Анализ ЭГСП

Сравнительный анализ схем электрогидроусилителей со струйным гидрораспределителем

Анализ патентной и технической литературы, посвященной разработке и исследованию струйных элементов, позволил провести сравнение ЭГУ, использующих в качестве гидравлического каскада усиления струйный гидрораспределитель.

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.

Рис. 1.21. Схемы струйных гидрораспределителей с механическим отклонением струи

 

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:

где Q и Qc - расходы на выходе и входе; dn и dc - диаметры приемного и нагнетательного сопел.

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).
 
Мини-чат
Наш опрос
Кто из преподователей вам нравится больше всего?
Всего ответов: 141
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Форма входа
Поиск
Календарь
«  Декабрь 2018  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31
Архив записей
Друзья сайта
  • Моей любимке
  • Вихреструктура
  • О жизни ...
  • Частные уроки
  • Конструкторский отдел