автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Модернизация двухдроссельного электрогидравлического усилителя для системы управления вектором тяги

004618640

На правах рукописи

Белоногов Олег Борисович

МОДЕРНИЗАЦИЯ ДВУХДРОССЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ

Специальность. 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ЛЕН 2010

Москва-2010

004618640

Работа выполнена в Головном конструкторском бюро Ракетно-космической корпорации "Энергия" имени С.П.Королёва.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Степан Георгий Александрович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Попов Дмитрий Николаевич кандидат технических наук, доцент Селиванов Александр Михайлович Ведущая организация - ЗАО «ftpcena.fi -207»

Защита состоится "2? " Оаксг^р/_2010 г. в У4Зй часов на

заседании диссертационного совета Д 212.141.02 в Московском Государственном Техническом Университете имени Н.Э.Баумана по адресу: 107005 г. Москва, 2-я Бауманская ул., дом 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени Н.Э.Баумана.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим выслать по указанному адресу.

Желающие присутствовать на защите должны заблаговременно известить совет письмами заинтересованных организаций на имя председателя совета.

Телефон для справок: 2£Ъ-(,Ъ~ЧЭ

Автореферат разослан " " 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы обусловлена тем, что характеристики двухдроссельных электрогидравлических усилителей (ЭГУ) для систем управления вектором тяги (СУВТ) по причине своих конструктивных особенностей могут существенно отличаться от характеристик традиционных ЭГУ. В частности, известное в ракетостроении размещение золотниковых плунжеров в полых вращающихся осях трехшестеренных насосов рулевых машин (РМ), исполняющих роль гильз, в значительной степени влияет на демпфирование золотниковых плунжеров ЭГУ, на пропускную способность их дроссельных окон и на значение гидравлических сил, действующих на золотниковые плунжеры. Такие гидравлические силы практически не были исследованы, что вызывало трудности при создании математических моделей ЭГУ и приводило к ошибкам, как при их проектировании, так и при проектировании систем управления. Поэтому, очень важно иметь наиболее полное знание условий возникновения этих сил и найти способы управления ими. Кроме того, РМ ракетных блоков работают, как правило, в экстремальных условиях эксплуатации, характеризуемых широкими диапазонами изменения температуры окружающей среды и напряжения электропитания. Эти условия эксплуатации искажают характеристики ЭГУ и могут приводить к нештатным ситуациям в СУВТ. Следовательно, несмотря на многолетний опыт применения двухдроссельных ЭГУ, исследования происходящих в них процессов с целью получения математических моделей, адекватных реальным устройствам, при экстремальных условиях эксплуатации, являются актуальными.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы состояла в исследовании рабочих процессов в двухдроссельном ЭГУ современных РМ с разработкой новых методов и средств проведения таких исследований. Результаты исследований были направлены на создание математических моделей и программных средств расчета статических и динамических характеристик двухдроссельного ЭГУ, РМ и СУВТ для нормального и экстремальных условий эксплуатации. Кроме того, исследования были ориентированы на модернизацию двухдроссельного ЭГУ с выработкой рекомендаций по улучшению конструкции золотниковых гидрораспределителей (ГР) ЭГУ для облегчения регулировки РМ и обеспечения СУВТ устройствами, работающими при экстремальных условиях эксплуатации.

Для достижения указанной цели в данной работе решались следующие основные задачи: 1) анализ схемных и конструктивных особенностей двухдроссельного ЭГУ РМ; 2) исследование рабочих процессов, протекающих при функционировании компонентов двухдроссельного ЭГУ РМ; 3) создание подробных математических моделей двухдроссельного ЭГУ РМ, адекватных

реальному, при нормальном и экстремальных режимах эксплуатации; 4) проведение структурно - параметрического синтеза для выбора параметров двухдроссельного ЭГУ, РМ и СУВТ, с учетом гидростатических и гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры ЭГУ, при нормальном и экстремальных режимах эксплуатации; 5) исследование чувствительности РМ к изменению конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ с выработкой мероприятий по модернизации конструкции РМ для облегчения её регулировки.

Методы исследования. При решении перечисленных выше задач в работе использовался математический аппарат для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений при расчетах статических характеристик ЭГУ и РМ, теории решения систем дифференциальных уравнений при расчетах динамических характеристик РМ и СУВТ, методы теории регрессии при аппроксимации получаемых характеристик, методы теории подобия и размерностей в гидромеханике, а также теории автоматического регулирования.

Проверка теоретических результатов осуществлялась путем численных экспериментов с использованием компьютерных моделей и проведением экспериментальных исследований реальных устройств, входящих в состав СУВТ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан и применен метод расчета частотных характеристик СУВТ и её компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время. Согласно разработанному методу процесс интегрирования дифференциальных уравнений математической модели объекта на данной частоте входного моногармонического сигнала производится до тех пор, пока средние вычисляемые значения амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов не станут достаточно постоянными, т.е. до тех пор, пока разности между вновь вычисленными средними значениями амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов и предыдущими значениями этих параметров не станут по модулю меньше наперед заданных числовых значений погрешностей вычислений;

- разработан и применен метод структурно-параметрического синтеза типового узла управления (УУ) ЭГУ РМ заключающийся в экспериментальном определении статических характеристик УУ, определении амплитудных и фазовых частотных характеристик электрической и механической частей УУ при заторможенном и свободном валике электромеханического преобразователя с последующим проведением идентификации параметров по предлагаемой методике. С помощью разработанного метода получены структуры нелинейной и линеаризованной математических моделей УУ и проведена идентификация их параметров;

- разработан и применен метод структурно-параметрического синтеза гидрораспределителя (ГР) ЭГУ РМ заключающийся в экспериментальном исследовании его рабочих процессов и получении аналитических зависимостей математической модели ГР, при этом разработаны и применены новые способы, методы и средства проведения экспериментальных исследований ГР;

- разработана подробная нелинейная математическая модель динамики ЭГУ, учитывающая местные магистральные сопротивления и силы, действующие на его подвижные элементы, при этом путем применения закона сохранения количества движения впервые получены предлагаемые математические модели составляющих этих сил;

- разработаны и применены итерационные методы расчета статических характеристик двухдроссельного ЭГУ, в основу которых положены подробные нелинейные математические модели статики и разработанная модификация метода Зейделя для решения жестких систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений. С помощью применения разработанных методов расчета статических характеристик определены экстремальные режимы эксплуатации ЭГУ;

- разработаны и применены методы структурно-параметрического синтеза ЭГУ, РМ и СУВТ, в результате чего получены упрощенные нелинейных математические модели этих объектов для нормального и двух экстремальных режимов эксплуатации, пригодные для автоматизированного моделирования и анализа;

- разработаны и применены методы расчета статических характеристик РМ, пригодные для подтверждения адекватности её математической модели и исследования влияния конструктивных и регулировочных параметров ЭГУ на статические характеристики РМ;

- исследована чувствительность статических характеристик РМ к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ. В результате проведенных исследований определены пути модернизации ЭГУ для получения требуемых характеристик РМ и СУВТ, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

- метод расчета частотных характеристик СУВТ и её компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время;

- метод синтеза параметров математической модели типового УУ ЭГУ РМ;

- метод синтеза параметров математической модели ГР ЭГУ РМ;

- подробная нелинейная математическая модель динамики двухдроссельного ЭГУ, учитывающая местные магистральные сопротивления и силы, действующие на подвижные элементы ЭГУ;

- итерационные методы расчета статических характеристик двухдроссельного ЭГУ;

- структуры и методы синтеза параметров упрощенных нелинейных математических моделей двухдроссельного ЭГУ и СУВ'Г, а также упрощенная нелинейная математическая модель РМ для нормального и двух экстремальных режимов эксплуатации;

- методы расчета статических характеристик РМ (итерационный метод и метод «автоинтегрирования»);

- результаты исследования чувствительности статических характеристик РМ к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ;

- рекомендации по улучшению конструкции двухдроссельного ЭГУ РМ для СУВТ.

Практическая ценность рабо ты заключается:

- в создании новых устройств ЭГУ РМ, защищенных патентами РФ, применение которых в ракетостроении обеспечивает возможность получения требуемых характеристик РМ и СУВТ, работающих в экстремальных условиях;

- в возможности прогнозировать возникновение автоколебаний в СУВТ ракетных блоков и проводить мероприятия по их устранению;

- в возможности осуществлять экспертную оценку работы СУВТ в процессе эксплуатации.

Использование разработанных математических моделей ЭГУ позволяет повысить адекватность математических моделей РМ и СУВТ, а, следовательно, повысить точность расчетов как статических характеристик РМ, так и динамических характеристик РМ и СУВТ в целом.

Реализация и внедрение результатов работы. Представленные в данной диссертации математические модели ЭГУ применялись при расчетах статических и динамических характеристик РМ и СУВТ в процессе разработки, создания и летных испытаний многоразового транспортного космического корабля «Буран» и разгонных блоков ДМ-БЬ и ДМ-БЬБ, а предложенные новые устройства внедрены в рулевой машине 11Л221К.0-0 РБ ДМ и в модернизированном варианте рулевой машины 11Л221К.0-0 БЬ РБ ДМ-БЬ. Достоверность результатов расчетов, проведенных с использованием математических моделей ЭГУ РМ подтверждена результатами стендовых и летпо-конструкторских испытаний орбитального корабля "Буран" и разгонных блоков ДМ, ДМ-БЬ и ДМ-БЬБ.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно - техническом совете отделения 04 РКК «Энергия», на 9 и на 10 отраслевых научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов в РКК «Энергия», на всесоюзной конференции «Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении» (г. Севастополь, 1990 г.), на международной научно-технической конференции «Гидропневмоавтоматика и гидропривод» (г. Ковров, 1995 г.) и на международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (г. Саратов, 1997 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них: статей -16, при этом одна в рецензируемом журнале "Космонавтика и ракетостроение", патентов на изобретение РФ - 7, тезисов докладов - 1.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Работа содержит 220 страниц машинописного текста, иллюстрированного 70 рисунками на 47 страницах и имеет 36 таблиц на 24 страницах, при этом пять приложений занимают 23 страницы. Список литературы включает 61 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, сформулирована цель работы, изложены пути ее достижения и методы исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту, и приведено краткое содержание диссертационной работы.

Первая глава содержит результаты информационного поиска и анализа схемно-конструктивных решений и особенностей функционирования двухдроссельного ЭГУ. Отмечается, что непосредственное определение коэффициентов сжатия потоков s для дроссельных окон некруглой формы практически невозможно. Кроме этого, приводимые в существующей отечественной и зарубежной научно-технической литературе экспериментальные данные по углам истечения потоков ß весьма отличаются, а иногда и просто противоречат друг другу. Поэтому для их определения возникает необходимость разработки оригинальных методов.

В основу исследований рабочих процессов и разработки математической модели двухдроссельного ЭГУ автором положены:

- принципы комплексного моделирования физических свойств рабочих жидкостей, разработанные автором совместно с М.Н.Жарковым, С.Р.Кристальным,

В.В.Кудрявцевым и В.И.Шутенко и приведенные в работе [13]. Лично автором найдены аппроксимирующие функции и выполнена аппроксимация.

- модификация метода Зейделя для решения жестких систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей статики рулевых машин, электрогидравлических усилителей, их компонентов и рабочих процессов, разработанная автором совместно с М.Н.Жарковым [10]. Лично автором предложены итерационные формулы данной модификации метода и формула оценки точности;

- итерационные методы расчета параметров течений рабочей жидкости в соединительных, дроссельных и запорных элементах РМ, разработанные автором совместно с М.Н.Жарковым, В.В.Кудрявцевым и В.И.Шутенко, приведенные в работе [14]. Лично автором предложены итерационные системы уравнений метода;

- обобщенная математическая модель и методы идентификации параметров электронасосных агрегатов (ЭНА) автономных рулевых машин, разработанные автором совместно с М.Н.Жарковым, В.В.Кудрявцевым и В.И.Шутенко и приведенные в работе [15]. Лично автором разработаны методы идентификации параметров математической модели ЭНА;

- разработанный автором совместно с Д.С. Белицким, М.Н.Жарковым, Ю.А.Зориным, В.В.Кудрявцевым и В.И.Шутенко метод «автоинтегрироваиия» [4] для расчета частотных характеристик СУВТ и её компонентов. В соответствии с этим методом расчет частотных характеристик базируется па численном решении дифференциальных уравнений математических моделей исследуемых объектов при моногармонических входных воздействиях на фиксированных частотах и анализе реакций объектов на эти воздействия методом Фурье. Отличительной особенностью разработанного метода является то, что процесс интегрирования дифференциальных уравнений математической модели объекта на данной частоте входного моиогармонического сигнала производится до тех пор, пока средние вычисляемые значения амплитуды Ас и фазового запаздывания фс выходных сигналов не станут достаточно постоянными, т.е. до тех пор, пока разности между вновь вычисленными средними значениями амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов и предыдущими значениями этих параметров не станут по модулю меньше наперед заданных числовых значений е. Метод позволяет рассчитывать частотные характеристики динамических объектов с заданной точностью и позволяет сокращать время расчетов. Лично автором предложен алгоритм этого метода.

Дается постановка общей проблемы и задач исследований.

Вторая глава посвящена исследованию рабочих процессов в компонентах двухдроссельного ЭГУ. Предлагается метод структурно-параметрического

синтеза узла управления (УУ) ЭГУ, разработанный автором совместно с В.Ю.Григорьевым, М.Н.Жарковым и Ю.А.Зориным [12] (лично автором определены статические характеристики УУ, проведены расчеты динамических характеристик УУ, разработан метод и выполнен структурно-параметрический синтез УУ).

С помощью предлагаемого нового устройства [5, 6], содержащего плоскую модель золотникового ГР, выполненную в масштабе, определяются углы наклона потоков рабочей жидкости в его рабочей и сливной камерах (т.е. перед и за дроссельными окнами прямоугольной и сегментной формы) при различных относительных открытиях дроссельных окон для ламинарного, переходного и турбулентного режимов течения. Конструкция устройства обеспечивает индикацию углов наклона потоков, близких к интегральным не только по величине открытия дроссельного окна, но и по глубине соответствующей камеры.

С помощью нового экспериментально - аналитического способа определения углов истечения потоков рабочей жидкости в сечениях дроссельных окон золотникового ГР [7] определяются зависимости изменения углов истечения потоков, вычисляемых по формуле Р = (Рвх/вх + РВЬ1Х/вых)/0вх + /вь,х)» где Рпхи РВЬ1Х-углы наклона потоков перед и за дроссельным окном; 1ВХ, /вых - глубины камер перед и за дроссельным окном, от относительного открытия дроссельных окон прямоугольной и сегментной формы при стационарных гильзах для ламинарного, турбулентного и переходных режимов течения (смотри рис. 1). Предлагается сплайн-интерполяции-экстраполяции зависимостей углов истечения потоков в сечениях сливных дроссельных окон прямоугольной (Рсп) и сегментной (Рсс) формы от относительного открытия дроссельных окон (% ):

Рс.п = Рл.с.п + ^Кс(Рт.с.п - Рл.с.п) ' Рс.с = Рл.с.с + ^R=(Pt.c.c ~ Рл.с.с) » где Рл с п = sPl(ti ' Угол истечения потока в сечении сливного дроссельного окна прямоугольной формы при ламинарном режиме течения рабочей жидкости; Рлсс ~sPt(%) - угол истечения потока в сечении сливного дроссельного окна сегментной формы при ламинарном режиме течения рабочей жидкости; Ртсп=лР^Х) - угол истечения потока в сечении сливного дроссельного окна прямоугольной формы при турбулентном режиме течения рабочей жидкости; Ртсс = ^(х) ■ угол истечения потока в сечении сливного дроссельного окна сегментной формы при турбулентном режиме течения рабочей жидкости. Коэффициент Krc в зависимости от неполного числа Рейнольдса Re (смотри рис. 2.) определяется следующим выражением:

Рл.С.1

! к \

Ртх^

Рл.С.С

Рт.С* 0,8 0,4

°'-50 0 50 100 X Рис. 1. Зависимости

Рт,.с = Р(Х)и РЛ,.С = Р(Х)

К «.с 0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Р=0,0 0.1Р=0,2

100 300 Ле Рис. 2. Зависимость

°>4 > , , о

10' 102 103 Ке Рис. 3. Зависимости

: = ц(Яе,р)и Ес = с(Ле,р)

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

4М),00 >Р=0,33

иг........

'Ч' 0,664' 0,99

р = 0,2

К 0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

и '=0,с ЮЧ -И),33 1! ¡Х? II;

г*

1/:!! ! /¡И

п '=0,66^=0,99

1 ¡11? = ¥ 1!||!11

'10' 102 103 Яе '10' 102 103 Ле 'ю' Ю2 103 & Рис.4. Зависимости ц = ц(Ле, р,ХУ) для сегментного дроссельного окна

см3/с' 200

-20 0 Ар, кгс/см

-20 0 Ар, кгс/см2 Рис. 5. Поля расходно-перепадных характеристик ЭГУ

...... / Ч'

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

-20 0 Ар, кгс/см

-20 0 бт,см3/с -20 0 2т,см3/с Ь,00 0,10 Я

Рис. 6. Поля гидравлических сил Рис. 7. Зависимость Т = ¥(<;)

Кис —

..при /ее* <100;

лр/(Ле*)...........при 100 < Яе* < 600;

1 .....................при Яе* ^ 600.

Предлагается новый экспериментально - аналитический способ определения безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в прямоугольных и сегментных дроссельных окнах ГР со стационарными гильзами [8, 9]. Приводятся результаты экспериментально-аналитического определения зависимостей коэффициентов расхода и коэффициентов сжатия потоков ес от числа Рейнольдса Не и относительного противодавления рс (смотри рис. 3) и предлагается сплайн-интерполяция-экстраполяция этих зависимостей: \хс = .чр1(Не,рсу, £с = хр1(Ке,рс), С помощью экспериментальной установки исследуется качественное влияние вращения гильз (осей насосов) на углы истечения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах ГР. Предлагается новый экспериментально-аналитический метод определения параметров течения потоков рабочей жидкости в сливных дроссельных окнах золотниковых ГР с вращающимися гильзами [3], с помощью которого впервые определяются зависимости коэффициентов расхода сливных дроссельных окон прямоугольной и сегментной формы цс от числа РейнольдсаЛе, относительного противодавления на выходе рс и комплексного параметра, названного фактором вращения, Ч* (смотри рис. 4), а также углов истечения потоков в них от относительного открытия х> неполного числа Рейнольдса Яе* и фактора вращения :РС = Рс(х, Я.е*) + (к/2 — РУР , а с помощью теоремы размерностей Букингема устанавливаются математические модели этих зависимостей (рис. 7). Предлагаются математические модели и итерационные методы расчета безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых ГР со стационарными и вращающимися гильзами [3].

В третьей главе приводится вывод уравнений подробной нелинейной имитационной математической модели динамического режима работы двухдроссельного ЭГУ [2], пригодной для моделирования его работы в экстремальных условиях эксплуатации, включая уравнение для гидравлической силы . действующей на его трубчатые золотниковые плунжеры ЭГУ. Эта сила представляется в виде суммы гидростатической силы F¡.c, стационарной составляющей гидродинамической силы гдс и нестационарной составляющей гидродинамической силы/?ГДн. т-е. = /•'гс + /Чдс + /^дн! [2], где:

= БАРг! - Рг2$ + 5т2(Р31 ~ Р^У'

^глс —

2 б1{РгГРгЪ)

¿¿¡еп + ^клОЮ/^КЗ) 1=1

25;ьО>г2-.Рз2)

2 С кг./ + ^ кг10 кг/<^кг) 1=1

2^1(рГ2~Рг4)

¿СКЗ./' + ^-кзгОкз/<^кз)

/=|

£ Скг / + ^ кг2 О кг/с? кг) /=1

2/ЯозЦоз1^озРз1С7га(0/2)

/ Еоз1 '

гОТозЦозг^озРзгСО^е/г) Лоз2- 2 Постое! (рр1 --Рг1)Са$(Рос1)

Дос1 +

2«ооЦос1^ос20'р2 - ^г)005^)

' £ос2

/Ггл..-Рг1.г3^ге«г| Р,1.31^2К3| Рг2.г4^гбкг2 + Рг2.з2^збкз2'

здесь рр1,рр2~ давления в рабочих полостях ЭГУ; рг1,рг2,рг3,рг4- давления в

полостях гильз ЭГУ; р^,рз2~ давления в полостях золотников; £т1, 5т2- площади внешней и внутренней торцевых поверхностей золотникового плунжера; площадь проходного сечения отверстия золотникового плунжера; Хкг!. 1кг2 ХК31 > Хю2 - коэффициенты соответственно гидравлических потерь на трение по длине каналов гильз и каналов золотниковых плунжеров;

£кг.1>-'?кгп» ^кз......?пп" соответственно коэффициенты местных гидравлических

сопротивлений, обусловленных изменениями параметров русла каналов гильз и каналов золотниковых плунжеров; 5 кг, 5 кз - площади проходных сечений соответственно каналов гильз и каналов золотниковых плунжеров; 50с1>50с2" площади проходных сечений сегментных дроссельных окон; /кг,/кз- длины соответственно каналов гильз и каналов золотниковых плунжеров; ¿кг,й/кз-диаметры соответственно каналов гильз и каналов золотниковых плунжеров; Якс-значение стороны квадратного сечения канала слива; цос1, цос2- коэффициенты расхода сегментных дроссельных окон; еос,, еос2- коэффициенты сжатия потоков в сегментных дроссельных окнах; £оз1, е0з2" коэффициенты сжатия потоков в отверстиях золотников; ц03,, цоз2 - коэффициенты расхода отверстий золотниковых плунжеров; Роо1, Рос2- углы истечения потоков рабочей жидкости в сечениях

сегментных дроссельных окон золотникового ГР; 2Кг!>6Кг2~ Расх°Ды рабочей жидкости через каналы гильз; бкз1>бкз2" расходы рабочей жидкости через каналы золотников; ¿г- эквивалентная длина демпфирования канала гильзы; £3-эквивалентная длина демпфирования канала золотникового плунжера; Хъ -перемещение золотникового плунжера.

Приводятся выводы уравнений нелинейных математических моделей и предлагаются методы расчета [2] предельной перспадной и расходной характеристик двухдросселыгого ЭГУ РМ для моделирования его работы в экстремальных условиях эксплуатации, заключающиеся в последовательном решении систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений методом, изложенным в работе [10], при изменении командного тока /к от нуля до ¡ктах с шагом при этом при входе в итерационный процесс на каждом следующем шаге по командному току в качестве начальных значений вычисляемых параметров используются значения этих параметров, полученные на предыдущем шаге. Приводятся результаты экспериментальных исследований по определению статических характеристик двухдроссельного ЭГУ РМ [2]. Дается сравнение результатов моделирования и опытных данных, полученных на экспериментальной установке, включавшей рассматриваемый ЭГУ и источник его гидравлической мощности, в режиме нормальных климатических условий (режим НУ) эксплуатации и экстремальных режимах эксплуатации, чем подтверждается адекватность разработанных математических моделей.

В результате экспериментальных и аналитических исследований установлено, что наиболее экстремальными режимами эксплуатации двухдроссельного ЭГУ являются следующие сочетания:

1) температура нормальных климатических условий и повышенное напряжение питания электродвигателя рулевой машины (режим 1Э)

2) пониженная температура и пониженное напряжение питания электродвигателя рулевой машины (режим 2Э).

В четвертой главе излагаются предлагаемые методы структурно-параметрического синтеза двухдроссельного ЭГУ, РМ и СУВТ. Результатами синтеза является создание упрощенных математических моделей этих устройств для нормального и двух экстремальных режимов эксплуатации, учитывающих гидростатические и гидродинамические силы, действующие на золотниковые плунжеры ГР двухдросселыгого ЭГУ [11]. При этом для всех рассматриваемых режимов эксплуатации расходно-перепадные характеристики аппроксимируются полиномами первой степени (смотри рис. 5) [11], а коэффициенты аппроксимации, в свою очередь, аппроксимируются полиномами второй степени. Зависимость

гидравлической силы, действующей на золотниковые плунжеры со стороны обтекающих их потоков жидкости, от перепада давления между рабочими полостями и расхода между ними для нормального и первого экстремального режимов эксплуатации получена в виде функции смещенного гиперболического тангенса (смотри рис. 6), а коэффициенты аппроксимации, в свою очередь, аппроксимируются полиномами четвертой степени. Та же зависимость для второго экстремального режима получена в виде полинома второй степени (смотри рис. 6), как и её коэффициенты аппроксимации. Структуры упрощенных математических моделей двухдроссельного ЭГУ представлены на рис. 8. Приводятся выводы уравнений упрощенных математических моделей РМ с двухдроссельным ЭГУ и упрощенной математической модели СУВТ, построенных на базе уравнения баланса расходов в полостях силового гидроцилиндра РМ [11]. Динамические характеристики РМ рассчитываются предлагаемым методом автоинтегрирования [4]. Обобщенная структура полученной упрощенной математической модели СУВТ с РМ, содержащей двухдроссельный ЭГУ, представлена на рис. 9, а её экспериментальная и расчетная переходные характеристики на рис. 10.

Посредством проведения вычислительных экспериментов с использованием разработанного итерационного метода расчета статических характеристик РМ [16] исследуется чувствительность статических характеристик РМ к изменениям конструкционных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ. В результате экспериментов установлено, что только вариация параметра локальной толщины стенки гильзы в зоне дроссельных отверстий 5Г приводит к одновременному уменьшению тока трогания РМ и уменьшению скоростей движения её штока в рассматриваемом диапазоне командных токов (смотри рис. 11). На основании этого даются рекомендации по улучшению конструкции РМ с двухдроссельным ЭГУ, так как с помощью вариации параметра 5Г можно регулировать зону нечувствительности РМ и угол наклона её скоростной характеристики, т.е. изменять коэффициент усиления РМ, причём без увеличения энергопотребления. Для реализации полученного результата исследований предложены новые конструкционно-технические решения РМ, вращающиеся гильзы золотниковых плунжеров ЭГУ которых в зоне дроссельных отверстий содержат или пазы [17], или кольцевые канавки [18] (смотри рис. 12). Указанные конструкционно-технические решения внедрены в рулевой машине 11 Л221К.0-0 и в её модернизированном варианте, устанавливаемых на разгонных блоках типа ДМ и ДМ-БЬ. Внедрение этих конструкционно-технических решений РМ в производство полностью подтвердило результаты проведенных исследований и существенно облегчило регулировку РМ.

QrUfK^Ap sign(X3)]signуд

Uy UK

Для режимов НУ и 1Э :Fr=ethígQт+hsign(Ap)]-isign(Ap) для режима 2Э : Fl.-Fг0sign(Ap)+Kч £?т+ KяlQ^sigliAp) Рис. 8. Сруктуры упрощенных математических моделей ЭГУ

Ар

W

т г эг

бт

ЬР

к

о

KSu

Ко

TocS+\

Y+Y 'и

v Ki' V

• \ k i t

fil.ll

1 cr. и

т,

Ун

Кп.и

sign

Ун

Рис. 9 Сруктура упрощенной математической модели СУВТ

; III5 = 1,0000

I и i i / i ц/ 8 =0,9375 "8 = 0,8750

I— •j i

кольцевая канавка

0,0 0,5 1,0 1,5/, с Рис. 10. Переходная характеристика СУВТ

0 5 10 15 /к,мА Рис. 11. Влияние 5 на скоростную характеристику РМ

Рис. 12. Варианты усовершенствования конструкции ЭГУ

В приложениях приведены коэффициенты аппроксимации основных физических свойств рабочей жидкости ЛЗ-МГ-2, таблицы значений углов истечения потоков в дроссельных окнах, таблицы значений безразмерных параметров потоков в дроссельных окнах, а также коэффициенты аппроксимации расходно-перепадных характеристик ЭГУ и характеристик зависимостей гидравлической силы, действующей на его золотниковые плунжеры, от расхода между рабочими полостями ЭГУ и перепада давлений между ними.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработан метод расчета частотных характеристик СУВТ с заданной точностью вычислений и за минимальное время, пригодный для проведения расчетов её компонентов.

2. Разработан метод синтеза параметров математической модели типового узла управления ЭГУ РМ и синтезирована его структура.

3. Разработаны новые, защищенные патентами Российской федерации на изобретение, устройства и способы исследования рабочих характеристик золотниковых ГР ЭГУ.

4. Впервые проведены исследования влияние вращения гильз золотниковых ГР на характеристики двухдроссельного ЭГУ, в результате которых установлено, что углы истечения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах вращающихся гильз ЭГУ РМ существенно выше значений углов истечения потоков в дроссельных окнах неподвижных гильз традиционных ЭГУ. По этой причине значения гидравлических сил, действующих на золотниковые плунжеры ЭГУ РМ, оказываются существенно меньшими, чем в традиционных ЭГУ.

5. Разработана теория и методы расчета процессов в двухдроссельных ЭГУ РМ, основанные на математических моделях течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых ГР со стационарными и вращающимися гильзами (осями насосов), а также итерационные методы расчета безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в каналах и трубопроводах ЭГУ и РМ.

6. Разработаны подробные нелинейные математические модели двухдроссельного ЭГУ для расчета динамических и статических характеристик.

7. Разработаны упрощенные математические модели ЭГУ, РМ и СУВТ, а также синтезированы структуры двухдроссельного ЭГУ и СУВТ, пригодные для автоматизированного моделирования и анализа.

8. Разработаны методы расчета статических характеристик автономных однокаскадных РМ (итерационный метод и метод «автоинтегрирования»).

9. Исследована чувствительность статических характеристик РМ к изменениям конструктивных и регулировочных параметров ЭГУ.

Выводы по результатам проведенных в диссертационной работе исследований:

- определена возможность проведения модернизации двухдроссельного ЭГУ для обеспечения требуемых характеристик РМ и СУВТ путем вариации параметра локальной толщины стенки гильзы ЭГУ (оси трехшестеренного насоса) в зоне дроссельных отверстий;

- предложены и внедрены в производство два новых устройства, защищенные патентами Российской федерации на изобретение, позволяющие регулировать величину гидравлической силы, действующей на золотниковые плунжеры двухдроссельного ЭГУ. Внедрение этих устройств в производство позволило получать требуемые характеристики РМ и СУВТ, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, и облегчило регулировку РМ в цехе-изготовителе.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Белоногов О.Б. Исследование влияния конструкционных и регулировочных параметров электрогидравлического усилителя на статические характеристики рулевой машины// Космонавтика и ракетостроение. 2009. Вып. 3 (56). С. 169-173.

2. Белоногов О.Б. Методы расчета статических характеристик двухдроссельных и четырехдросселышх электрогидравлических усилителей //Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2005. Вып. 1.С. 56-99.

3. Белоногов О.Б. Экспериментальные исследования рабочих процессов простейших золотниковых гидрораспределителей рулевых машин // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2005. Вып. 1. С. 25-55.

4. Методы расчета частотных характеристик систем управления вектором тяги ракетных двигателей / О.Б.Белоногов [и др.] // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4. С. 259-284.

5. Устройство для определения углов истечения потоков рабочей жидкости в сечениях дроссельных окон золотникового гидрораспределителя: пат 2220332 РФ / О.Б.Белоногов, заявл. 21.01.2002; опубл. 27.12.2003. Бюлл. № 36.

6. Устройство для определения углов истечения потоков рабочей жидкости в сечениях дроссельных окон золотникового гидрораспределителя: пат. 2262010 РФ /О.Б.Белоногов; заявл. 15.12.2003; опубл. 10.10.2005. Бюлл.№28.

7. Способ определения углов истечения потоков рабочей жидкости в сечениях дроссельных окон золотникового гидрораспределителя: пат. 2329413 РФ

/ О.Б.Белоногов; заявл. 03.03.2006; опубл. 20.07.2008. Бюлл. № 20.

8. Способ определения характеристик безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей: пат. 2220333 РФ/ О.Б.Белоногов; заявл. 23.01.2002; опубл. 27.12.2003. Бюлл. Ns 36.

9. Способ определения характеристик безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей: пат. 2282065 РФ / О.Б.Белоногов; заявл. 26.01.2004; опубл. 20.08.2006. Бюлл. №23.

10. Белоногов О.Б., Жарков М.Н. Модификация метода Зейделя для расчета статических характеристик рулевых машин и электрогидравлических приводов //Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1997. Вып. 1. С. 5-28.

11. Белоногов О.Б., Жарков М.Н. Структурно-параметрический синтез и создание упрощенных математических моделей автономных однокаскадных рулевых машин и их функциональных трактов// Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2005. Вып. 1.С. 100-120.

12. Структурно-параметрический синтез узла управления рулевой машины / О.Б.Белоногов [и др.] // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2005. Вып. 1. С. 3-16.

13. Моделирование физических свойств рабочих жидкостей рулевых машин и гидроприводов / О.Б.Белоногов [и др.] // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1997. Вып. 1.С. 107-117.

14. Итерационный метод расчета параметров течений рабочей жидкости в соединительных трубопроводах, каналах, проточных элементах и клапанах / О.Б.Белоногов [и др.] // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1997. Вып. 1. С. 97-106.

15. Обобщенная математическая модель и методы идентификации параметров электронасосных агрегатов автономных рулевых машин

/ О.Б.Белоногов [и др.] // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4. С. 26-56.

16. Методы расчета статических характеристик автономных однокаскадных двухдроссельных рулевых машин / О.Б.Белоногов [и др.] // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4. С. 132-177.

17. Рулевая машина: пат. 2131827 РФ / О.Б.Белоногов, В.В.Чеканов; заявл. 20.04.1998; опубл. 20.06.1999. Бюлл. № 17.

18. Рулевая машина: пат. 2293687 РФ / О.Б.Белоногов, В.В.Чеканов; заявл. 01.02.2005; опубл. 20.02.2007. Бюлл. № 5.

Подписано к печати 15.11.10. Заказ №658 Объем 1,0 печл. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Введение.

Глава 1. Проблемы моделирования электрогидравлических усилителей рулевых машин ракет.

1.1. Анализ схемных и конструкционных решений двухдроссельных электрогидравлических усилителей рулевых машин.

1.2. Особенности функционирования двухдроссельных электрогидравлических усилителей рулевых машин, проблемы моделирования их рабочих процессов и принципы разработки математических моделей.

1.3. Конкретизация задач исследований.

Выводы к первой главе.

Глава 2. Экспериментально-аналитические исследования рабочих процессов компонентов двухдроссельного электрогидравлического усилителя.

2.1. Исследования рабочих процессов типового узла управления.

2.1.1. Экспериментальные исследования по определению статических характеристик узла управления.

2.1.2. Экспериментальные исследования по определению динамических характеристик узла управления.

2.1.3. Структурно-параметрический синтез узла управления.

2.2. Экспериментальные исследования углов истечения потоков в дроссельных окнах.

2.2.1. Описание экспериментов по определению углов истечения потоков в дроссельных окнах.

2.2.2. Математические модели зависимостей углов истечения потоков в сечениях сливных дроссельных окон от их относительного открытия.

2.3. Экспериментальные исследования процессов течения рабочей жидкости через сливные дроссельные окна при стационарных гильзах.

2.3.1. Теоретические предпосылки исследований.

2.3.2. Описание экспериментов по определению безразмерных параметров течения потоков в дроссельных окнах стационарных гильз.

2.3.3. Математический метод обработки результатов экспериментов со стационарными гильзами.

2.3.4. Математические модели зависимостей коэффициентов расхода и коэффициентов сжатия потоков в сечениях сливных дроссельных окон золотниковых ГР от числа Рейнольдса.

2.4 Экспериментальные исследования процессов течения рабочей жидкости в сливных дроссельных окнах золотниковых ГР с вращающимися гильзами.

2.4.1. Экспериментальные исследования углов истечения потоков рабочей жидкости в движущихся отверстиях.

2.4.2. Гипотеза и описание экспериментов по исследованию процессов течения рабочей жидкости через дроссельные окна вращающихся гильз.

2.4.3. Описание экспериментов по определению безразмерных параметров течения потоков в дроссельных окнах вращающихся гильз.

2.4.4 Математический метод обработки результатов экспериментов с вращающимися гильзами.

2.5. Итерационные методы расчета параметров течения потоков рабочей жидкости в сливиых дроссельных окнах золотниковых ГР.

Выводы ко второй главе.-.

Глава 3. Создание математических моделей двухдроссельного электрогидравлического усилителя для динамического и статического режимов работы, разработка методов расчета статических характеристик и экспериментальные исследования.

3.1. Математическая модель динамики и вывод уравнений гидравлических сил, действующих на золотниковые плунжеры ЭГУ.

3.1.1. Основные допущения.

3.1.2. Математическая модель динамики двухдроссельного

ЭГУ с отрицательным перекрытием.

3.1.3. Вывод уравнения гидравлической силы, действующей на золотниковые плунжеры двухдроссельного ЭГУ.

3.2. Математические модели статики и методы расчета статических характеристик двухдроссельного ЭГУ.

3.2.1. Допущения для статических режимов работы ЭГУиЭУ.

3.2.2. Вывод исходных уравнений математических моделей статических режимов работы ЭГУ и ЭУ.

3.2.3. Математическая модель статики и метод расчета предельной перепадной характеристики двухдроссельного ЭГУ.

3.2.4. Математическая модель статики и метод расчета расходной характеристики двухдроссельного ЭГУ.

3.3. Экспериментальные исследования по определению статических характеристик ЭГУ и сравнение их с результатами моделирования.

3.3.1. Описание экспериментальной установки и обеспечение испытаний.

3.3.2. Описание экспериментов и их результаты, сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными и

В системах управления-движением ракетных блоков и космических летательных аппаратов особое место занимают специальные подсистемы, отвечающие за управление угловым положением камер сгорания или; сопел маршевых двигателей этих изделий в плоскостях стабилизации. Каждая из таких подсистем, получившая название "система управления вектором тяги" (СУВТ), включает в себя два канала управления- или рулевых тракта, содержащих электрические или электрогидравлические рулевые приводы или рулевые машины, устанавливаемые на маршевом, двигателе в плоскостях стабилизации и соединенные или с его камерой сгорания, размещенной в. карданном подвесе, или с его подвижным соплом: В случае применения в СУВТ рулевых, машин, каждый канал управления содержит, как правило, свой блок обратной связщ включающий усилитель, сумматор и фильтр электрических сигналов.

В качестве исполнительных органов СУВТ космических летательных аппаратов и их разгонных блоков (РБ) широкое распространение получили автономные однокаскадные аналоговые рулевые машины. Эти объекты характеризуются высокой надежностью, высоким) быстродействием, малыми габаритами, и массой, а также сравнительно низким значением энергопотребления [22]. Несмотря на большое количество возможных схем реализации электрогидравлических усилителей (ЭРУ), для автономных РМ нашли практическое применение и имеют перспективы развития лишь, не многие из них. Ввиду необходимости обеспечения минимального энергопотребления, минимальной массы и максимальной надежности, наиболее распространенным вариантом реализации ЭРУ в современных РМ является вариант однокаскадного аналогового двухдроссельного ЭРУ с отрицательным . перекрытием, который преобразует маломощные электрические сигналы, поступающие на обмотки электромеханического преобразователя (ЭМП) (поляризованного реле), осуществляющего непосредственное управление положением золотниковых плунжеров гидрораспределителя (ГР), в мощные выходные сигналы в виде потоков рабочей жидкости, направляемые в силовой гидроцилиндр РМ.

Такой способ непосредственного управления золотниками приводит к следующим противоречивым особенностям рабочих процессов ЭГУ:

1) золотниковые плунжеры ЭГУ РМ, как и золотники традиционных гидроусилителей приводов, подвержены действию гидродинамических сил, обусловленных изменением количества движения рабочей жидкости, 1 обтекающей их в процессе функционирования. Эти силы оказывают не только заметное влияние на перестановочные усилия, требуемые для управления положением золотниковых плунжеров, но и в силу своей нестабильности могут являться причиной различных видов неустойчивости и приводить к автоколебаниям, что является нежелательным эффектом;

2) с другой стороны, действие гидродинамических сил на золотниковые плунжеры ЭГУ повышает чувствительность РМ, точность отработки РМ командных сигналов и позволяет снизить энергопотребление РМ при отсутствии командных сигналов; что является эффектом желательным.

Несмотря на достигнутые высокие технические показатели, при эксплуатации РМ с однокаскадными- аналоговьш дроссельными ЭГУ периодически приходится решать проблему обеспечения устойчивости СУВТ из-за возникновения в них высокочастотных (40-60 Гц), а порой и низкочастотных (8-12 Гц)' автоколебаний, обусловленных действием на золотниковые плунжеры ГР ЭГУ гидродинамических сил, величина которых определяется характером и параметрами рабочих процессов ЭГУ и РМ в целом, а также параметрами нагрузки [5,21].

Поэтому очень важно иметь наиболее полное знание об этих силах при проектировании ЭГУ и РМ, так как это позволяет повьюить точность расчетов- параметров золотниковых пар, жесткости плоской нагрузочной пружины ЭМП . и правильно выбрать сам ЭМП, а также другие комплектующие элементы ЭГУ и РМ.

Основной конструктивной особенностью ЭГУ РМ является известное в ракетостроении размещение золотниковых плунжеров в полых вращающихся осях шестеренных насосов РМ, выполняющих роль гильз золотников ГР.

Вследствие этой конструктивной особенности рабочие процессы ЭГУ РМ существенно отличаются от рабочих процессов традиционных гидроприводов, имеющих ЭГУ со стационарными гильзами, поскольку вращение гильз ЗГР в значительной степени влияет на демпфирование золотниковых плунжеров, на пропускную способность их дроссельных окон, а также на величину гидродинамических сил.

Влияние вращения гильз золотниковых ГР на рабочие процессы ЭГУ РМ практически не было исследовано и вызывало трудности создания адекватных математических моделей ЭГУ и РМ, которые могли приводить к ошибкам, как при их проектировании, так и при проектировании рулевых трактов систем управления изделий ракетной техники.

Кроме этого РМ ракетных блоков работают, как правило, в экстремальных условиях эксплуатации, характеризуемых широкими диапазонами изменения температуры окружающей среды и напряжения электропитания. Эти условия эксплуатации искажают рабочие процессы и характеристики ЭГУ и РМ в целом, и поэтому могут приводить к нарушениям управляемости ракетного блока. Поэтому для анализа устойчивости и управляемости ракетного блока требуются математические модели СУВТ, адекватные этим экстремальным условиям [37].

Обычно для построения таких математических моделей применяют методы имитационного моделирования, учитывающие зависимости потерь давления в магистральных элементах гидроагрегатов со встроенной гидроаппаратурой, содержащих местные сопротивления, от режимов течения рабочей жидкости, которые в свою очередь определяются микрогеометрией составляющих элементов и вязкостью рабочей жидкости, существенно изменяющейся в зависимости от температуры [37].

Однако, математические модели при этом оказываются слишком громоздкими и требуют при эксплуатации значительных затрат машинного времени и оперативной памяти, что существенно затрудняет их реальное применение при моделировании динамики ракетных блоков.

Для анализа устойчивости и управляемости РБ, а также для практического управления целесообразно иметь упрощенные математические моделей ЭГУ, РМ и СУВТ, адекватные указанным экстремальным условиям.

Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование рабочих процессов двухдроссельного ЭГУ современных РМ с разработкой новых методов и средств проведения таких исследований. Результаты исследований были направлены на создание математических моделей и программных средств расчета статических и динамических характеристик двухдроссельного ЭГУ, РМ и СУВТ для нормального и экстремальных условий эксплуатации. Кроме того, исследования были ориентированы на модернизацию двухдроссельного ЭГУ с выработкой рекомендаций по улучшению конструкции золотниковых гидрораспределителей (ГР) ЭГУ для облегчения регулировки РМ и обеспечения СУВТ устройствами, работающими при экстремальных условиях эксплуатации.

Для достижения указанной цели в данной работе поставлены следующие основные задачи:

- анализ схемных и конструктивных особенностей двухдроссельного ЭГУ РМ;

- исследование рабочих процессов функционирования компонентов двухдроссельного ЭГУ РМ;

- создание подробных нелинейных имитационных математических моделей динамики и статики двухдроссельного ЭГУ РМ, адекватных нормальному и экстремальным режимам эксплуатации;

- проведение структурно - параметрического синтеза для создания упрощенных нелинейных математических моделей двухдроссельного ЭГУ,

РМ и СУВТ, учитывающих специфику конструкции, а также гидростатические и гидродинамические силы, действующие на его золотниковые плунжеры, для нормального и экстремальных режимов эксплуатации, пригодных для автоматизированного моделирования и анализа;

- исследование чувствительности РМ к изменению конструкционных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ с выработкой мероприятий по модернизации его конструкции для упрощения регулировки РМ.

Для решения поставленных задач в работе использовался математический аппарат для решения систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений при расчетах статических характеристик ЭГУ и РМ, теории решения систем* дифференциальных уравнений при расчетах динамических характеристик РМ и СУВТ, методы теории регрессии при аппроксимации получаемых характеристик, методы теории подобия и размерностей в гидромеханике, а также теории автоматического регулирования.

Проверка теоретических результатов осуществлялась путем численных экспериментов с использованием компьютерных моделей и проведением экспериментальных исследований реальных устройств, входящих в состав СУВТ.

Решение указанных задач позволило получить следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:

- разработан и применен метод расчета частотных характеристик СУВТ и её компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время. Согласно разработанному методу процесс интегрирования дифференциальных уравнений математической модели объекта на данной частоте входного моногармонического сигнала производится до тех пор, пока средние вычисляемые значения амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов не станут достаточно постоянными, т.е. до тех пор, пока разности между вновь вычисленными средними значениями амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов и предыдущими значениями этих параметров не станут по модулю меньше наперед заданных числовых значений погрешностей вычислений;

- разработан и применен метод структурно-параметрического синтеза типового узла управления (УУ) ЭГУ РМ заключающийся в экспериментальном определении статических характеристик УУ, определении амплитудных и фазовых частотных характеристик электрической и механической частей УУ при заторможенном и свободном валике электромеханического преобразователя с последующим проведением идентификации параметров по предлагаемой методике. С помощью разработанного метода получены структуры нелинейной и линеаризованной математических моделей УУ и проведена идентификация их параметров;

- разработан и применен метод структурно-параметрического синтеза гидрораспределителя (ГР) ЭГУ РМ заключающийся в экспериментальном исследовании его рабочих процессов и получении аналитических зависимостей математической модели ГР, при этом разработаны и применены новые способы, методы и средства проведения экспериментальных исследований ГР;

- разработана подробная нелинейная математическая модель динамики ЭГУ, учитывающая местные магистральные сопротивления и силы, действующие на его подвижные элементы, при этом путем применения закона сохранения количества движения впервые получены предлагаемые математические модели составляющих этих сил;

- разработаны и применены итерационные методы расчета статических характеристик двухдроссельного ЭГУ, в основу которых положены подробные нелинейные математические модели статики и разработанная модификация метода Зейделя для решения жестких систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений. С помощью применения разработанных методов расчета статических характеристик определены экстремальные режимы эксплуатации ЭГУ;

- разработаны и применены методы структурно-параметрического синтеза ЭГУ, РМ и СУВТ, в результате чего получены упрощенные нелинейных математические модели этих объектов для нормального и двух экстремальных режимов эксплуатации, пригодные для автоматизированного моделирования и анализа;

- разработаны и применены методы расчета статических характеристик РМ, пригодные для подтверждения адекватности её математической модели и исследования влияния конструктивных и регулировочных параметров ЭГУ на статические характеристики РМ;

- исследована чувствительность статических характеристик РМ к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ. В результате проведенных исследований определены пути модернизации ЭГУ для получения требуемых характеристик РМ и СУВТ, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

В работе автор защищает следующие положения:

- метод расчета частотных характеристик СУВТ и её компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время;

- метод синтеза параметров математической модели типового УУ ЭГУ

РМ;

- метод синтеза параметров математической модели ГР ЭГУ РМ; подробная нелинейная математическая модель динамики двухдроссельного ЭГУ, учитывающая местные магистральные сопротивления и силы, действующие на подвижные элементы ЭГУ; итерационные методы расчета статических характеристик двухдроссельного ЭГУ;

- структуры и методы синтеза параметров упрощенных нелинейных математических моделей двухдроссельного ЭГУ и СУВТ, а также упрощенная нелинейная математическая модель РМ для нормального и двух экстремальных режимов эксплуатации;

- методы расчета статических характеристик РМ (итерационный метод и метод «автоинтегрирования»);

- результаты исследования чувствительности статических характеристик РМ к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ;

- рекомендаций по улучшению конструкции двухдроссельного ЭГУ РМ для СУВТ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан и предложен метод расчета частотных характеристик систем управления вектором тяги и их компонентов с заданной точностью вычислений и за минимальное время, названный методом «автоинтегрирования», согласно которому процесс интегрирования дифференциальных уравнений математической модели объекта на данной частоте входного моногармонического сигнала производится до тех пор, пока средние вычисляемые значения амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов не станут достаточно постоянными, т.е. до тех пор, пока разности между вновь вычисленными средними значениями амплитуды и фазового запаздывания выходных сигналов и предыдущими значениями этих параметров не станут по модулю меньше наперед заданных числовых значений.

2. Разработан и предложен итерационный метод решения жестких систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений математических моделей ЭГУ и РМ, а также их компонентов и рабочих процессов, отличающийся тем, что приближениям неизвестных на каждой итерации присваиваются не значения их вычисленных ошибок, а их предыдущие значения плюс часть ошибки.

3. Разработана структура и предложен метод синтеза параметров узла управления ЭГУ РМ, включающий экспериментальное определение его статических характеристик, а также амплитудных и фазовых частотных характеристик электрической и механической частей узла управления при заторможенном и свободном валике электромеханического преобразователя, и оригинальную методику идентификации параметров.

4. Предложено и применено устройство для определения углов истечения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР, отличающееся плоской прозрачной моделью золотникового ГР, в рабочей и сливной камерах которой с помощью осей и пар растяжных элементов установлены флажковые флюгеры, а также предложен и применен способ определения углов истечения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР, отличающийся возможностью определения углов истечения потоков, близких к интегральным не только по величине открытия дроссельного окна, но и по глубинам рабочей и сливной камер.

5. С помощью нового устройства и нового способа впервые получены экспериментальные зависимости углов истечения встречно-направленных потоков рабочей жидкости сливных дроссельных окон золотниковых ГР от их относительного открытия.

6. Предложен и применен способ определения безразмерных параметров течения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР с неподвижными гильзами, заключающийся в проливке золотникового ГР с одновременным измерением перемещения подпружиненного золотникового плунжера под действием на него гидростатических и стационарных составляющих гидродинамических сил, измерении расхода и перепада давления на золотниковом плунжере с последующим вычислением безразмерных параметров течения потока в дроссельном окне по предлагаемым соотношениям;

7. В результате экспериментальных и теоретических исследований с применением нового способа, впервые определены зависимости коэффициентов сжатия потока в дроссельных окнах ЭГУ прямоугольной и сегментной формы от числа Рейнольдса, а также от относительного значения противодавления на выходе дроссельных окон золотниковых ГР с неподвижными гильзами;

8. Впервые исследовано влияние вращения гильз золотниковых ГР на процессы истечения потоков рабочей жидкости из дроссельных окон золотниковых ГР ЭГУ РМ, в результате чего экспериментально установлено, что углы истечения потоков из дроссельных окон прямоугольной и сегментной формы золотниковых ГР с вращающимися гильзами при одних и тех же условиях существенно больше соответствующих углов истечения потоков из таких же дроссельных окон золотниковых ГР, имеющих неподвижные гильзы. По этой причине значения стационарных составляющих гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры ГР ЭГУ РМ оказываются существенно меньшими, чем в традиционных ГР ЭГУ с неподвижными гильзами;

9 Предложен и применен метод определения безразмерных параметров течения потоков в дроссельных окнах золотниковых ГР с вращающимися гильзами, заключающийся в проливке золотникового ГР при вращении гильзы с одновременным измерением перемещения подпружиненного золотникового плунжера под действием на него гидростатических и стационарных составляющих гидродинамических сил, измерении расхода и перепада давления на золотниковом плунжере, с последующим определением приращения угла истечения потока и вычислением безразмерных параметров потока по предлагаемым соотношениям.

10. С помощью нового экспериментально-аналитического метода впервые определены характеристики зависимостей коэффициентов расхода сливных дроссельных окон прямоугольной и сегментной формы золотниковых ГР ЭГУ РМ от числа Рейнольдса, относительного противодавления на выходе дроссельных окон и комплексного параметра, названного фактором вращения;

11. Предложены итерационные методы расчета параметров течения потоков рабочей жидкости в сливных дроссельных окнах неподвижных и вращающихся гильз двухдроссельных золотниковых ГР ЭГУ РМ, позволяющие более точно и однозначно проводить вычисления этих параметров.

12. В результате экспериментально-аналитических исследований установлено, что реальные углы наклона суммарных векторов скоростей потоков рабочей жидкости, истекающих через дроссельные окна вращающихся гильз, к осям золотниковых плунжеров (углы истечения) в гидрораспределителях электрогидравлических усилителей рулевых машин существенно выше значений, соответствующих неподвижным гильзам, в результате чего значения гидродинамических сил, действующих на их золотниковые плунжеры оказываются существенно меньшими, чем в традиционных электрогидравлических усилителях.

13. В результате экспериментально-аналитических исследований установлено, что вращение золотниковых гильз гидрораспределителей электрогидравлических усилителей рулевых машин приводит к следующим изменениям характеристики зависимости коэффициета расхода дроссельных окон от числа Рейнольдса: к уменьшению в области больших чисел, к увеличению градиента характеристики в области малых чисел и к размыванию локального максимума в области перестройки потока.

14. Разработана новая теория рабочих процессов двухдроссельного ЭГУ РМ, включающая предлагаемые: математические модели поведения углов истечения потоков рабочей жидкости в сливных дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей со стационарными и вращающимися гильзами (осями насосов); математические модели поведения безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей со стационарными и вращающимися гильзами (осями насосов), а также итерационный метод расчета этих параметров; итерационный метод расчета безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в каналах электрогидравлического усилителя и трубопроводах рулевой машины; математические модели гидростатических и гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры гидрораспределителей электрогидравлического усилителя рулевой машины.

15. Разработаны предлагаемые нелинейные математические модели статики и динамики ЭГУ РМ, а также методы расчета их статических характеристик.

16. Путем проведения структурно-параметрического синтеза получены предлагаемые упрощенные математические модели электрогидравлического усилителя, рулевой машины и системы управления вектором тяги.

17. Разработаны и применены методы расчета статических характеристик • автономных однокаскадных дроссельных РМ (метод «автоинтегрирования« и итерационный метод).

18. С применением итерационного метода расчета исследована чувствительность статических характеристик РМ , к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ, в результате чего установлено, что вариацией такого параметра, как локальная толщина стенки гильзы золотникового плунжера в зоне дроссельного отверстия можно управлять величиной гидравлической силы, действующей на золотниковые плунжеры, обеспечивая при этом уменьшение угла наклона скоростной характеристики рулевой машины при одновременном уменьшении её зоны нечувствительности (токов трогания) и наоборот.

19. На основании проведенных исследований чувствительности статических характеристик рулевой машины к изменениям конструктивных и регулировочных параметров двухдроссельного ЭГУ предложены два новых устройства конструкции рулевой машины, защищенные патентами Российской федерации, позволяющие регулировать величину гидравлической силы, действующей на золотниковые плунжеры, и таким образом улучшать выходные характеристики как двухдроссельных электрогидравлических усилителей, так и рулевых машин, а также систем управления вектором тяги, выполненных на их основе.

Все новые научные положения, разработанные автором, подтверждены лабораторными экспериментами, необходимыми расчетами и летными испытаниями орбитального корабля "Буран", ракеты носителя "Союз" и разгонных блоков ДМ-БЪ и ДМ-БЬЕ.

Теоретическое и практическое значение полученных автором результатов состоит в возможности обеспечения требуемой чувствительности и угла наклона скоростных характеристик рулевой машины, возможности прогнозировать возникновение автоколебаний в системах управления вектором тяги ракетных двигателей и вырабатывать мероприятия по их устранению, что позволяет сократить затраты на их отработку, а также проводить экспертную оценку работы СУВТ в процессе эксплуатации.

Полученные в результате проведенных исследований математические модели ЭГУ РМ использованы в процессе разработки, создания и летных испытаний РМ орбитального корабля "Буран", разгонных блоков ДМ-SL и ДМ-SLB в РКК "Энергия", и могут найти применение при разработке рулевых приводов в ракетостроительной и авиастроительной отраслях.

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно - техническом совете отделения 04 РКК "Энергия", на 9 и 10 отраслевых научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов,), на всесоюзной конференции "Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении" (г. Севастополь, 1990 г.), на международной научно-технической конференции "Гидропневмоавтоматика и гидропривод" (г. Ковров, 1995 г.) и на международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (г. Саратов, 1997 г).

По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них: статей - 16, патентов РФ - 7, тезисов докладов - 1.

1. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода/ И.И. Бажин и др..; под общ. ред. С.А. Ермакова. М.: Машиностроение, 1988. 312 с.

2. Альтшуль А.Д. Местные гидравлические сопротивления при движении вязких жидкостей. М.: Гостоптехиздат, 1962. 116 с.

3. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1969. 469 с.

4. Белоногов О.Б. Исследование влияния конструкционных и регулировочных параметров электрогидравлического усилителя на статические характеристики рулевой машины // Космонавтика и ракетостроение. 2009. Вып. 3 (56). С. 169-173.

5. Белоногов О.Б. Исследование гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры рулевых машин / Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении: Материалы междунар. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1997. С. 120-121.

6. Белоногов О.Б. Методы расчета статических характеристик двухдроссельных и четырехдроссельных электрогидравлических усилителей//Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2005. Вып. 1. С. 56-99.

7. Белоногов О.Б. Экспериментальные исследования рабочих процессов простейших золотниковых гидрораспределителей рулевых машин // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2005. Вып. 1. С. 25-55.

8. Способ определения характеристик безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковых гидрораспределителей: пат. 2220333 РФ / О.Б.Белоногов; заявл. 23.01.2002; опубл. 27.12.2003. Бюлл. N 36.

9. Способ определения характеристик безразмерных параметров течения потоков рабочей жидкости в дроссельных окнах золотниковыхгидрораспределителей: пат. 2282065 РФ / О.Б.Белоногов; заявл. 26.01.2004; опубл. 20.08.2006. Бюлл. N 23.

10. Устройство для определения углов истечения потоков рабочей жидкости в сечениях дроссельных окон золотникового гидрораспределителя: пат. 2220332 РФ / О.Б.Белоногов; заявл. 21.01.2002; опубл. 27.12.2003. Бюлл. N36.

11. Устройство для определения углов истечения потоков рабочей жидкости в сечениях дроссельных окон золотникового гидрораспределителя: пат. 2262010 РФ / О.Б.Белоногов; заявл. 15.12.2003; опубл. 10.10.2005. Бюлл. N28.

12. Способ определения углов истечения потоков рабочей жидкости в сечениях дроссельных окон золотникового гидрораспределителя: пат. 2329413 / О.Б.Белоногов, заявл. 03.03.2006; опубл. 20.07.2008. Бюлл. N 20.

13. Белоногов О.Б. Исследование влияния конструкционных и регулировочных параметров электрогидравлического усилителя на статические характеристики рулевой машины // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2009. Вып. 3. С. 71-78.

14. Методы расчета частотных характеристик систем управления вектором тяги ракетных двигателей / О.Б.Белоногов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Сер. XII. Вып. 3-4. С. 259-284.

15. Белоногов О.Б., Жарков М.Н. Модификация метода Зейделя для расчета статических характеристик рулевых машин и электрогидравлических приводов//Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1997. Вып. 1. С. 5-28.

16. Белоногов О.Б., Жарков М.Н. Структурно-параметрический синтез и создание упрощенных математических моделей автономных однокаскадных рулевых машин и их функциональных трактов// Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 2005. Вып. 1. С. 100-120.

17. Методы расчета статических характеристик автономных однокаскадных рулевых машин с двухдроссельным электрогидравлическим усилителем с отрицательным перекрытием / О.Б.Белоногов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1997. Вып. 1. С. 5-28.

18. Итерационный метод расчета параметров течений рабочей жидкости в соединительных трубопроводах, каналах, проточных элементах и клапанах / О.Б.Белоногов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1997. Вып. 1.С. 97-106.

19. Исследование гидродинамических сил, действующих на золотниковые плунжеры четырехдроссельных рулевых машин /О.Б.Белоногов и др.//Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4.С. 57-89.

20. Особенности схемно-конструктивных решений и функционирования электрогидравлических рулевых машин ракет (краткий технико-исторический обзор) / О.Б.Белоногов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4. С. 3-25.

21. Исследование процессов течения рабочей жидкости через дроссельные окна золотниковых гидрораспределителей рулевых машин / О.Б.Белоногов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4. С. 90-123.

22. Обобщенная математическая модель и методы идентификации параметров электронасосных агрегатов автономных рулевых машин / О.Б.Белоногов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4. С. 26-56.

23. Методы расчета статических характеристик автономных однокаскадных двухдроссельных рулевых машин / О.Б.Белоногов и др. //Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1998. Вып. 3-4. С. 132-177.-195- '

24. Демпфирование ударных нагрузок в системе управления вектором тяги орбитального корабля "Буран" / О.Б.Белоногов и др. // Ракетно-космическая техника. Сер. XII. 1996. Вып. 1. С. 111-134.

25. Рулевая машина: пат. 2131827 РФ / О.Б.Белоногов, В.В.Чеканов; заявл. 20.04.1998; опубл. 20.06.1999. Бголл. N 17.

26. Рулевая машина: пат. 2293687 РФ / О.Б.Белоногов, В.В.Чеканов; заявл. 01.02.2005; опубл. 20.02.2007. Бюлл. N 5.

27. Вакина В.В. О влиянии противодавления на коэффициент расхода при истечении жидкостей через дроссельные шайбы малых сечений //Гидропривод и гидропневмоавтоматика. Киев. Техшка, 1968. Вып. 3. С. 74-80.

28. Валивахин С.А. Измерение гидродинамического усилия и угла истечения потока в плунжерной паре с проточным золотником // Вестник машиностроения. 1988. № 11. С. 19-21.

29. Гамынин Н.С. Гидравлический привод систем управления. М. Машиностроение, 1972. 376 с.

30. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/ Т.М.Башта и др.. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1982. 432 с.

31. Гидравлические и пневматические силовые системы управления. Под ред. Дж. Блэкборна и др. (Пер. с англ. Под ред. В.А. Хохлова). М.: ИЛ, 1962.615 с.

32. Динамика нелинейных сервомеханизмов/ Н.С. Горская и др.. М.: Издательство академии наук СССР, 1959. 320 с.

33. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. Изд. 2-е, доп. и переработан. Учеб. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1973. 296 с.

34. Аппаратура объемных гидроприводов: Рабочие процессы и характеристики / Ю.А.Данилов и др.. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.

35. Ермаков С.А. Исследование экстремальных режимов эксплуатации дроссельных гидроприводов // Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. М.: Машиностроение, 1982. Вып. 9. С 37-47.

36. Захаров Ю.Е. К вопросу о гидродинамике золотников // Известия вузов СССР. Сер. Машиностроение. 1960, № 9, с. 45-58.

37. Инженерные исследования гидроприводов летательных аппаратов /Д. Н.Попов * и др.. Под ред. Д.Н.Попова. М.: Машиностроение, 1978. 142 с.

38. Козлов С.Н. Дополнительные потери энергии потока во вращающейся трубке// Труды ВНИИгидромаша. 1969. Вып. 40. С. 39-50. 52.

39. Льюис Э., Стерн X. Гидравлические системы управления. Перевод с англ. М.: Мир, 1966:408 с.

40. Мостеллер Ф., Тьюки Дж. Анализ данных и регрессия: В 2-х вып. Вып. 2 /Пер. с англ. Б.Л. Розовского; Под. ред. и с предисл. Ю.П.Адлера. М.:Финансы и статистика, 1982. 239 с.

41. Мохов И.Г., Попов Д.Н. Границы квазистационарности гидравлических характеристик золотниковых щелей// Изв. вузов. Сер. Машиностроение. 1971, № 6, С. 70-75.

42. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем: Учебник для вузов по специальности "Гидропневмоавтоматика и гидропривод" и "Гидравлические машины и средства автоматики".'- 2-е изд., перераб. и доп. М.Машиностроение, 1987. 464 с.

43. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ / Е.Ю.Малиновский и др.. Под ред. Е.Ю.Малиновского. М. Машиностроение, 19801 216 с.

44. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. Издание пятое. М.: Наука, 1972. 388 с.

45. Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением. М.: Машиностроение, 1968. 140 с.

46. Фомичев М.В. Бирюков О.Я., Чайковский Ю.В. О влиянии противодавления и конфигурации проточной части на расходные характеристики цилиндрических золотников// Авиационная промышленность. 1974. № 4. С. 32-34.

47. Хантли Г. Анализ размерностей. М.: Мир, 1970. 174 с.

48. Чупраков Ю.И. Гидропривод и средства гидроавтоматики. М.¡Машиностроение, 1979. 232 с.

49. Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов/Е.М.Решетников и др.. М.:Машиностроение, 1982. 144 с.

50. Backe W. Systematik der hydraulischen Widerstandsschaltungen in Ventilen und Regelkreisen/ Krausskopf-Verlag GmbH, Mainz, 1974. 223 S.

51. Y.Ikebe, H.Ohuchi. Generalized Formulation of Momentum Theory // Fluidic Quarterly, 1978. № 10. P. 27-46.

52. McCloy. D.: Discharge characteristics of servo valve orifices. Fluid Power International Conference, Olympia 1968. P. 43-50.

53. Palczak. E.: Untersuchungen des Stromungcharakters der Arbeitsflussigkeit in Kanalen des Schieberverteilers. Messungen. Kontrollautomatik (1978) 6. P. 178-179.

54. Palczak. E.: Experimentelles Bestimmen der Durchflubzahl von hydraulischen Wegeventilen/ Maschinenmarkt. 1993 -99 № 88,90,93.

55. Weule. H.: Eine Durchflubgleichung fur den laminar-turbulenten Stromungsbereich, Olhydraulik und Pneumatik 18 (1974) 1, S. 57-67.