16510

Изучение назначения, устройства, принципа действия и характеристик газореактивных исполнительных устройств систем автоматического управления ЛА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 Изучение назначения устройства принципа действия и характеристик газореактивных исполнительных устройств систем автоматического управления ЛА. 1.Цель работы. Изучение назначения устройства принципа действия и характеристик газо

Русский

2013-06-22

2.9 MB

5 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Изучение назначения, устройства, принципа действия и характеристик

газореактивных исполнительных устройств систем автоматического управления ЛА.


1.Цель работы.

Изучение назначения, устройства, принципа действия и характеристик газореактивных исполнительных устройств

Задание.

1. Построить классификацию газореактивных исполнительных устройств систем автоматического управления ЛА.

2. Изучить номенклатуру, назначение, устройство, принцип действия и конструкции исполнительных устройств систем автоматического управления ЛА.

3. Изучить характеристики данных устройств – динамические, статические. На основе предлагаемой программы провести математическое моделирование работы  и а также исследование влияния конструктивных параметров на динамические характеристики привода.

Построить классификацию исполнительных устройств систем автоматического управления ЛА.


Анализ существующих схемных реализаций газореактивных исполнительных устройств двухстороннего и одностороннего действия.

 

В настоящее время ГИУ находят широкое применение в системах управления ЛА, системах стабилизации орбиты космических ЛА, в системах коррекции траектории ЛА. Известны сотни конструктивных реализаций ГИУ. Тип конструктивной реализации, ее сложность, а, следовательно, и стоимость, определяются различными факторами: назначением, условиями применения, режимом работы, характером рабочего тела, характеристиками и т.п. Разработка методики синтеза ГИУ должно базироваться на результатах анализа существующих схемных реализаций газореактивных исполнительных устройств: двухстороннего и одностороннего действия, характерных для класса ЛА, особенности которого оговорены во Введении данного отчета. Анализ проведен на основе научно-технических публикаций и на основе анализа опыта совместных разработок Тул ГУ и ФГУП «ГНПП СПЛАВ» г. Тула и «Конструкторского бюро машиностроения» г. Коломна.

В основу классификации исполнительных устройств ГССУ могут быть положены следующие признаки:

  •  количество создаваемых управляющих усилий;
  •  характер преобразования управляющих сигналов;
  •   количество каскадов и тип используемых газораспределительных устройств.

ГИУ могут создавать управляющие усилия в одном или двух противоположных направлениях. В соответствии с этим признаком ГИУ делятся на односторонние и двухсторонние. Для создания управляющих усилий в трех или четырех направлениях используются несколько одно или двухсторонних ГИУ.

По характеру управляющих сигналов ГИУ делятся на устройства непрерывного, релейного действия и импульсные. ГИУ непрерывного действия создают усилие, пропорциональное величине управляющего сигнала. В таких устройствах, как правило, применяются электромеханические преобразователи (ЭМП) с линейным усилителем мощности и поляризованным электромагнитом (ЭМ).

ГИУ релейного действия создают управляющие усилия одного или нескольких заданных уровней. Для управления работой таких ГИУ применяются ЭМП нейтрального типа с релейным усилителем мощности.

Особый класс составляют импульсные ГИУ, предназначенные для создания одного управляющего импульса. Импульсное ГИУ представляет собой неуправляемый микродвигатель реактивного действия с автономным источником газа.

По количеству каскадов газораспределительных устройств ГИУ делятся на однокаскадные, двухкаскадные и многокаскадные. В однокаскадных ГИУ регулирующий орган, управляющий работой газового реактивного двигателя приводится в движение с помощью электромагнита. Для управления значительными газовыми потоками используются двухкаскадные газораспределительные устройства (ГРУ). В таких устройствах регулирующий орган приводится в движение газовым двигателем, работой которого управляет однокаскадное ГРУ.

По типу регулирующего органа однокаскадные ГРУ делятся на клапанные, золотниковые, струйниковые, дефлекторные и др. ГРУ обеспечивают управление на входе, на выходе и на входе и выходе. В первом случае изменяется только площадь впускного отверстия в предсопловую полость, во втором - только выпускного, а в третьем - одновременно впускного и выпускного отверстий в газовый двигатель.

К элементам струйной техники относятся струйные усилители, различных типов: кромочные, бистабильные, вихревые и другие[12] . Элементы струйной техники позволяют управлять работой реактивного двигателя без введения в поток газа механических подвижных деталей. Однако существенные волновые потери полного давления в сверхзвуковых струйных усилителях приводят к значительным затратам газа для создания управляющих усилий. Поэтому они применяются в автономных газореактивных САУ большой мощности, в которых в качестве рабочего тела используется газ высокой температуры и в системах управления вектором тяги основного двигателя ЛА. Газораспределители со струйными усилителями могут быть одно- и многокаскадными. Классификация устройств и принцип действия основных элементов струйной техники рассмотрены в работе [12]. На практике применяются также многокаскадные газораспределители, представляющие собой комбинацию элементов струйной техники, газораспределителей с подвижными деталями и газовых двигателей различных типов.

В однокаскадных односторонних ГИУ управляющее усилие создается односторонним газовым двигателем реактивного действия, включающим сопло и предсопловую полость. Для управления газовым потоком, поступающим в предсопловую полость, используется однокаскадное газораспределительное устройство, регулирующий орган которого приводится в движение электромагнитом. В односторонних ГИУ наиболее часто применяются клапанные газораспределители с электромагнитами втяжного типа. На рис. 2.1.1 изображены схемы таких ГИУ. Применяемые в однокаскадных ГИУ клапанные газораспределители могут иметь регулирующий орган прямого или обратного хода, которые под собственным воздействием газа перемещаются соответственно в направлении открытия (рис. 2.1.1а, б, д) или закрытия (рис. 2.1.1в, г) клапана.

По характеру выполняемой коммутационной задачи клапанные газораспределительные устройства могут быть нормальнооткрытыми    и нормалънозакрытыми. В нормальнооткрытых газораспределительных устройствах при обесточенной обмотке электромагнита впускное отверстие в предсопловую полость открыто. В нормальнозакрытых газораспределительных устройствах при обесточенной обмотке электромагнита регулирующий орган полностью перекрывает впускное отверстие. При подаче управляющего сигнала движение регулирующего органа происходит под действием:

  •  силы, создаваемой электромагнитом;
  •  силы, создаваемой электромагнитом и силы воздействия газа на регулирующий орган;
  •  силы, создаваемой электромагнитом и пружиной.

При обесточивании обмотки электромагнита движение регулирующего органа происходит в первом случае под воздействием на него газа или под воздействием газа и силы, создаваемой пружиной. Во втором случае движение регулирующего органа происходит под действием пружины, а в третьем – под действием на него газа.

  а)      б)                в)

                                     

г)      д)

Рис. 2.1.1 Однокаскадные ГИУ одностороннего действия

1-ЭМП, 2-предсопловая камера, 3-сопло

Для уменьшения влияния изменения давления в источнике питания на динамические характеристики ГИУ используют односторонние газовые устройства разгрузки якоря электромагнита по давлению газа, у которых рабочие полости постоянно сообщены  с предсопловой камерой (рис. 2.1.1д). Следует отметить, что в ГИУ с управлением на входе и выходе (рис. 2.1.1 ж) предсопловая полость при закрытии клапана опорожняется быстрее, что способствует уменьшению импульса последействия ГИУ. В ГИУ с управлением на входе (рис. 2.1.1 б,г) газ из предсопловой полости при закрытии впускного отверстия сбрасывается через сопло.

В однокаскаскадных двухсторонних ГИУ управляющее усилие равно разности противоположно направленных сил, создаваемых либо двумя односторонними двигателями реактивного действия, либо одним двухсторонним. Для управления работой двигателей используются два односторонних газораспределителя или один двухсторонний газораспределитель. В первом случае перемещение регулирующих органов осуществляется при помощи двух электромагнитов, которые могут работать независимо один от другого. Для этого, как правило, используются электромагниты втяжного или поворотного типов с одной обмоткой управления (односторонние ЭМП). Во втором случае перемещение одного или двух регулирующих органов осуществляется при помощи одного электромагнита, имеющего две управляющие обмотки (двухсторонние ЭМП).

ж

Рис. 2.1.2 Схемы однокаскадных ГИУ двухстороннего действия:

а – с поворотными соплами и клиновидным дефлектором;

б – с ГР «струйная трубка»; в, г – с золотниковыми ГР; д – с крановыми ГР;

е – с клапанными ГР, ж – ГИУ с посадкой регулирующего органа на седло, расположенное в зоне критического сечения.


Схемы ряда конструктивных разновидностей однокаскадных двухсторонних ГИУ показаны на рис. 2.1.2. Однокаскадное ГИУ с поворотными соплами (рис. 2.1.2 а) имеет в своем составе передающие трубки 1, приемную трубку 2, поворотные сопла 3 и кинематическую передачу 4. Передающая и приемные трубки образуют элемент «трубка-трубка», предназначенный для передачи мощности газового потока от неподвижной передающей трубки к вращающейся приемной без герметизации подвижного соединения деталей. Направление создаваемой реактивной силы определяется углом разворота сопел. Для повышения эффективности работы ГИУ на выходе сопла устанавливается клиновидный дефлектор 5. Он состоит из двух плоских открытых сверхзвуковых сопел, увеличивающих боковое управляющее усилие за счет газодинамического воздействия на поверхность дефлектора струи газа.

Поворотное сопло, имеющее в данном случае сужающуюся форму, и дефлектор образуют клиновидный газораспределитель с отклоняющейся струей и неподвижным дефлектором.

Однокаскадное ГИУ со струйниковым распределителем (рис. 2.1.2б) включает в себя элемент «трубка-трубка» 1, струйник 2, приемные каналы 3, рабочие полости 4 и сопла 5. В некоторых конструкциях ГИУ между соплом и приемным каналом имеется изогнутый соединительный канал, а рабочая полость отсутствует. При отсутствии управляющего сигнала струйник находится в нейтральном положении. При этом давление газа в полостях и тяговые усилия каждого сопла одинаковы. При отклонении струйника давление в одной из полостей увеличивается, а в другой - уменьшается. Управляющее усилие такого ГИУ равно разности тяговых усилий каждого сопла.

Однокаскадные ГИУ позволяют получать относительно небольшие управляющие усилия. Для создания значительных управляющих усилий необходимы газораспределители с большими проходными сечениями отверстий впуска и выпуска. Это приводит к существенному увеличению массы подвижных деталей и силового воздействия газа на регулирующий орган. Поэтому в условиях жестких ограничений на габариты, массу электромагнита и величину потребляемого тока, как правило, не удается разработать однокаскадные ГИУ большой тяги с высокими динамическими характеристиками. В этом случае используются двух- и многокаскадные ГИУ (рис. 2.1.4).

В двухкаскадных ГИУ для управления газовыми потоками, протекающими через реактивные двигатели, применяются двухкаскадные газораспределительные устройства. В состав указанных устройств входят:

  •  выходной газораспределитель, управляющий работой двигателя реактивного действия и образующий с ним выходной каскад исполнительного устройства;
  •  газовый двигатель, приводящий в движение регулирующий орган выходного газораспределителя;
  •  однокаскадное газораспределительное устройство, управляющее работой газового двигателя.

Газовый двигатель и управляющее его работой газораспределительное устройство составляют предварительный каскад двухкаскадных газораспределительных устройств, который часто называют газовым приводом регулирующего органа ГИУ. В зависимости от способа управления газовые привода регулирующего органа ГИУ подразделяются на:

  •  газовые приводы с управлением на входе;
  •  газовые приводы с управлением на выходе;
  •  газовые приводы с управлением на входе и выходе.   

По характеру воздействия газа на механические подвижные детали различают газовые приводы статического, реактивного, активного действия и комбинированные (рис. 2.1.3).  В газовых приводах реактивного действия направление силы, под действием которой перемещается регулирующий орган, зависит от направления вытекания газа, а в приводах активного действия - от направления втекания газа.


Рис. 2.1.3 Типовые воздействия газа на подвижные детали газовых двигателей:

а – статическое; б – реактивное; в – активное; г – комбинированное.

Наиболее часто используются приводы статического действия поршневого, мембранного и сильфонного типов. Газовые приводы могут быть одностороннего и двухстороннего действия. Односторонние газовые приводы могут перемещать регулирующий орган только в одном направлении. Возвратное движение происходит под воздействием газового потока на регулирующий орган. Приводы двухстороннего действия имеют две рабочие полости и перемещают подвижные детали газораспределителя в двух направлениях.

На рис. 2.1.4 показан в качестве примера ряд конструктивных схем двухкаскадных односторонних и двухсторонних ГИУ.

                    а      б           в

Рис. 2.1.4.Двухкаскадные ГИУ  одностороннего действия


Двухкаскадные ГИУ делятся на две группы. К первой группе относятся ГИУ, в которых отсутствует вспомогательная полость (рис. 2.1.4а). В таких устройствах предельные значения давления в предсопловой полости оказываются ограниченными. Это обусловлено тем, что с увеличением давления питания значительно возрастает время выключения ИУ. Ко второй группе относятся ИУ, содержащие вспомогательную полость (рис. 2.1.4б).

Это позволяет обеспечить давление газа в предсопловой полости близким к давлению питания и уменьшить за счет этого габариты и массу устройства.

Наиболее простую конструкцию имеют ГИУ, с посадкой регулирующего органа на седло, расположенное в зоне критического сечения (рис.2.1.4.в). Устройства такого типа позволяют эффективно применять управление «на выходе» движением регулирующего органа.

Предварительный анализ существующих конструктивных схем ГИУ показывает, что наиболее целесообразным представляется применение следующих трех типов устройств.

  1.  Двухкаскадного ГИУ со сферическим затвором устройства управления и управлением давлением в предсопловой полости «на входе».
  2.  ГИУ с подвижным соплом.
  3.  Двухкаскадного ГИУ с управлением давлением в предсопловой полости «на выходе». В данной схеме выключение двигателя осуществляется при перемещении затвора устройства управления на седло, расположенное в зоне критического сечения сопла.

Расчетная сема двухкаскадного ГИУ со сферическим затвором устройства управления и управлением давлением в предсопловой полости «на входе» представлена на рис. 2.2.2.


Рис. 2.2.2 Схема ГИУ со сферическим затвором.

Устройство состоит из предсопловой полости 1, с размещенным в ней сферическим затвором 2, газового привода затвора 3, газораспределителя привода 5, управляющего электромагнита 6 и сопла 4.


Рис. 2.1.5. Газореактивное исполнительное устройство с «подвижным соплом».

Особый класс устройств представляют газореактивные исполнительные устройства, получившие название «ГИУ с «подвижным (прыгающим) соплом» рис.2.1.5. Устройство состоит из корпуса 1, внутри которой расположено подвижное сопло 2, выполняющее одновременно функцию ГД и ГРУ. В хвостовой части сопла выполнены продольные сквозные проточки, соединяющие полости втулки с предсопловой камерой. Сопло имеет два крайних положения: «левое» (как изображено на рисунке) и «правое». В этом положении проточки расположены «напротив» газоподводящих окон втулки и газ от источника поступает в предсопловую полость. В крайнем «правом» положении газоподводящие окна втулки перекрываются цилиндрической частью «2» сопла, выполняющей роль золотника. Рабочие полости сообщены газорапределительным устройством отверстиями 4 и 6. Управление движением сопла осуществляется ГРУ с нейтральным двухпозиционным ЭМП, попеременно коммутирующим полости «3» и «5» с источником газа или с атмосферой. Движение «в право» происходит под действием давления газа в полости «5», движение влево – под действием газореактивной силы и силы, создаваемой газом в полости «3».


Расчетная схема двухкаскадного ГИУ с управлением давлением в предсопловой полости «на выходе» представлена на рис. 2.2.4.

ГИУ состоит из корпуса и размещенного в нем цилиндрического затвора.  Рабочая полость, расположенная справа от затвора постоянно сообщена с источником газа и с газораспределительным устройством, которое открывает или закрывает отверстие, соединяющее рабочую полость с атмосферой. Если это отверстие закрыто, то затвор перемещается в крайнее левое положение и перекрывает критическое сечение сопла.

Рис. 2.2.4. Расчетная схема двухкаскадного ГИУ с управлением давлением в предсопловой полости «на выходе»

Математическая модель ГРИУ с посадкой регулирующего органа на седло, расположенное в зоне критического сечения  описывается следующими уравнениями:


где 1ST1*(T1 – Tc1),

2ST2*(T2 – Tc2),

T1,2- температура газа в предсопловой и рабочей полостях;

Tс1,с2 - температура стенки в предсопловой и рабочей полостях;

ST1,Т2 – поверхности теплообмена в предсопловой и рабочей полостях;

1, 2- коэффициенты теплообмена в предсопловой и рабочей полостях;

p1, р2 – давление газа в предсопловой и рабочей полости привода,

р0- давление в источнике питания;

W1 ,W2 – объем предсопловой и рабочей полости;

SП – площадь поршня  привода,

 S1, S2– площади поверхности,на которые действуют давления p1, р2 ,

h – коэффициент вязкого трения,

Х- координата затвора;

V – скорость затвора.

М – приведенная масса подвижных частей,

 Gо1 –массовый секундный приход газа из ресивера в предсопловую полость,

G - массовый секундный расход газа из предсопловой полости в атмосферу,

 Gо2 –массовый секундный приход газа из ресивера в рабочую  полость,

G - массовый секундный расход газа из рабочей полости в атмосферу,

dп - диаметр затвора,

dкр – диаметр критического сечения.

Расчетная схема микродвигателя приведена на рис. 2.2.1.

Рис. 2.2.1.

 Рабочие процессы в предсопловой полости описываются следующей системой дифференциальных уравнений:

где 0ST0*(T0Tc0),

T0- температура газа в предсопловой полости;

Tс0 - температура стенки конструкции предсопловой полости;

ST0 – поверхность  теплообмена в предсопловой полости;

0- коэффициент теплообмена в предсопловой полости;

p0 – давление газа в предсопловой  полости;

0 – плотность газа в предсопловой полости;

W0  – объем предсопловой  полости;

Gро –массовый секундный приход газа из источника сжатого газа в предсопловую полость;

GоА - массовый секундный расход газа из предсопловой полости в атмосферу;

Про  - удельный приход энергии газа в предсопловую полость;

ПоА -удельный расход энергии газа из предсопловой полости.

Расход газа из предсопловой полости рассчитывается по формуле

где

Sкр  - площадь критического сечения сопла;

K    - коэффициент адиабаты;

- газодинамическая функция плотности при pв p0=1

Учитывая малую длительность работы устройства можно считать изменение температуры стенки полости пренебрежимо малым.

На рисунках 6-8 изображены графики переходных процессов при включении/выключении микродвигателя при давлениях 19 и 34 бар.

Рисунок 6. Изменение давления в предсопловой полости при включении/выключении микродвигателя

Рисунок 7. Изменение давления в рабочей полости при включении/выключении микродвигателя


Рисунок 8. Изменение тяги при включении/выключении микродвигателя


Содержание отчета.

  1.  Классификация РПП
  2.  Характеристики элементов РПП
  3.  Примеры типовых конструктивных реализаций РПП.
  4.   Результаты математического моделирования процессов работы РПП (динамические характеристики РПП): таблицы расчетов отработки ступенчатого входного сигнала и графики переходных процессов при различных значениях конструктивных параметров привода.

Библиографический список

  1.  Мамонтов М.А. Вопросы термодинамики тела переменной массы. М.:Оборонгиз, 1961.148с.
  2.  Подчуфаров Б.М. Основы управления и регулирования тепломеханических систем. ТулПИ, 1982. 60с.
  3.  Шипунов А.Г., Швыкин Ю.С., Юрманова Н.П. Расчет и проектирование энергетических узлов комплексов вооружения. Ч.1. Термодинамика энергоузлов с переменной массой рабочего тела. Тула: ТулПИ, 1997.116 с.
  4.  Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. М.: Машиностроение, 1975, 272 с.
  5.  Костин С.В., Петров Б.И. Гамынин Н.С. Рулевые приводы. М.: Машиностроение, 1973, 208 с.
  6.  Пневмопривод систем управления летательных аппаратов./ В.А. Чащин, О.Г. Камладзе, А.Б. Кондратьев и др. М.: Машиностроение, 1987, 248 с.
  7.  Шорников Е.Е. Проектирование автоматических систем. Тула: ТулПИ, 1984. 100с.
  8.  Математические модели систем пневмоавтоматики: Учеб. Пособие/ Ю.Л. Арзуманов, Е.М. Халатов, В.И. Чекмазов, К.П. Чуканов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. –296с. М.: Машиностроение, 1975, 272 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36756. Определение главного фокусного расстояния тонких линз 212.5 KB
  Приборы и принадлежности: оптическая скамья с набором рейтеров осветитель с источником питания экран собирающая и рассеивающая линзы. Ее вершины и в этом случае можно считать совпадающими в точке называемой оптическим центром линзы. Причем ось проходящая через оптический центр линзы и центры кривизны ее преломляющих поверхностей называется главной оптической осью линзы. Если направить луч света параллельно главной оптической оси вблизи нее то преломившись он пройдет через точки или в зависимости от того слева или...
36757. Получение и исследование света с различными состояниями поляризации 230.5 KB
  Цель работы: изучить методы получения и анализа света с различными состояниями поляризации, сформулировать гипотезу исследования, установить связи между основными способами получения поляризованного излучения, выделить существующие различия между ними, определить этапы исследования.
36758. Определение постоянного Планка спектрометрическим методом 115.5 KB
  Цель работы: сформулировать гипотезу исследования по уровням сложности, проанализировать метод исследования спектра, исследовать спектр излучения атома водорода в видимой области спектра (серия Бальмера), определить постоянные Ридберга и Планка, объяснить методику их определения, выяснить, как соотносится сплошной и линейчатый спектры атома водорода.
36759. Система дистанционной поддержки в вузе (на примере центра дистанционной поддержки обучения РГПУ им. А. И. Герцена) 43.5 KB
  Сколько метакурсов предлагается в данном разделе Какие значки используются для обозначения метакурсов которые можно посетить: а без кодового слова б только по кодовому слову Откройте метакурс Демонстрация возможностей Moodle. Перечислите модули метакурса Демонстрация возможностей Moodle. Задание №3 Порядок выполнения: Выберите модуль Основные возможности метакурса Демонстрация возможностей Moodle.
36760. Создание «интерфейса пользователя» в среде Scada- системы «Genesis 32» 145 KB
  Ознакомиться с современными направления промышленной автоматизации на базе сетевых технологий с использованием Scd систем что может Scdсистема и ОРСтехнологий. Ознакомиться со Scd системой GENESIS 32 3. Отработать навыки использования современных программноаппаратных средств при построении распределенных информационных систем Общие сведения Scd системы – задачи функции см.
36761. Конфигурация глобальной среды. Активизация механизма SSI 46.5 KB
  conf и пропишите в нем директиву которая будет задавать каталог где будут храниться webстраницы сервера: DocumentRoot vr www ваша_фамилия html Сохраните изменения и выйдите из редактора nno. В каталоге где должны храниться webстраницы сервера vr www ваша_фамилия html создайте файл с именем index.html следующего содержания на месте многоточия подставьте свои фамилию и имя: html hed title My web pge title hed body My nme is h1 My web server is working h1 body html Для создания файла введите nno имя_файла...
36763. ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ 180 KB
  1: а средним арифметическим отклонением профиля R: R=i 1 б высотой неровностей профиля по десяти точкам Rz: Rz=i mx i min 2 где i mx и i min определяются относительно средней линии; в наибольшей высотой неровностей профиля Rmx – расстояние между линией выступов и линией впадин профиля в пределах базовой длины; г средним шагом неровностей профиля Sm: Sm=...