RU2262467C1

RU2262467C1 - Electrohydraulic servo drive

Info

Publication number: RU2262467C1
Application number: RU2004106081/11A
Authority: RU
Inventors: П.Г. Редько (RU); П.Г. Редько; А.А. Борцов (RU); А.А. Борцов; Ю.И. Лобанов (RU); Ю.И. Лобанов; О.Н. Козлов (RU); О.Н. Козлов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Павловский машиностроительный завод ВОСХОД"-ОАО "ПМЗ ВОСХОД"
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-10-20
Also published as: RU2004106081A

Abstract

FIELD: high-power electrohydraulic servo drives for actuating flying vehicle controls by signals of electric remote flight control system.

SUBSTANCE: proposed servo drive has twin power hydraulic cylinder at position feedback, servo drive with twin two-system power hydraulic distributor and control cylinders of servo drive, as well as twin two-system hydraulic distributor of servo drive. Power hydraulic distributor and control hydraulic cylinders of servo drive are made in form of single cylinder with stepped plunger which is additionally provided with beads and steps forming cavities for controllable hydraulic cylinders of servo drive at ends of plunger for one hydraulic system and on steps of plunger for other hydraulic system.

EFFECT: reduction of power of linear electric motor, its overall dimensions and mass; improved static and dynamic accuracy of servo drive.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электрогидравлическим следящим приводам большой мощности, предназначенным для перемещения органов управления летательного аппарата по сигналам электродистанционной системы управления полетом. В таких приводах для управления большими расходами и высокими перепадами давлений рабочей жидкости используются силовые гидрораспределители, золотники которых перемещаются специальным исполнительным механизмом сервопривода. Известны электрогидравлические силовые привода по авторским свидетельствам SU 1032691 A1, 20.10.1995, SU 1149541 А1, 10.10.1995, SU 1432936 A1, 20.10.1995, содержащие многоканальную управляющую рулевую машину (РМ) с исполнительными поршнями, жестко закрепленными на общем выходном звене поступательного действия, кинематически связанным с соосно установленными распределительными устройствами, выходы которых гидравлически соединены с двухкамерным силовым гидроцилиндром, а также электрогидравлические силовые привода со сдвоенными исполнительными механизмами [см. книгу П.Г.Редько. Повышение безотказности и улучшение характеристик электроследящих приводов. Москва, издательский центр МГТУ, Станкин, стр.93-103, рис.4.5, рис.4.6], в которых мощный сдвоенный гидроцилиндр с общим выходным штоком управляется двухсистемным силовым гидрораспределителем с сдвоенным золотником, который жестко соединен с поршнями управляющих гидроцилиндров (УГЦ) сервопривода. Каждый из УГЦ является исполнительным механизмом одного из каналов сервопривода, количество которых может составлять в общем случае от двух до четырех.The present invention relates to electro-hydraulic tracking drives of high power, designed to move the controls of the aircraft according to the signals of the remote control flight control system. In such drives, power valves are used to control large flows and high pressure drops of the working fluid, the spools of which are moved by a special actuator actuator. Electrohydraulic power drives are known according to copyright certificates SU 1032691 A1, 10.20.1995, SU 1149541 A1, 10.10.1995, SU 1432936 A1, 10.20.1995, containing a multi-channel steering steering machine (PM) with actuating pistons rigidly fixed to a common translational output link actions kinematically connected with coaxially mounted switchgears, the outputs of which are hydraulically connected to a two-chamber power hydraulic cylinder, as well as electro-hydraulic power drives with dual actuators [see book by P.G. Redko. Increased uptime and improved performance of electro-tracking drives. Moscow, MSTU Publishing Center, Stankin, pp. 93-103, Fig. 4.5, Fig. 4.6], in which a powerful dual hydraulic cylinder with a common output rod is controlled by a dual-system power valve with a dual spool, which is rigidly connected to the pistons of the control hydraulic cylinders (UHC) servo drive. Each of the UHCs is the actuator of one of the servo channels, the number of which can generally be from two to four.

В состав каждого канала сервопривода входит управляющее устройство - электрогидравлический усилитель (ЭГУ), создающий перепад давления в полостях соответствующих УГЦ, электрогидравлический клапан (ЭГК) включения и выключения канала, клапан включения и кольцевания (КВК) полостей УГЦ.Each channel of the servo drive includes a control device - an electro-hydraulic amplifier (EHU), which creates a pressure drop in the cavities of the corresponding UHC, an electro-hydraulic valve (EHC) for turning the channel on and off, an on and ring valve (CVC) of the UHC cavities.

Для снижения взаимонагружения в каждом из каналов сервопривода используется цепь гидромеханической коррекции, включающая в себя корректирующий клапан (КК), корректирующий гидроцилиндр (КГЦ) с датчиком коррекции (ДК).To reduce the mutual load in each of the channels of the servo drive, a hydromechanical correction circuit is used, which includes a correction valve (CC), a correction cylinder (CCC) with a correction sensor (DC).

К недостаткам перечисленных выше приводов необходимо отнести:The disadvantages of the above drives must include:

большую массу и габариты;large mass and dimensions;

сложность кинематической связи золотников силовых гидрораспределителей и исполнительных поршней УГЦ;the complexity of the kinematic connection of the spools of power control valves and actuating pistons of the UHC;

низкую надежность из-за большого количества элементов гидрологики (ЭГУ, ЭГК, КВК, КК, КГЦ);low reliability due to the large number of hydrological elements (EGU, EGK, KVK, KK, KHZ);

значительные неуправляемые перемещения исполнительного выходного штока при появлении активных отказов, например ЭГУ, которые связаны с ограниченным быстродействием при отключении неисправного канала (быстродействие последовательно включаемых ЭГК и КВК равно 0,1...0,15 с);significant uncontrolled movements of the executive output rod when active failures occur, for example, EGUs, which are associated with limited speed when the faulty channel is turned off (the speed of successively connected EGCs and CVCs is 0.1 ... 0.15 s);

значительные непроизводительные утечки рабочей жидкости через ЭГУ, ЭГК, КВК, КК, КГЦ.significant unproductive leakage of the working fluid through the EHU, EGK, KVK, KK, KHZ.

Наиболее близким, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является электрогидравлический рулевой привод (привод) с сдвоенным исполнительным механизмом и линейным электродвигателем (ЛЭД), который непосредственно управляет положением золотника силового распределителя [см. книгу П.Г.Редько. Повышение безотказности и улучшение характеристик электроследящих приводов. Москва, издательский центр МГТУ, Станкин, стр.134-140, рис.5.1, рис.5.2]. Такой привод, за счет исключения из состава ЭГУ, ЭГК, КВК, КК, КГЦ, обладает рядом преимуществ, а именно:The closest adopted for the prototype of the invention is an electro-hydraulic steering gear (drive) with a dual actuator and a linear electric motor (LED), which directly controls the position of the spool of the power distributor [see book by P.G. Redko. Increased uptime and improved performance of electro-tracking drives. Moscow, MSTU Publishing Center, Stankin, pp. 134-140, Fig. 5.1, Fig. 5.2]. Such a drive, due to exclusion from the composition of the EHU, EGK, KVK, KK, KHZ, has several advantages, namely:

- повышена структурная надежность;- increased structural reliability;

- уменьшены непроизводительные утечки;- reduced unproductive leaks;

- уменьшены неуправляемые перемещения исполнительного выходного штока при появлении активных отказов (отключение неисправной обмотки ЛЭД длится не более 0,01...0,015 с).- uncontrolled movements of the executive output rod are reduced when active failures occur (disconnecting a faulty LED winding lasts no more than 0.01 ... 0.015 s).

Недостатками указанного привода являются большие габариты ЛЭД и его большая электрическая мощность, которую необходимо затратить на непосредственное перемещение сдвоенного золотника гидрораспределителя, который должен иметь большие габариты, так как управляет большими расходами рабочей жидкости при высоких перепадах давлений. При этих условиях возникают большие гидродинамические силы, значительное трение, которые необходимо преодолевать. Эти обстоятельства приводят к возникновению повышенной зоны нечувствительности в электрическом канале управления, что снижает статическую и динамическую точность следящего привода. Технической задачей изобретения является усовершенствование электрогидравлического рулевого привода, взятого за прототип, путем уменьшения габаритов и массы, улучшения качества управления с обеспечением высокой стабильности динамических и статических характеристик.The disadvantages of this drive are the large dimensions of the LED and its large electrical power, which must be spent on the direct movement of the dual spool valve, which must have large dimensions, as it controls high flow rates of the working fluid at high pressure drops. Under these conditions, large hydrodynamic forces arise, significant friction, which must be overcome. These circumstances lead to the appearance of an increased deadband in the electrical control channel, which reduces the static and dynamic accuracy of the servo drive. An object of the invention is to improve the electro-hydraulic steering gear, taken as a prototype, by reducing the size and weight, improving the quality of control with high stability of dynamic and static characteristics.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом электрогидравлическом следящем приводе, содержащем мощный сдвоенный гидроцилиндр с общим выходным штоком и датчиками обратной связи по положению, дополнительно введен сервопривод (РМ), в котором силовой гидрораспределитель и гидроцилиндры сервопривода выполнены в виде единого цилиндра, рабочим элементом которого является ступенчатый плунжер, на котором дополнительно введены бурты и ступени, что позволило образовать полости гидроцилиндров сервопривода на торцах плунжера для одной гидросистемы и на ступенях плунжера для другой гидросистемы. Такое техническое решение исключило кинематические связи золотников силового гидрораспределителя и исполнительных поршней сервопривода, повысило статическую и динамическую точность привода и значительно уменьшило габариты и массу,The problem is solved in that in the inventive electro-hydraulic servo drive containing a powerful dual hydraulic cylinder with a common output rod and position feedback sensors, a servo drive (PM) is additionally introduced, in which the power valve and the servo hydraulic cylinders are made in the form of a single cylinder, the working element of which is a stepped plunger, on which collars and steps are additionally introduced, which allowed the cavity of the servo hydraulic cylinders to be formed at the ends of the plunger for one g drosistemy and plunger steps for other hydraulic. This technical solution eliminated the kinematic relationships of the power valve spools and servo actuator pistons, increased the static and dynamic accuracy of the drive and significantly reduced the dimensions and weight,

Управление гидроцилиндрами сервопривода производится малогабаритным линейным электродвигателем с несколькими управляющими обмотками, в частности четырьмя, в соответствии с кратностью резервирования электрических цепей управления. Каждая управляющая обмотка ЛЭД раздельно подключены к усилителям мощности соответствующих каналов электронной части привода. Якорь ЛЭД жестко соединен с двухсистемным золотником гидрораспределителя, который управляет скоростью двухсистемной РМ. Позиционная обратная связь с выхода РМ на вход ЛЭД образует внутренний контур управления привода - сервопривод с 4-мя резервными электрическими каналами. Таким образом, образуются два позиционных контура: внутренний контур - контур сервопривода и внешний позиционный, охватывающий и силовой гидроцилиндр и сервопривод. В этом случае все нелинейности элементов привода оказываются охваченными обратными связями, что позволило повысить его динамическую точность, особенно в области малых входных сигналов.Servo hydraulic cylinders are controlled by a small-sized linear electric motor with several control windings, in particular four, in accordance with the redundancy ratio of electrical control circuits. Each control winding of the LED is separately connected to power amplifiers of the corresponding channels of the electronic part of the drive. The LED armature is rigidly connected to the two-system spool valve, which controls the speed of the two-system PM. Positional feedback from the output of the PM to the input of the LED forms an internal drive control loop - a servo drive with 4 redundant electrical channels. Thus, two positional loops are formed: the inner loop is the servo loop and the external loop, covering both the power hydraulic cylinder and the servo. In this case, all non-linearities of the drive elements are covered by feedbacks, which made it possible to increase its dynamic accuracy, especially in the field of small input signals.

Гидрораспределитель сервопривода на две гидросистемы реализован следующим образом.The servo hydraulic distributor for two hydraulic systems is implemented as follows.

В стальной корпус гидрораспределителя установлена стальная гильза с одинаковыми коэффициентами линейного расширения, с натягом по наружному диаметру, с ориентацией ее в корпусе по линии гидравлических каналов, которые выполнены для напора и слива на гильзе в виде канавок на половине диаметра, с двумя дросселирующими окнами, расположенными диаметрально противоположно, а каналы для полостей цилиндров сервопривода выполнены в виде отверстий с противоположной стороны диаметра гильзы, которые совпадают с отверстиями в корпусе. Такое выполнение каналов на гильзе и установка ее в корпус с натягом без уплотнительных узлов позволило значительно сократить габариты и массу гидрораспределителя. В гильзе размещен сдвоенный золотник, который через гибкий стержень механически соединен с якорем ЛЭД и центрирующей пружиной, которая соосно закреплена относительно якоря ЛЭД и золотника.A steel sleeve with the same linear expansion coefficients is installed in the steel housing of the valve, with an interference fit on the outer diameter, with its orientation in the housing along the line of hydraulic channels, which are made for pressure and drain on the sleeve in the form of grooves at half diameter, with two throttling windows located diametrically opposite, and the channels for the cavities of the cylinders of the servo drive are made in the form of holes on the opposite side of the diameter of the sleeve, which coincide with the holes in the housing. This implementation of the channels on the sleeve and installing it in a tightened housing without sealing units has significantly reduced the size and weight of the valve. A double spool is placed in the sleeve, which is mechanically connected through the flexible rod to the LED armature and a centering spring, which is coaxially fixed relative to the LED armature and the spool.

В гильзу с малым диаметральным зазором 0,002...0,004 мм установлен сдвоенный золотник, что обеспечивает малые непроизводительные утечки и не требуется уплотнения между гидросистемами. В сдвоенном золотнике по сливу каждой гидросистемы выполнены одинаковые отрицательные осевые гидравлические перекрытия, равные примерно диаметральному зазору, что позволяет практически исключить взаимонагружение каналов, а также обеспечивает кольцевание полостей УГЦ по отказавшей гидросистеме.A double spool is installed in a sleeve with a small diametrical clearance of 0.002 ... 0.004 mm, which provides small unproductive leaks and does not require sealing between hydraulic systems. In the dual spool, the same negative axial hydraulic overlaps are made along the drain of each hydraulic system, equal to approximately the diametrical gap, which allows virtually eliminating the mutual loading of the channels, and also provides ringing of the UGC cavities along the failed hydraulic system.

Перечисленные причины позволили применить ЛЭД минимальных размеров и мощности.The above reasons made it possible to use LEDs of minimum size and power.

Расход рабочей жидкости для управления гидроцилиндрами сервопривода незначителен (до 1 л/мин), поэтому величина гидродинамических сил, действующих на золотник, достаточно мала, это позволило применить ЛЭД минимальных размеров и мощности.The flow rate of the working fluid for controlling the servo hydraulic cylinders is insignificant (up to 1 l / min); therefore, the magnitude of the hydrodynamic forces acting on the spool is quite small, which made it possible to use LEDs of the smallest size and power.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана принципиальная схема электрогидравлического следящего привода (привода), на фиг.2 и фиг.3 - схемы выполнения гидравлических каналов.The essence of the invention is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows a schematic diagram of an electro-hydraulic servo drive (actuator), Fig. 2 and Fig. 3 are diagrams of hydraulic channels.

Привод содержит сдвоенный силовой гидроцилиндр 1 с общим исполнительным штоком 2, связанным с датчиком обратной связи (ДОС 1) - количество каналов ДОС 1 соответствует количеству электронных каналов управления. В корпус 3 с гидравлическими каналами, установлен цилиндр 4, внутри которого размещается ступенчатый плунжер 5 с буртами для распределения потоков рабочей жидкости, поступающей от двух гидросистем, в рабочие камеры гидроцилиндра 1, с дополнительными буртами и ступенями, которые образовали исполнительные полости П₁ и П₂, П₃ и П₄ гидроцилиндров сервопривода. Плунжер 5 соединен с датчиками обратной связи (ДОС 2) сервопривода - количество каналов ДОС 2 соответствует количеству электронных каналов управления. Гидрораспределитель сервопривода выполнен следующим образом:The drive contains a dual power hydraulic cylinder 1 with a common actuating rod 2 connected to a feedback sensor (DOS 1) - the number of DOS 1 channels corresponds to the number of electronic control channels. A cylinder 4 is installed in the housing 3 with hydraulic channels, inside of which there is a stepped plunger 5 with collars for distributing the flows of the working fluid coming from two hydraulic systems into the working chambers of the hydraulic cylinder 1, with additional collars and steps that formed the executive cavities P ₁ and P ₂ , P ₃ and P ₄ servo hydraulic cylinders. The plunger 5 is connected to the feedback sensors (DOS 2) of the servo drive - the number of DOS 2 channels corresponds to the number of electronic control channels. The servo hydraulic distributor is made as follows:

В стальной корпус 6 с гидравлическими каналами с натягом по наружному диаметру установлена стальная гильза 7 с одинаковыми коэффициентами линейного расширения, строго ориентированная по линии гидравлических каналов для их совпадения с каналами в корпусе, так как на гильзе каналы напора и слива выполнены в виде канавок только на половине диаметра (см. фиг.2 сеч. А-А) с двумя дросселирующими щелями, а каналы напора в полости П₁, П₂, П₃, П₄ сервопривода выполнены между ними в виде отверстий без канавок на диаметре втулки (см. фиг.3 сеч. А1-А1), которые совпадают с отверстиями в корпусе. В гильзе 7 размещен сдвоенный золотник 8, который через гибкий стержень 9 механически соединен с якорем 10 ЛЭД и центрирующей пружиной 11, которая соосно закреплена относительно якоря ЛЭД и золотника 8. Такое соединение обеспечивает их соосность относительно друг друга, незначительное сухое трение. Привод работает следующим образом. При включенном электро- и гидропитании рабочая жидкость под давлением поступает к средним канавкам плунжера 5 и одновременно к средним буртам золотника 8. При отсутствии сигналов управления и замкнутых обратных связях привода в полостях силового гидроцилиндра 1 и полостях П₁ и П₂, П₃ и П₄ сформируются перепады давлений, которые будут удерживать исполнительный шток 2 и плунжер 5 в исходном нейтральном положении без движения. При подаче в обмотки ЛЭД сигналов управления якорь 10 смещает золотник 8 в сторону, зависящую от полярности сигналов управления на величину, пропорциональную величине сигналов управления. При этом одни из полостей, например П₁ и П₃, соединяются с линией напора гидросистем, другие, например П₂ и П₄, - с линией слива. Плунжер 5 перемещается и соединяет соответствующие полости гидроцилиндра 1 с линиями напора гидросистем, другие - с линиями слива, исполнительный шток 2 движется с заданной скоростью и перепадом давлений. При перемещениии плунжера 5 и исполнительного штока 2, связанные с ними ДОС1 и ДОС2 формируют сигналы обратной связи, пропорциональные перемещению, которые поступают на вход привода и уменьшают сигналы управления до нуля. Под действием пружины 11 якорь ЛЭД и золотник 8 занимают нейтральное положение, изменение перепадов давлений в полостях П₁ и П₂, П₃ и П₄ вернет плунжер 5 в нейтральное положение, движение исполнительного штока 2 прекратится.A steel sleeve 7 with the same linear expansion coefficients, strictly oriented along the line of hydraulic channels to coincide with the channels in the housing, is installed in the steel casing 6 with hydraulic channels with an interference fit along the outer diameter, since the pressure and discharge channels on the sleeve are made in the form of grooves only on half the diameter (see Fig. 2 sec. A-A) with two throttling slots, and the pressure channels in the cavities P ₁ , P ₂ , P ₃ , P _{4 of the} servo drive are made between them in the form of holes without grooves on the diameter of the sleeve (see figure 3 sec. A1-A1), which s align with the holes in the housing. A double spool 8 is placed in the sleeve 7, which is mechanically connected through the flexible rod 9 to the LED armature 10 and a centering spring 11, which is coaxially fixed relative to the LED armature and the spool 8. Such a connection ensures their alignment with respect to each other, insignificant dry friction. The drive operates as follows. When the electric and hydraulic power supply is turned on, the working fluid under pressure enters the middle grooves of the plunger 5 and simultaneously to the middle shoulders of the valve 8. In the absence of control signals and closed drive feedbacks in the cavities of the power cylinder 1 and the cavities P ₁ and P ₂ , P ₃ and P ₄ , pressure differences will be formed which will hold the actuating rod 2 and plunger 5 in their initial neutral position without movement. When applying control signals to the LED windings, the armature 10 biases the spool 8 to the side, depending on the polarity of the control signals by an amount proportional to the magnitude of the control signals. At the same time, some of the cavities, for example P ₁ and P ₃ , are connected to the pressure line of the hydraulic systems, while others, for example P ₂ and P ₄ , are connected to the drain line. The plunger 5 moves and connects the corresponding cavity of the hydraulic cylinder 1 with the pressure lines of the hydraulic systems, the other with the drain lines, the actuating rod 2 moves with a given speed and differential pressure. When moving the plunger 5 and the actuator rod 2, the associated DOS1 and DOS2 form feedback signals proportional to the movement, which are received at the input of the drive and reduce the control signals to zero. Under the action of the spring 11, the LED armature and the spool 8 occupy a neutral position, changing the pressure drops in the cavities P ₁ and P ₂ , P ₃ and P ₄ will return the plunger 5 to the neutral position, the movement of the actuator rod 2 will stop.

Claims

1. Electro-hydraulic follow-up drive, comprising a dual power hydraulic cylinder with positional feedback, a dual two-system power valve, connected to the control hydraulic cylinders of the servo and its positional feedback, a dual two-system valve of the servo drive, directly controlled by a multi-channel linear electric motor, characterized in that the bi-system and servo control hydraulic cylinders are made in the form of a single cylinder and with a stepped plunger is further provided with turners and steps to form cavities servo controlled hydraulic cylinder to the ends of the plunger for a single hydraulic ram and the steps for the other hydraulic system.

2. Electro-hydraulic follow-up drive according to claim 1, characterized in that the sleeve of the servo directional control valve is installed in a steel housing with an interference fit on the outer diameter with its orientation in the housing along the line of hydraulic channels, which are made for pressure and discharge onto the sleeve in the form of grooves in half of it diameter with two throttling windows located diametrically opposite, and the channels for the cavities of the servo cylinder are made in the form of holes on the opposite side of the sleeve, which coincide with the holes in the body e.