Содержание к диссертации
Введение
1 Конструктивный обзор состояния вопроса и постановка задачи 6
1.1. Введение 6
1.1.1. Мембраны 6
1.1.2. Сильфоны 6
1.1.3. Оболочки 7
1.2. Силовые оболочковые элементы 7
1.2.1. Баллонный цилиндр фирмы Festo 9
1.2.2. Чулочная мембрана фирмы Festo 9
1.2.3. Пневматический мускул фирмы Festo 10
1.2.4. Механическая мышца фирмы "Пневмотроника" 13
1.3. Недостатки силовых оболочковых элементов как конструкций и возможные пути их устранения 14
1.4. Варианты построения силовой части исполнительных двигателей, выполненных на базе силовых оболочковых элементов 14
1.5. Достоинства и недостатки при использовании силовых оболочковых элементов в исполнительных двигателях 16
1.6. Примеры применения разомкнутых приводов на основе дифференциального исполнительного двигателя, выполненного на базе силовых оболочковых элементов 16
1.7. Привлечение теории оболочек к разработке статических математических моделей силовых оболочковых элементов 18
1.8. Выводы по главе и постановка задачи 19
2. Математическая модель исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах 20
2.1. Введение 20
2.2. Геометрические параметры силового оболочкового элемента 20
2.3. Усилие, развиваемое силовым оболочковым элементом 23
2.4. Статические характеристики дифференциального исполнительного двигателя 26
2.5. Расход рабочей среды, поступающей в полости силовых оболочковых элементов 29 2.5.1. Объемный модуль упругости газа, поступающего в полость силового оболочкового элемента 29
2.6. Управление потоком рабочей средой, протекающей через дроссель 29
2.6.1. Расход жидкости, протекающей через дроссель 30
2.6.2. Расход газа, протекающего через дроссель 30
2.7. Нелинейная динамическая математическая модель дифференциального исполнительного двигателя 32
2.8. Линейная математическая модель дифференциального исполнительного двигателя 33
2.9. Линейная математическая модель исполнительного двигателя с возвратной пружиной 36
2.10. Конфигурация сетчатой оболочки 38
2.11. Исследование состояния оболочки 43
2.11.1. Система криволинейных координат 43
2.11.2. Первая и вторая квадратичные формы 44
2.11.3. Усилия и моменты, испытываемые элементом оболочки 49
2.11.4. Потенциальная энергия деформации 51
2.12. Влияние конструктивных параметров на характеристики силовых оболочковых элементов 52
2.12.1. Влияние конструктивных параметров силового оболочкового элемента на величину предельного сокращения силового оболочкового элемента 52
2.12.2. Влияние угла укладки армирующих нитей на характеристики силового оболочкового элемента 53
2.12.3. Влияние угла укладки армирующих нитей на параметры исполнительного двигателя 55
2.13. Методика выбора элементов силовой части исполнительного двигателя, выполненного на силовых оболочковых элементах 57
2.14. Выводы по главе 60
3. Экспериментальная часть 61
3.1. Цели, поставленные при проведении эксперимента 61
3.2. Краткое описание стенда 61
3.2.1. Функционирование промышленного компьютера 62
3.2.2. Чувствительный элемент 63
3.2.3. Электропневматический дроссельный распределитель 64
3.3. Оценка достоверности разработанной статической модели силового оболочкового элемента 67
3.3.1. Методика экспериментального получения статических силовых характеристик силовых оболочковых элементов 67
3.3.2. Статические силовые характеристики пневматического мускула 68
3.3.3. Статические силовые характеристики механической мышцы 71
3.3.4. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов, учет влияния материала оболочки на статические силовые характеристики на примере механической мышцы 74
3.3.5. Определение потерь развиваемого усилия по экспериментально полученным статическим характеристикам 76
3.4. Оценка достоверности разработанной динамической линейной математической модели
дифференциального исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах 78
3.4.1. Получение частотных характеристик исполнительного двигателя опытным путем 80
3.4.2. Динамическая линейная математическая модель исполнительного двигателя 82
3.4.3. Получение ЛАЧХ исполнительного двигателя на базе механических мышц и ее сравнение с экспериментальными частотными характеристиками 83
3.4.4. Получение ЛАЧХ исполнительного двигателя на базе пневматических мускулов и ее сравнение с экспериментальными частотными характеристиками 86
3.5. Диапазон регулирования скоростей, режим ползучих скоростей исполнительного двигателя 90
3.6. Исполнительный двигатель в замкнутой системе 92
3.7. Выводы по главе 93
4 Примеры применения следящих приводов, выполненных на базе силовых оболочковых элементов 94
4.1. Введение 94
4.2. Система управления элеронами самолета МиГ-15 на основе исполнительного двигателя, выполненного на базе силовых оболочковых элементов 94
4.2.1. Описание штатной системы управления самолетом МиГ-15 94
4.2.2. Выбор элементов привода и расчет его характеристик 96
4.2.3. Составление математической модели следящего привода управления элеронами 101
4.2.4. Синтез следящей системы 103
4.3. Применение исполнительного двигателя на силовых оболочковых элементах в системе управления
общим шагом вертолета Ка-26 109
4.3.1. Управление вертолетом Ка-26 109
4.3.2. Блок-схема привода на силовых оболочковых элементах 113
4.3.3. Выбор силовых элементов исполнительного двигателя и процедура динамического синтеза системы управления 113
4.4. Применение силовых оболочковых элементов в модуле схвата робота-манипулятора 119
4.5. Выводы по главе 123
Выводы по диссертационной работе 124
Список литературы 125
Приложение 1 127
- Силовые оболочковые элементы
- Геометрические параметры силового оболочкового элемента
- Краткое описание стенда
- Система управления элеронами самолета МиГ-15 на основе исполнительного двигателя, выполненного на базе силовых оболочковых элементов
Силовые оболочковые элементы
Рассмотрим подробнее армированные силовые оболочки - силовые оболочковые элементы (СОЭ). Боковая поверхность СОЭ представляет собой осесимметричную эластичную оболочку, армированную системой нитей. Торцы оболочек герметично закреплены в присоединительных элементах.
Для армированных оболочек характерны ограничения в изменении размеров поверхности оболочки, определяемые характером укладки армирующих нитей (сетки) на ее поверхность. Во время деформации подобного силового элемента, увеличение одних линейных размеров, как правило, сопровождается уменьшением других. В случае, если армированная оболочка представляет собой осесимметричное тело, то во время нагружения ее избыточным давлением рабочей среды, она развивает либо тянущие, либо давящие усилия.
Слои армирующих нитей могут располагаться как на внешней поверхности эластичной оболочки, так и внутри материала оболочки. При этом армирующие нити могут быть уложены крест-накрест относительно друг друга под некоторым углом. Продольное сечение СОЭ можно изобразить на рис. 1.2.Здесь цифрой 1 обозначена цилиндрическая оболочка из эластомера, а цифрой 2 - слои уложенных на нее армирующих нитей.
Роль слоев армирующих нитей заключается в придании СОЭ определенной формы в процессе ее сокращения под действием нагнетаемой в нее рабочей среды под давлением р, а функция эластичной оболочки - герметизация полости СОЭ.
К СОЭ, разработанных и выпускаемых фирмой Festo (Германия), относятся баллонный цилиндр и "Пневматический мускул" (ПМ) [1]. К СОЭ фирмы "Пневмотроника" (РФ) - "механическая мышца" (ММ) [13]. Принцип действия работы этих элементов, во всех трех случаях одинаков, различие заключается лишь в технической реализации. Во всех трех разработках используемой рабочей средой является газ.
Принцип работы подобных СОЭ весьма прост - внутри силового элемента создается избыточное давление рабочей среды, создающее силу, действующую на торцы СОЭ. Силу Fcos, развиваемую СОЭ, можно представить в виде Fn FTFOB — сила, действующая на присоединительные элементы со стороны армированной оболочки;потери развиваемой силы, направленные на поддержание конфигурации оболочки в деформированном состоянии; сила, действующая со стороны торцов СОЭ. где dcoa - диаметр оболочки СОЭ, Рсоэ - избыточное давление рабочей среды внутри полости СОЭ; /соэ - длина СОЭ в сокращенном состоянии. Положительными приняты силы, сокращающие СОЭ. Знак "минус", стоящий перед FT, учитывает направленность этой силы от центра. Для определения составляющей FOB необходимо рассмотреть конструкцию самого СОЭ. В первую очередь на составляющие развиваемой силы влияют конструктивные особенности СОЭ. Согласно (1.2), растягивающее усилие, создаваемое силой давления на торцы присоединительных элементах, тем больше, чем больше диаметр самого СОЭ. Поэтому короткие СОЭ, но с большим диаметром оболочки {LC03&dC03), развивают давящие усилия {Рсоэ Рт) ш наоборот - при условии (Ьсоэ » dC03), СОЭ развивает тянущие усилия. Разработки фирмы Festo - баллонный цилиндр и пневматический мускул соответственно является примерами подобных реализаций. 1.2.1. Баллонный цилиндр фирмы Festo Благодаря своей геометрии, баллонный цилиндр является "давящим" СОЭ. На рис. 1.3 приведено изображение баллонного цилиндра фирмы Festo. рис. 1.4 Использование баллонного цилиндра для управления угловыми перемещенияи. В таком режиме эксплуатации, фирмой заявлена возможность работать силовым элементом под углом в (15..20)/секция. 1.2.2. Чулочная мембрана фирмы Festo На практике создаются изделия, комбинирующие свойства сразу нескольких типов силовых элементов. В качестве примера, иллюстрирующего получение такого гибрида, можно привести так называемую чулочную мембрану, выпускаемую фирмой Festo (рис. 1.5). yr рис. 1.5 Чулочная мембрана фирмы Festo. Эксплуатационные характеристики ее таковы, что подобные силовые элементы с диаметром оболочки равным 80 мм, развивают усилия при максимальном давлении рабочей среды в 0.8МПа до величины, равной 1.4 кН, обеспечивая величину хода до ПО мм. Примененные конструкционные материалы, позволяют эксплуатировать изделие в диапазоне температур [-40..+70]С [1]. 1.2.3. Пневматический мускул фирмы Festo Другой реализацией СОЭ фирмы Festo (Ьсоэ » dca3) является пневматический мускул (рис. 1.6). рис. 1.6 Пневматические мускулы фирмы Festo. Пневматический мускул конструктивно представляет собой эластичную армированную оболочку, края которой герметично закреплены в присоединительных элементах (рис. 1.7). М16х1.5 24 мм A/F 3.5мм — 41 MMA/F рис. 1.7 Присоединительный элемент пневматического мускула фирмы Festo.
Геометрические параметры силового оболочкового элемента
С этой целью разработаем концептуальную математическую модель некоего условного силового элемента, обладающего базовыми для СОЭ свойствами. Такой СОЭ выполнен в виде цилиндрической эластичной секционной оболочки, торцы которой герметично закреплены в присоединительных элементах. Примем допущение, что эластичная оболочка продольно армирована слоями нерастяжимых нитей. При создании внутри СОЭ избыточного давления, величина которого ограничена прочностными характеристиками материала оболочки, происходит деформация оболочки, ограниченная армирующими нитями. Благодаря им длина профиля СОЭ в продольном сечении остается постоянной и равной 2L (здесь L - длина половины армирующей нити). Примем допущение, что оболочка выполнена из абсолютно эластичного материала пренебрежимо малой толщины и, вследствие этого, не будем учитывать его влияние на характеристики СОЭ.
Рассмотрим продольное сечение оболочки одной секции СОЭ (рис. 2.1). Для упрощения рассматриваемой модели, примем допущение, что оболочка представляет собой поверхность вращения с радиусом продольного сечения R.
Обозначим геометрические параметры оболочки: L - длина половины армирующей нити одной секции; го - поперечный радиус оболочки; п - количество секций СОЭ;1с - полудлина одной секции в сокращенном состоянии; fco3 - длина сокращенной СОЭ, т.е./соэ=2-п-1с; Ьсоэ - длина оболочки СОЭ в несокращенном состоянииЬсоэ=2-п-Ь ; Lc - длина одной секции СОЭ в несокращенном состояниирис. 2.1 Функциональные зависимости геометрических параметров СОЭ.
Рассмотрим декартову систему координат (рис. 2.1) - оси г и /. Начало координат находится в точке О, которая является центром стягивающей дуги радиуса R. Дуга оболочки образует угол 2а. Центр дуги лежит на оси г в диапазоне [го;-). Случай, когда центр дуги стремится к - (R— - }, соответствует несокращенному состоянию оболочки (стягивающая дуга вырождается в прямую, a lc=L, угол а=0).Длина дуги L и радиус продольного сечения R связаны соотношением
Из рис. 2.2 видно, что расходная характеристика СОЭ нелинейная. Представленную зависимость можно линеаризовать для диапазона используемых сокращений. Таким образом, если принять допущение, что функция Усоз(1соэ) на рабочем участке линейна, тоkv , (2.5)где Vo -объем полости при величине сокращения СОЭ, соответствующей середине используемого участка сокращений;kv - расходный коэффициент СОЭ, равный тангенсу угла наклона прямой, полученной при линеаризации расходной характеристики в используемом диапазоне сокращений. Расходный коэффициент СОЭ имеет размерность м3/м=м2. Для пневмоцилиндров аналогом этого коэффициента служит площадь поршня S.
Усилие, развиваемое силовым оболочковым элементом Для определения усилий, развиваемых СОЭ, рассмотрим рис. 2.3. На этом рисунке показано продольное сечение секции СОЭ. Сила, создаваемая давлением р, действует на внут рис. 2.3 Силы, действующие в секции СОЭ.
Так как оболочка СОЭ является осесимметричной, то возможно при рассмотрении ее работы перейти от объемной модели к плоской, заменив поверхность волокон некоторой эквивалентной нитью, расположенной в продольном сечении. Обозначим на рисунке точками О -центр дуги, на которой расположена нить, В - точку сопряжения нити оболочки и присоединительного элемента (межсекционного кольца), А - середину эквивалентной нити (лежит на оси г).
Рассмотрим участок эквивалентной нити АВ. Так как нить принята гибкой, то есть способной сопротивляться лишь растяжению, то действие отброшенной части нити на оставшуюся часть, можно представить в виде силы, направленной по касательной в месте разреза. На рис. 2.3 показаны силы и нагрузка, воздействующие на нить и присоединительный элемент (межсекционное кольцо):Р - распределенная нагрузка, создаваемая внутренним давлением р; Н - сила натяжения нити, приложенная в точке А;Т - сила реакции присоединительного элемента (межсекционного кольца) на нить, направленная по касательной к кривой изгиба нити в точке В; Т/ - проекция силы Т на ось /; Тг - проекция силы Т на ось г;F - сила воздействия эквивалентной нити на присоединительный элемент (межсекционное кольцо); Fr - распорная составляющая силы F, действующая перпендикулярно оси /; F/ - стягивающая составляющая силы F, действующая вдоль оси /.
Составим уравнение равновесия упомянутого участка нити. Возьмем сумму моментов всех сил относительно точки В и приравняем ее нулю, тогда гдеМ го- момент, создаваемый распределенной нагрузкой на армирующую оболочку;- поперечный радиус СОЭ в несокращенном состоянии (равен радиусу поперечного сечения на концах секции);
Радиус СОЭ в Дальнейшие выкладки приведем для исполнительного двигателя, выполненного по дифференциальной схеме (рис. 1.12.в). В этом случае, на объект регулирования с приведенной массой m действует разность сил Fccoi и Fcc2- Управление рабочей средой, поступающей в толости СОЭ, осуществляется при помощи дроссельного распределителя. При одинаковых давлениях pi=p2 и своих длинах 1соэ1=1соэ2, одинаковые СОЭ развивают одинаковую силу, и гогда на приведенную массу воздействуют силы Fco3i=-Fco32, то есть нагрузка находится в нейтральном положении.
Сила, развиваемая исполнительным двигателем, определяется по формуле Г ИД — ГсоЭ\ СОЭ2 (2.14) где Fccoi Fco32 - силы, развиваемые СОЭ і и СОЭг, соответственно. Они определяются из 2.13), путем подстановки соответствующих значений R, а и р.
При возникновении перепада давлений Ар в полостях СОЭ на нагрузку с приведенной массой m будет воздействовать сила F до тех пор, пока координата оконечного присоедини-гельного элемента х не станет равной хуст, при которой развиваемая сила будет равна нулю.o+ Для СОЭ изменение длины и давления рабочей среды в полости осуществляется посредством изменения потоков (дросселирования) рабочей среды, подаваемой в полость. Связь величины расхода рабочей среды Qi(t) и СЬ(0, поступающей в полости СОЭ і и СОЭг, с изменением выходной координаты x(t) можно описать уравнениемгде в правой части равенства первое слагаемое представляет полезный расход, а второе - расход, затрачиваемый на сжимаемость рабочей среды в полости СОЭ; здесь Ei,2 - приведенный модуль упругости [10]
Одно из основных различий между жидкостью и газом заключается в их различной сжимаемости. По сравнению с газом, жидкость практически несжимаема. Для жидкости, в отличие от газа, модуль объемной упругости В практически не зависит от давления и теплового обмена с окружающей средой.2.5.7. Объемный модуль упругости газа, поступающего в полость силового оболочкового элемента
В случае, если рабочей средой является газом, то одним из уравнений математической модели пневмодвигателя должно быть уравнение, описывающее процесс теплообмена между газом, заключенным в полость СОЭ, и окружающей средой. Однако, с учетом такого уравнения, математическая модель пневмодвигателя становится достаточно сложной, а коэффициенты теплопередачи требуется находить экспериментальным путем. Поэтому обычно рассматриваются два предельных случая [10] -изотермический и адиабатический процессы.
Модуль объемной упругости газа, поступающего в полость СОЭ, в случае адиабатического процесса (dQT jdt — , где QT - количество теплоты, подводимой из окружающей среды или отводимой в окружающую среду) определяется как [28]где у - показатель адиабаты газа;р - давление газа в полости СОЭ. В случае изотермического процесса (dQT/dt — 0), модуль объемной упругости газа численно равен давлению газа в полости Виг=Р При дальнейшем рассмотрении в качестве модуля объемной упругости газа будем пользоваться коэффициентом Ег, который будет соответствовать принятой тепловой модели.
В гидро- и пневмосистемах для управления потоками рабочих сред используют различные по принципу действия и конструкции регулирующие и распределительные устройства: золотниковые распределители, сопла-заслонки и клапаны [10, 45]. В подобных устройствах регулирование потоков рабочей среды Qij2 осуществляется посредством изменения местных гидравлических сопротивлений.
Краткое описание стенда
Для проведения экспериментов с целью снятия статических характеристик самих СОЭ, і изучения динамических свойств исполнительных двигателей, выполненных на них, а также амкнутой системы управления на рассматриваемых исполнительных двигателях, был создан тшверсальный испытательный стенд. Основой испытательного стенда являются два СОЭ, воими подвижными присоединительными элементами прикрепленные к противоположным :онцам штока пневматического цилиндра с проходным штоком. В этом случае сила, развивае-іая СОЭ, воздействует на шток пневматического цилиндра, подвижная часть которого выпол-іяет роль объекта регулирования. Регулируя перепад давлений рабочей среды в полостях шевмоцилиндра, можно моделировать внешнюю нагрузку, действующую на исследуемый ис-юлнительный двигатель. Для измерения величины перемещения, использовался потенциометр, жестко связанный со штоком пневматического цилиндра.
При исследовании динамических свойств исполнительного двигателя, подача рабочей :реды в полости СОЭ, осуществлялась с помощью электропневматического дроссельного рас-іределителя. При исследовании статических характеристик СОЭ, давление в полостях СОЭ останавливалось при помощи регуляторов давления.
Во время проведения экспериментов был использован промышленный компьютер IPC S1 Professional. С его помощью осуществлялся выбор режимов функционирования стенда, травление задающими устройствами в ходе эксперимента, а так же сохранение в своей памя-и полученных результатов. Во время проведения опытов все показания записывались в спе іальньш /og-файл, а затем передавались в персональный компьютер для последующей обранки. Фотографии стенда приведены в приложении 4.
Примененный промышленный компьютер IPC PS1 Professional, представляет собой шверсальное устройство фирм Beck (Festo) программно-логического управления, предназна-:нное для решения задач автоматизации технологического оборудования и процессов. Конст- ктивно промышленный компьютер IPC PS1 Professional выполнен в виде компактного уст-шства, компонуемого по блочно-модульному принципу на основе шасси для монтажа и мо- лей. Входящие в его состав модули представляют собой законченные изделия, размещенные герметичных алюминиевых корпусах. Обмен информацией между модулями, входящими в став промышленного компьютера, осуществляется по стандартной 8-разрядной PC-ISA ши-: (или дополнительно по шине типа 12С). Используемый промышленный компьютер конст- ктивно собран из следующих компонентов: . Процессорный модуль PS1 НС20-80 DOS; . Модуль вывода аналоговых сигналов PS1-Ю40; . Модуль ввода аналоговых сигналов PS1-1064; . Шасси для. монтажа на 3 установочных места PS1 ВР11; . Модуль питания 24В, 1.7А PS1-PSE3.
Процессорный модуль НС 20-80 DOS представляет собой 32-разрядное высокопроизво ітельное изделие, изготовленное на основе специализированного процессора Epson Card PC.качестве операционной системы используется модифицированная 32-разрядная версия MS OS.Процессорный модуль обладает следующими параметрами:Троцессор Epson Card PC 486 DX4 40 МГцГип и объем оперативной памяти ІбМБайт 32-бит
Гип и объем энергонезависимой памяти 1 МБайт flash;512KBaftTZPRAM.Графический контроллер SVGA (800x600x256)тнтерфейсы связи 2 последовательных асинхронных TTL интер фейса (максимальная скорость 115200 бит/с); контроллер шины 12С.
Для вывода аналоговых сигналов промышленным компьютером был использован мощь PS1 1064 фирмы Beck. Этот модуль представляет собой устройство, в основу которого эложен ЦАП, обладающий разрядностью 12 бит и временем преобразования выходного сиг-ша равным 30 мкс. Данный модуль обладает способностью работать одновременно с 4 ана-)говыми выходными каналами в одном из следующих диапазонов:Выбор диапазона напряжений, в котором осуществляется преобразование выходного ігнала, осуществляется программно.
Для выполнения функций ввода аналоговых сигналов был использован модуль PS1 )40 фирмы Beck. Он представляет собой устройство, базирующееся на АЦП ADS7809 фирмы urr-Brown, обладающий разрядностью 12 бит и временем преобразования выходного сигнала ) 10 мс. Данный модуль обладает способностью работать одновременно с 4 аналоговыми вы-эдными каналами в одном из следующих программно выбираемых диапазонов:
Выбор диапазона напряжений, в котором осуществляется преобразование входного ігнала, осуществляется программно. Во время проведения экспериментов, связанных с исследованием динамических войств исполнительного двигателя, требуется осуществлять управление с определенной час-отой дискретизации. Внутренняя архитектура процессорного модуля НС 20-80 DOS содержит строенный таймер, которым можно программно управлять. С помощью программных средств гот таймер был настроен так, чтобы генерировать аппаратное прерывание с частотой, равной кГц.
При проведении опытов, в памяти контроллера формируется log-файл, содержащий все звестные значения, получаемые во время проведения эксперимента. Для дальнейшей обра-отки этот файл передается в персональный компьютер.Для передачи log-файла из промышленного компьютера и получения им новых версий рограммного обеспечения использовался асинхронный последовательный интерфейс RS-32С, обладающей скоростью передачи данных 115200 бит/с. Обмен файлами между этими вумя устройствами осуществляется при помощи протокола Z-modem..2.2. Чувствительный элемент
В качестве чувствительного элемента в цепи обратной связи используется потенцио-іетр Festo MLO 225 TLF (см. рис. 3.1). Подвижная часть потенциометра жестко прикреплена к ітоку пневматического цилиндра и выполняет роль .делителя сопротивления (рис. 3.2).а клеммах 1-2 выставляется напряжение Uon, поучаемое от источника опорного на-[ряжения (см. рис. 3.2). Перемещение ползунка (штока пневмоцилиндра) приводит к измене-[ию сопротивлений Ri и R2 между клеммами 1-3 и 3-2 соответственно. Полное сопротивление I между клеммами 1-2 соответствует полному диапазону изменения перемещений потенцио- Де Нію- коэффициент передачи потенциометра (чувствительность преобразователя)."KILOТак как потенциометр не осуществляет преобразование на полном диапазоне перемещений, то повышение опорного напряжения, подаваемого на потенциометр, ведет к росту его увствительности. При опорном напряжении, подаваемом на потенциометр и равным 11В, его увствительность равна
Так как модуль ввода аналоговых сигналов работает в диапазоне входных сигналов, авным (-Ю..+10)В, а его разрядность составляет 12 бит, то величина напряжения на потен-[иометре на один квант, если АЦП имеет п = 212 = 4096 уровней квантования, составляетп 4096уровней уровеньде UMAX И UMIN верхний и нижний пределы работы АЦП соответственно.I учетом вышеизложенного, перемещение потенциометра, приходящееся на один квант
Система управления элеронами самолета МиГ-15 на основе исполнительного двигателя, выполненного на базе силовых оболочковых элементов
Управление самолетом включает в себя ручное и ножное управление, управление триммерами руля высоты и элерона, а также управление щитками-закрылками и тормозными щитками. В кабине летчика на полу смонтирован центральный узел ножного и ручного управления, на котором закреплены: ручка управления, педали, привод к тормозной системе и качалка управления элеронами. При отклонении ручки вправо или влево от нейтрального положения один элерон отклоняется вверх, а другой - вниз, вызывая кренение самолета, соответственно на правое или левое крыло.
Управление самолетом является жестким, вся проводка управления состоит из жестких тяг и качалок (см. кинематическую схему на рис. 4.1).рис. 4.1 Кинематическая схема управления самолетом МИГ-15
Гидросистема самолета состоит из основной гидросистемы и системы гидроусилителя элеронов (СГУ) БУ-1. Гидроусилитель типа БУ-1 включен систему управления элеронами для облегчения управляемости самолетом на больших скоростях и для уменьшения нагрузки на ручку управления. Он установлен в правом крыле между нервюрами 1 и 5 на дюралюминовом кронштейне.
От центрального узла 2 тяга управления элеронами проходит по правому борту кабины к промежуточной колонке. Колонка через герметический вывод на борту фюзеляжа выходит другим концом в правое крыло, где на ней установлена качалка. От этой качалки тяга идет к рычагу, связанному с гидроусилителем. Другой конец штока гидроусилителя через промежуточные серьги связан с двуплечим рычагом. От двуплечего рычага движение передается на две тяги: к правому и левому элеронам. В левое крыло тяги проходят через герметические выводы на бортах фюзеляжа. В крыле тяги управления идут вдоль носка крыла до нервюры №10, откуда они через стенку лонжерона проходят в среднюю часть крыла, где соединяются с узлом 12 на нервюре №15. От узла 12, который состоит из вращающейся в подшипниках трубы с двумя рычагами, движение передается на траверсу элерона.
Гидроусилитель БУ-1 включен в систему управления элеронами по обратимой схеме, при которой чувствительность на ручке управления пропорциональна шарнирному моменту элеронов, а следовательно, скорости полета и углу отклонения элеронов.
Снижение общего усилия на ручке управления от элеронов производится с помощью устройства из рычагов и дополнительной обратимой тяги.
При подаче рабочей среды из питающей магистрали через дроссельный распределитель в СОЗі при ее одновременном сбросе из СОЭ2, СОЗі начинает сокращаться, развивая значительное тяговое усилие, которое через зубчатый ремень начинает вращать шкив, закрепленный на валу элерона. В этом случае элерон отклоняется вниз. И наоборот, при подаче рабочей среды в полость СОЭг и ее сбросе из СОЭ], элерон будет отклоняться вверх. С учетом вышеизложенного, предварительно блок-схему следящего привода на СОЭ можно представить ни-же(см. рис. 4.3). Вращательное движение входного вала, вырабатываемое при отклонении пилотом ручки управления, передается через редуктор на чувствительный элемент. Входной сигнал пропорциональный угловому перемещению ручки, а также требуемому перемещению объекта регулирования вырабатывается задающим устройством (чувствительным элементом) в виде напряжения постоянного тока. Угловое перемещение элерона передается на чувствительный элемент, который включен в канал общей обратной связи.
К следящему приводу управления элеронами повышенных требований по точности не предъявляется, поэтому достаточно использования одноканальной потенциометрической передачи, обладающей собственной статической ошибкой.
Сигнал отработки перемещения объекта регулирования поступает по каналу отрицательной обратной связи. На вход усилителя подается напряжение, пропорциональное углу рассогласования. В проектируемом приводе будет использована отрицательная обратная связь по скорости и ускорению.Выбор силовых элементов и проверка возможности их установки в крыле самолета
Для замены штатного гидроусилителя на новый исполнительный двигатель необходимо учесть следующие два условия: технические характеристики нового исполнительного двигателя должны полностью соответствовать техническим характеристикам имеющегося двигателя или быть лучше; габариты выбираемого двигателя должны соответствовать конструктивным осбенностям самолета в месте установки.
Для соблюдения второго условия достаточно выбрать двигатель на СОЭ, габариты которого не превышают габаритов гидроусилителя БУ-1 в случае, если установка производится в то же место. Однако, оценивая предварительную схему силовой части привода, можно сделать вывод, что установка двигателя на СОЭ между нервюрами №1-5 [26] конструктивно не оптимальна, так как установленный у нервюры №7 элерон находится достаточно далеко от пневматических мускулов. Это вынуждает нас увеличивать размер ремня, что не желательно. Поэтому установка нового двигателя должна осуществляться в непосредственной близости к элерону.
Выбор элементов, входящих в систему управления элеронами, проведем на основе следующих данных [26]:максимальный угол отклонения ручки управления от нейтральногоуправления элеронами (вправо и влево) ар — " = v,2.opaoмаксимальный угол отклонения элерона (вверх и вниз) а.э = ±16 = 0,28радмаксимальная сила, развиваемая штатным гидроусилителем БУ-1 FrymaK = 1.5кНминимальное время отклонения элерона в крайнее положение 7 = 5сдиаметр вала элерона D3 — 0,03мрадиус, по которому действует шток гидроусилителя на ось элерона rIV = 1,5 1(Г ммаксимальная высота крыла в месте установки Н = 0,15мкоэффициент вязкого трения ктр = 4,93 10" Н с І м
Согласно конструкции самолета МИГ-15 гидроусилитель элеронов БУ-1 установлен в правом крыле между нервюрами № 1-5 (позиция 6). Новая конструкция будет установлена в каждое из крыльев в непосредственной близости к объекту регулирования - элерону. Установка СОЭ у нервюры №7 не нарушит конструкции крыла, так как в этом месте оно полое, зато позволит уменьшить длину ремней (см. рис. 4.4). Единственным препятствием для размещения двигателя в этой области может стать несоответствие высоты пары СОЭ и высоты крыла (Н=0,15м). Поэтому в процессе проектирования выполним проверку по этому параметру.Итак, усилие, которое должны развивать СОЭ должно быть не меньше того, которое обеспечивает штатный гидроусилитель:
