в кГ • см

G — взлетный вес вертолета в кГ; k — соответствующие относительные работы в см. Из графика (см. рис. 3. 45) видно, что зависимость к^к от полетно­го веса для одновинтовых вертолетов выбрана с учетом некоторого запаса относительно точек &фак и может быть выражена уравнением

&рек~ 0,3 0,9 * 10 5 • Gbзл* (3. 5)

Рис. 3. 46. Нагрузочные характеристики гидроусилителей различных типов

Увеличенный запас значений £рек относительно £фак для легких и средних вертолетов объясняется тем, что доля переменных усилий на этих машинах, действующих на штоки гидроусилителей, больше, чем на тяжелых вертолетах.

Для определения силовых параметров гидроусилителя из (3.5), подставляя взлетный вес проектируемого вертолета, вычисляется вели­чина &рек.

Полагая, что работу гидроусилителя можно записать в виде выра­жения A = wp,

где w — рабочий объем силового цилиндра гидроусилителя;

р — минимальное рабочее давление гидросистемы, из выражения (3.4) получаем потребный объем цилиндра гидроусилителя, т. е. произ­ведение площади поршня на рабочий ход штока:

1 ^1’ЄК’£?взл

W=—- • ——— .

0,7 р

При этом необходимо иметь в виду, что подобранный таким образом гидроусилитель должен обеспечивать максимальные скорости переме­щения управления при нагрузке, составляющей 70% от нагрузки при ну­левой скорости штока гидроусилителя.

Если достаточно точно известны постоянные составляющие нагруз­ки на штоке гидроусилителей, подбор параметров может выполняться следующим уточненным способом.

На рис. 3.46 приведены упоминавшиеся ранее нагрузочные характе­ристики гидроусилителей при максимальном и минимальном рабочих давлениях. __

Усилие Т0 на штоке гидроусилителя при нулевой скорости штока и минимальном рабочем давлении определяется из соотношения О,77’0>5, где S —постоянная составляющая нагрузки, действующая на ■шток гидроусилителя от шарнирных моментов лопастей.

В табл. 3.6 приведены данные по постоянным 5 и переменным 5і со­ставляющим нагрузок на штоки гидроусилителей управления несущим винтом, замеренные в полете, а также значения 0,7Г0 по гидроусили­телям, назначенные с некоторым запасом из условия 0,7T0^S, и соот­ветствующие значения То. Значение 0,7Tq выбирается по более нагру­женному виду управления с тем, чтобы во всех видах управления несу­щим винтом могли бы быть применены однотипные гидроусилители.

Таблица 3.6 Нагрузки, действующие на штоки гидроусилителей _ в системе управления несущим винтом______________________ _____ Вертолет Взлетный вес кГ Вид нагрузки на гидро­усилитель Величина нагрузки на гидроусилитель, кГ продольный поперечный общего шага S 39 63 62 Si 60 43 36 Ми-1 2 300 S + Sj 99 106 98 0,77-0 224 То 320 S 38 50 37 Si 25 20 28 Ми-2 3 600 S — j — Sj 63 70 65 0,77-0 111 To 159 S 255 325 412 Si 170 145 290 Ми-4 7 200 S + *S| 425 470 702 0,77-0 552 To 850 S 3000 4000 3050 Si 1070 1250 225 Ми-6 41 000 s — sx 4070 5250 3275 0,77-q 3950 To 5650 S 350 360 400 Si 165 120 115 Ми-8 12 000 •S — f — Si 515 480 515 0,77-q 895 To 1280

На рис. 3.46 даны нагрузочные характеристики гидроусилителей РП-35, КАУ-ЗОБ и РП-28 для вертолетов Ми-2, Ми-8 и Ми-6 при мини­мальном и максимальном рабочих давлениях.

В табл. 3. 7 приведено время «полной перекладки» [26] рычагов управ­ления вертолетов, определенное по максимальным скоростям их пере­мещения, имеющим место в экс­плуатации. Можно выделить мак­симальные скорости У„, имеющие место при нормальной эксплуа­тации, и максимальные скорости Ум при выполнении энергичных маневров.

При задании формы нагру­зочной характеристики, гидроуси­лителя необходимо, чтобы ско­рость штока, соответствующая усилию 0,7 Т0 при минимальном давлении, была бы не менее мак­симальной Ун. Необходимо так­же чтобы скорость штока при максимальном давлении и том же усилии 0,7 Т0 была не менее максимальной скорости Ум.

Как видно из рис. 3. 46, гидроусилители при нагрузке 0,7Го имеют скорость перемещения штоков при минимальном давлении, равную или большую, чем скорости перемещения органов управления и при нор­мальной эксплуатации. Переменная составляющая усилия, как показы­вает опыт эксплуатации, не оказывает влияния на скоростные характе­ристики гидроусилителя и не ощущается летчиком на ручке управления. При этом надо учесть то обстоятельство, что в гидравлической системе на линии подачи давления непосредственно у гидроусилителей установ­лены обратные клапаны, исключающие «просадку» гидроусилителей.

Основное назначение этих клапанов — фиксация выходных штоков гидроусилителей в момент перехода с основной гидросистемы на дубли­рующую. Без обратных клапанов вследствие падения рабочего давле­ния в гидроусилителе на какой-то промежуток времени при переключе­нии систем возможно было бы недопустимое произвольное перемещение выходных штоков под действием внешней нагрузки.

После определения необходимых параметров гидроусилителей, в за­висимости от принятой схемы механической проводки управления, сле­дует выбрать конструктивно место включения в нее автопилота по диф­ференциальной схеме.

В случае обычной схемы управления силовой гидроусилитель целе­сообразно спроектировать в виде объединенного рулевого агрегата, ра­ботающего как от ручного управления, так и от сигнала автопилота. Обычно такой рулевой агрегат представляет собой объединенные в одном корпусе гидроусилитель ручного управления и электрогидрав­лическую дифференциальную рулевую машину с электрическим датчи­ком обратной связи.

В случае применения двухкаскадной системы управления на одно­винтовом вертолете включение автопилота целесообразно осуществлять также на силовых гидроусилителях.

Дал-ее необходимо произвести выбор параметров сервопривода ав­топилота. Под сервоприводом будем понимать силовую следящую систе­му, образованную выходным усилителем автопилота и электрогидрав­лической рулевой машиной с электрическим датчиком обратной связи.