1.5 Разработка рулевого привода

Необходимо спроектировать рулевой привод, обеспечивающий воспроизведение управляющих сигналов в полосе частот от 28 с^-1 до 91 с^-1 и амплитуд до 15° угла поворота рулей с фазовым сдвигом 15°±13°. Процесс разработки привода представлен на схеме рис. 1.6.

Разработка малогабаритной танковой управляемой ракеты накладывает существенные ограничения на габариты и массу рулевого привода. Кроме того, в настоящее время не менее актуальна разработка технологичных, выполненных из отечественных недефицитных материалов и, следовательно, имеющих низкую себестоимость рулевых приводов. Габариты и масса РП существенно зависят от потребной выходной мощности и определяются применяемыми типом и структурой системы привода. Для пропорционального закона управления рулевыми органами наименьшие габариты обеспечиваются при применении автоколебательной системы привода с двухпозиционным управлением (рис. 1.7).

В качестве привода управляемой ракеты выбран воздушно-динамический рулевой привод со струйным распределительным устройством.

Воздушно-динамический РП не требует специального источника питания, габариты которого в значительной степени зависят от времени работы и мощности привода.

Рис. 1.6 Алгоритм разработки рулевого привода

Рис. 1.7 Автоколебательная система привода с двухпозиционным управлением

Для воздушно-динамического привода характерно согласование действующих шарнирных нагрузок с развиваемым приводом моментом, а также скорости вращения по крену со скоростью перемещения рулей, вследствие чего по времени полёта обеспечивается практически постоянный фазовый сдвиг на частотах вращения ракеты по крену.

Стабильность динамических характеристик ВДРП по времени управляемого полёта ракеты позволяет расширить допуски на конструктивные параметры рулевых приводов, работающих на традиционных источниках питания: сжатом газе высокого давления, горячем пороховом газе, электрической энергии.

Выбранное распределительное устройство типа "струйная трубка" позволяет применить управляющий электромагнит поворотного типа, надёжный в работе при внешних воздействующих факторах. Нагрузка на управляющий электромагнит с распределительным устройством типа "струйная трубка" незначительна. Динамические характеристики управляющего электромагнита практически не зависят от величины входного давления.

Проектирование автоколебательной системы ВДРП проводится по математической модели параметрической идентификации:

- уравнение суммирующего устройства:

- уравнение корректирующего фильтра:

- уравнение релейного элемента усилителя:

- уравнение релейного элемента усилителя:

- уравнение управляющего электромагнита:

, где

- уравнение исполнительного двигателя:

где

Расчёт обобщённых и конструктивных параметров производится для режима наихудших энергетических возможностей, который соответствует максимуму отношения потребной мощности к развиваемой при отработке гармонического сигнала с амплитудой ?₀ и частотой при шарнирной нагрузке, имеющей пружинный характер, т. е. из условия минимума энергетической функции привода:

где - частота вращения ракеты, рад/с;

- момент шарнирной нагрузки, Н•м;

- газодинамическая функция режима течения (рис. 1.8);

- величина избыточного давления, Па;

- температура окружающей среды, К;

t - время полёта, с.

Режим наихудших энергетических возможностей соответствует полёта при температуре (рис. 1.9). Для указанного режима значения параметров следующие:

- число маха М ………………………………………………………1.17;

- момент шарнирной нагрузки ………………………-0.937;

- избыточное давление ………………………………..1.22?10⁵;

- частота вращения по крену ……………………………..9.3±1.9.

Рис. 1.8 График зависимости числа Y от величины избыточного давления.

Рис. 1.9 Энергетическая функция привода

Значение выбирается из условия обеспечения фазовой частотной характеристики разомкнутого контура, близкой к заданному номинальному значению при возникновении ограничений выходной координаты силовой части привода. При таком значении ? обеспечиваются меньшие фазовые сдвиги, чем при расчёте ? по минимуму расхода, но расход рабочего тела через систему увеличивается, что в случае применения воздушно-динамического привода не является ограничением для проектирования.

Максимальный развиваемый момент определяется по зависимости:

Значение произведения площади поршня на плечо кинематической передачи определяется по зависимости:

где

Потребная скорость для обеспечения отработки гармонического сигнала рассчитывается по формуле:

где

Рис. 1.10 График зависимости числа ? от величины избыточного давления

Структура и параметры автоколебательной системы воздушно-динамического привода определяются для режима наихудших фазовых сдвигов, соответствующего максимуму энергетической функции при нагрузке, имеющей характер перекомпенсации, то есть режима (рис. 1.11). Для указанного режима значения параметров следующие:

- число маха М ……………………………………………………..0.894;

- момент шарнирной нагрузки ………………………..0.265;

- избыточное давление ………………………………0.667?10⁵;

- частота вращения по крену ……………………………….7.8±2.

Рис. 1.11 Энергетическая функция привода

Рассчитаем структуру и параметры автоколебательной системы ВДРП на соответствующего режима:

а) рассчитывается допустимая минимальная частота автоколебаний из условия обеспечения разноса рабочей частоты ?₀ и частоты автоколебаний ?_а:

, где

б) рассчитывается фазовый сдвиг ?_n и амплитудная характеристика A_n исполнительного двигателя на рабочей частоте и частоте автоколебаний.

Рис. 1.12 Структурная схема исполнительного двигателя РП

Рассчитаем максимальную скорость на этом режиме, исходя из ?_m на предыдущем:

,

где .

.

Тогда новое ?_m примет значение:

,

где .

Из рис. 1.13 определим фазовые сдвиги и величины амплитудной характеристики исполнительного двигателя РП на рабочей частоте и частоте автоколебаний.

Для данного режима определены соответствующие значения:

в) определяется время эквивалентного запаздывания управляющего электромагнита:

где - фазовый сдвиг нелинейного элемента на частоте ,

;

 - фазовый сдвиг корректирующего фильтра на частоте автоколебаний, выбираемый при первой итерации равным нулю.

Рис. 1.13 Амплитудно-фазовая частотная характеристика исполнительного двигателя рулевого привода

г) рассчитываются фазовые характеристики разомкнутой и замкнутой автоколебательной системы воздушно-динамического привода.

Фазовая характеристика разомкнутой системы рассчитывается по следующей формуле:

где

- фазовый сдвиг исполнительного двигателя РП,

- фазовая характеристика управляющего электромагнита (рис. 1.15),

- фазовый сдвиг корректирующего фильтра (рис. 1.14),

- фазовый сдвиг нелинейного элемента, .

Фазовая характеристика замкнутой системы:

,

- амплитудная характеристика разомкнутой системы.

где

При необходим фильтр с ослаблением амплитудной характеристики на частоте автоколебаний:

где

Рис. 1.14 Амплитудно-фазовая частотная характеристика корректирующего фильтра

Рис. 1.15 Фазовая характеристика управляющего электромагнита

Фазовая характеристика разомкнутой системы воздушно динамического рулевого привода представлена на рис. 16, замкнутой - на рис. 1.17.

Рис. 1.16 Фазовая характеристика разомкнутой системы ВДРП

Рис. 1.17. Фазовая характеристика замкнутой системы ВДРП