Рис 1.20. Классификация струйных гидрораспределителей
Из рис. 1.20 классификации видно, что из многообразия конструктивных схем ЭГУ можно выделить пять основных групп, отличающихся способом воздействия на поток рабочей жидкости:
-
непосредственное воздействие на поток жидкости электрическим сигналом (струйные ЭГУ с электрическим управлением);
-
непосредственное воздействие управляющим магнитным полем на струю магнитовязкого рабочего тела (струйные ЭГУ с магнитовязким управлением);
-
воздействие на протекающую струю жидкости волновым полем, излучаемым пьезокристаллом (струйные ЭГУ с ультразвуковым управлением);
-
отклонение струи управления (струйные ЭГУ с гидравлическим управлением);
-
отклонение струи питания введением в поток механических элементов или поворот сопла питания (струйные ЭГУ с механическим управлением).
Струйные ЭГУ с электрическим управлением, в зависимости от конструктивного исполнения, подразделяются на следующие виды:
-
отклонение заряженной и незаряженной струи относительно приемных окон;
-
изменение профиля скоростей в струе без ее отклонения относительно приемных окон.
Наиболее полно группа усилителей с непосредственным электрическим управлением струей жидкости рассмотрена в [16]. В ЭГУ с ультразвуковым управлением используется метод электрострикции. При подведении к металлическим обкладкам пьезоэлемеита, помещенного вблизи струи жидкости, высокочастотного переменного напряжения, кристалл изменяет свои размеры и излучает в окружающее его пространство колебания, так называемый "звуковой ветер". В жидкости создаются завихрения, интенсивность которых зависит от частоты и амплитуды подводимых колебаний, а также от свойств жидкости. Жидкость турбулизируется и давление в приемном канале падает. Принцип прост в реализации, однако при мощном звуковом потоке сказывается кавитация, что ставит предел излучаемой интенсивности ультразвуковых волн. Кроме того, следует отметить нелинейность статической характеристики и потребность в специальной электронной аппаратуре.
Струйные ЭГУ с гидравлическим управлением ("элементы флюидики") используют один из физических эффектов: отрыв струи от стенки канала под действием управляющих струй (эффект Коанда) либо взаимодействие свободных струй между собой.
При большом многообразии конструкций они имеют ряд общих для всех этих элементов недостатков:
-
необходимость применения дополнительных устройств для получения и задания управляющего сигнала, что часто само по себе является проблемой;
-
весьма малый КПД и большой, уровень помех от флуктуации потока, что ограничивает каскадность и возможность получения мощного выходного сигнала;
-
относительно малая крутизна статической характеристики;
-
наличие остаточного давления в приемных каналах;
-
невысокая чувствительность к изменению сигнала управления (порядка 20-25% выходной мощности гидрораспределителя).
В связи с этим "элементы флюидики" не нашли массового применения в системах электрогидравлического следящего привода (ЭГСП).
Механическое управление струей жидкости основано на использовании двух эффектов:
-
изменение эпюры скоростей движения жидкости относительно приемных окон
-
отклонения потока путем введения в струю жидкости механических отклоняющих элементов.
В настоящее время имеется большое число технических решений, направленных па улучшение статических, энергетических и динамических характеристик, а также на упрощение конструкции и обеспечение высокой технологичности струйного гидрораспредслителя с механическим способом управления струей жидкости.
Совершенствование струйного гидрораспределитсля с механическим отклонением струи идет но двум направлениям: создание простой и технологичной конструкции с одновременным улучшением таких показан елей, как надежность и устойчивость, и в направлении улучшения его статических характеристик с возможностью эффективного формирования динамических характеристик.
Ниже рассмотрены основные схемы струйных гидрораспределителей с механическим отклонением потока подвижными элементами при неподвижном нагнетательном сопле.
На рис. 1.21, а представлена схема гидрораспределителя с отклоняющим элементом в виде клина. Сопло 1 неподвижно закреплено в корпусе. Оно формирует струю жидкости, которая в нейтральном положении отклоняющего элемента 2 поступает одинаково в оба приемных сопла 3 и 4. При повороте отклоняющего элемента происходит перераспределение количества рабочей жидкости, поступающей в приемные каналы из сопла нагнетания. В результате на гидродвигателе, подключенном r качестве нагрузки к соответствующим приемным окнам, образуется перепад давления.
Приведенная масса подвижных частей ЭМП в таком усилителе незначительна, однако следует применять ЭМП с повышенной внутренней жесткостью, так как гидродинамическая реакция со стороны струи нагнетания имеет положительный знак, что позволяет получать конструкции ЭГУ с высокой полосой пропускания частот.
Применение отклоняющего элемента в виде клина, наряду с явными преимуществами: простотой и технологичностью конструкции - не позволяет получить хорошие результаты вследствие следующих недостатков:
-
необходимость применения только поворотных ЭМП с большими (несколько градусов) углами поворота;
-
гидродинамическая реакция со стороны струи питания на отклоняющий элемент существенно нелинейная;
-
ухудшение статических и динамических характеристик из-за того, что рабочая жидкость, обтекая отклоняющий элемент, тратит часть своей энергии на преодоление сил трения, на изменение профиля струи и при срыве с крайней точки на вихреобразование и на турбулизацию потока;
-
зона линейности статических характеристик составляет 30^60% от входного сигнала;
-
энергетические характеристики по сравнению с гидрораспределителем типа "струйная трубка" ниже на 30*35% из-за увеличенных потерь.
На рис. 1.21, б показана другая схема отклоняющего элемента. Здесь отклоняющий элемент, выполненный в виде заслонки с рабочим отверстием, испытывает незначительные усилия при его смещении со стороны движущегося потока жидкости. В этой схеме для восстановления давления используется всего около 40% подводимой мощности струи питания, так как часть струи при смещении отклоняющего элемента используется для того, чтобы не происходило сталкивания струи нагнетания со струей, истекающей в сливную камеру.
На рис. 1.21, в показана схема, решающая проблему соосности каналов за счет усложнения отклоняющего элемента. Из преимуществ данной схемы следует отметить: отсутствие взаимодействия втекающей и истекающей струи; сравнительно высокие статические и динамические характеристики; благоприятные условия для передачи энергии струей жидкости при максимальном смещении отклоняющего элемента, так как сопротивление со стороны отклоняющего элемента в этом случае минимально. Но энергетические характеристики у данной схемы, тем не менее, низкие: расход утечек в два раза больше, чем у гидрораспределителя со струйной трубкой.
На рис, 1.21, г приведена схема струйного гидрораспределителя с механическим отклонением струи под воздействием клина, образованного кромками двух цилиндрических отверстий, просверленных под углом друг к другу в подвижном элементе. Преимущество этой схемы в удачной компоновке приемных каналов, позволяющей устранить влияние вытекающей струи на втекающую. В отличие от схемы на рис. 1.21, а, струя в отклоняющем элементе формируется, а не распыляется. Из недостатков необходимо отметить:
-
сложность в обеспечении соосности всех отверстий;
-
увеличенные гидравлические потери при движении рабочей жидкости по отклоняющимся каналам, что приводит к уменьшению коэффициента восстановления давления (р < 0,8);
-
частичное восстановление давления в каналах отклоняющего элемента, происходящее при натекании потока на клин, что вызывает выплескивание части рабочей жидкости на слив и увеличение турбулизации потока;
-
коэффициент восстановления расхода Q < 0,7 + 0,75;
-
необходимость в доводке распределительной перемычки между каналами отклоняющего элемента с целью уменьшения утечек;
-
существенно нелинейная гидродинамическая реакция со стороны потока питания.
Известны схемы струйного гидрораспределителя, где отклоняющий элемент выполнен в виде заслонки [17,51]. При внедрении заслонки в поток питающих струй происходит отклонение одной из них. Эта конструкция имеет следующие недостатки:
статические характеристики имеют существенный гистерезис (до 10% от сигнала управления) из-за эффекта прилипания струи к боковым стенкам отклоняющего элемента;
утечки рабочей жидкости составляют 100% от максимального расхода в исполнительных гидролиниях, что снижает энергетические характеристики;
существенно нелинейный вид гидродинамической реакции и, как следствие этого, возможность появления автоколебаний, особенно при малых смещениях отклоняющего элемента.
Фирмой "Луч" был предложен струйный гидрораспределитель с механическим отклонением струи [51], показанный на рис. 1.21, е. В данной схеме отклоняющий элемент выполнен в виде цилиндрического насадка, обеспечивающего полное отклонение струи питания при сравнительно малом рабочем перемещении. Коэффициенты статических характеристик данной схемы приближаются к коэффициентам струйной трубки. Данная схема струйного гидрораспределитсля в качестве первого каскада усиления широко применяется в мировой практике.
Развитию конструктивных схем гидрораспределителей со струйной трубкой препятствовало мнение об их склонности к автоколебаниям. Эти задачи удалось решить в последние 20 лет, что привело к быстрому росту числа конструкций гидро-и ппевмораспределителей с поворотной струйной трубкой. Несмотря на достаточно широкий спектр серийно выпускаемых промышленных рулевых приводов с поворотной струйной трубкой в гидрораспределителе, известно лить несколько схем таких распределителей [24].
Анализ результатов исследований и методов расчета гидравлических приводов со струйными гидроусилителями
Дальнейшее развитие требований, предъявляемых к летательным аппаратам специального назначения, заставляет вести постоянный поиск путей создания оптимального по мощности, обладающего необходимыми характеристиками малогабаритного легкого привода.
Вопросам теоретического и экспериментального исследования ЭГСП посвящено много работ, основными из которых являются [5,10,23,27,29,34,43,47,49,65]. В них значительное внимание уделено проблемам проектирования ЭГСП с двухкаскадным электрогидроусилителем типа "сопло-заслонка и золотник" для систем управления ЛА с высокими динамическими свойствами. На основании этих разработок выпущен отраслевой стандарт с методикой расчета электрогидравлической рулевой машины такого ЭГУ.
Применения ЭГСП со струйными гидрораспределителями также требует создания методик расчета, основанных на широких теоретических и экспериментальных исследованиях.
Теоретический анализ подобных приводов затруднен из-за ряда специфических особенностей струйного гидрораспределителя:
-
преобразование одного вида энергии в другой;
-
наличие полуограниченных стенками потоков рабочей жидкости;
-
взаимодействие как сопутствующих, так и встречных струй;
-
сложные поля скоростей и давлений в струе;
-
различные режимы течения в струйном гидрораспредслителе;
-
характер взаимодействия отклоняемой струи с обратными струями и с каналами приемной платы.
Экспериментальные исследования высокопапорных струйных гидроусилителей, несмотря па внешнюю простоту струйных элементов, затруднены их малыми размерами и исключительной сложностью явлений в проточной части: наличием эжекции, нескольких типов и форм кавитации и других.
Недостаток информации о закономерностях рабочего процесса и природе явлений в тракте жидкостных струйных элементов и связанные с этим трудности расчета и прогнозирования их выходных характеристик являются основными факторами, сдерживающими более широкое применение струйной техники в приводах и системах управления [51].
Основные публикации по струйной технике посвящены пневматическим элементам [15,16,18,19,31]. Специфика функционирования жидкостных элементов при низких давлениях описана в литературе [26,27].
Расчету местных сопротивлений, к которым относится струйная трубка, уделено внимание в работах [16,22]. В них отмечается уменьшение коэффициента сопротивления конического насадка с углами 20°...300м, показано, что коэффициент расхода насадка не превышает 0,93.
Несмотря на то, что экспериментально [40] отмечено затягивание ламинарного режима течения в конических сходящихся насадках до чисел Рейнольдса, достигающих 6350, в работах [7,51] отмечается выравнивание эпюр скоростей по сечению потока в сходящихся каналах. Большие градиенты наблюдаются только непосредственно около стенки.
В высоконапорных струйных трубках имеет место развитое турбулентное течение при высоких числах Рейнольдса [37] (обычно Re>104) и коэффициент расхода равен 0,98 [51].
В общем случае затопленные струи, распространяющиеся в камере ограниченных размеров, не являются свободными [31]. Однако в работе [51] было сделано предположение, что при рациональной конструкции струйного элемента струя при определенных допущениях может рассматриваться как свободная. Для низконапорных струйных усилителей это было экспериментально подтверждено [4] замером полей скоростей струи. Для высоконапорных струйных усилителей отмечено Также [51], что при высоких числах Рейнольдса относительное влияние вторичных потоков в камере ограниченных размеров на процесс распространения струи может оказаться незначительным, и струя может рассматриваться как свободная.
Качество работы струйного элемента в установившихся режимах принято оценивать с помощью трех видов статических характеристик: входной, выходной и характеристики переключения по давлению и расходу.
Эффективность рабочего процесса оценивается по коэффициентам восстановления расхода, давления и мощности и по коэффициентам усиления.
В работах приведены выходные (нагрузочные) характеристики элемента "сопло-сопло", работающих при низких давлениях питания, в виде полиноминальных зависимостей по степеням расхода нагрузки. Работы [7, 36,3^,51] посвящены анализу влияния геометрических и конструктивных параметров струйных элементов на их характеристики. Приведены уравнения для расчета характеристик элемента "сопло-сопло" при различных соотношениях параметров питающего и приемного сопл. Проведена экспериментальная проверка расчетных зависимостей, даны практические рекомендации по выбору геометрических параметров элементов.
Так для идеальной жидкости в первом приближении формула расхода на выходе имеет вид:
Результаты расчета совпадают с результатами экспериментов при небольших расстояниях между срезами сопла и приемного канала и малых соотношениях диаметров сопел.
где р, рп - давления на выходе и входе.
Выражение нагрузочной характеристики струйного элемента "сопло-сопло" имеет вид:
Результаты расчета нагрузочной характеристики совпадают с экспериментальными данными при небольших расстояниях между срезами питающего сопла и приемного канала и малых соотношениях диаметров их отверстий.
Максимальное давление на выходе при небольших расстояниях между срезами сопла и приемного канала определяется следующим образом:
Эта формула справедлива при расстояниях, меньших начального участка основной струи. При больших расстояниях предлагается зависимость
где
- относительная скорость на оси струи.
леооходимо отметить, что, несмотря на большое количество публикаций и накопленный опыт исследований, отсутствует обобщенный анализ характеристик струйных элементов. Расчетные зависимости имеют узкие пределы применимости и содержат большое число эмпирических постоянных. Особенно это отражается на задаче взаимодействия затопленной струи с приемным соплом, подключенным к нагрузке.
Результаты исследования струйного элемента "сопло-сопло" приведены в работах [7,51]. Даны расчетные формулы для определения давления в приемном канале при работе струйного элемента на "глухую" и "проточную" камеры. Для получения максимального восстановления давления в приемном канале рекомендуется выполнять приемный канал диаметром dn = (0,85,..0,9) -dc. В работе [37] с точки зрения максимальной передачи энергии это соотношение следует выполнять в виде dn=l,33dc (к сожалению, выводы основаны на экспериментальных данных при постоянном, равном Н - 3d , расстоянии между соплами проточного струйного элемента). Это соотношение (dn=l,33dc) близко по значению с данными лаборатории динамического анализа и регулирования Массачусетского технологического института. В работе 27 на основании теоретических и экспериментальных исследований рекомендованы следующие оптимальные соотношения размеров сопел струйных гидроусилителей: dn =2,5dс, Н = 2dc. В работе [47] также на основании обширных теоретических и экспериментальных исследований показано, что оптимальные энергетические характеристики струйного гидрораспределитсля достигаются при конструктивных параметрах dn=1,15dc и Я = (0...0,5)dс.
Эти противоречивые рекомендации связаны с тем, что авторы работ исследования свои проводили в узкой области варьируемых параметров. Как следствие этого, максимальный коэффициент полезного действия струйного гидрораспределителя на основании приведенных в указанных работах данных находится в пределах (0,274-0,38). Хотя известно, что некоторые серийно выпускаемые электрогидроусилители со струйными гидрораспределителями имеют КПД, равный 0,45.
Анализ литературных материалов, весьма ограниченных, посвященных исследованию внешних характеристик и влияния на них геометрических параметров струйных элементов, показывает, что работы, характеризующие малоразмерные гидравлические струйные элементы высокого давления, содержат противоречивые рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров. Обобщая результаты исследований в этой области, можно в качестве факторов, влияющих на выбор максимального коэффициента передачи энергии в струйном элементе, определить следующие:
-
давление питания;
-
давление слива;
-
соотношение между диаметрами напорного и приемного сопл;
-
расстояние между соплами;
-
вязкость рабочей жидкости;
-
конфигурация сопл (длина и толщина стенки на срезе сопла).
