СПОСОБ ПРОВЕРКИ РАЗВИВАЕМОГО МОМЕНТА ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКОГО РУЛЕВОГО ПРИВОДА УПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ И СНАРЯДОВ

Предлагаемое изобретение относится к испытаниям силовых систем управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано для проверки (контроля) качества функционирования электропневматического рулевого привода управляемых ракет и снарядов.

Рулевые приводы [1-4] управляемых ракет и снарядов относятся к объектам с изменяющимися параметрами. В широких пределах по времени полета ракеты и снаряда изменяются шарнирная нагрузка на рулях (от пружинной до перекомпенсации) из-за изменения скорости полета ракеты и снаряда, максимальный развиваемый момент и скорость привода в управляемых ракетах и снарядах, использующих, например, энергию сжатого воздуха за счет скоростного напора набегающего при полете ракеты и снаряда, и параметры сигнала управления.

Одним из основных параметров привода, определяющих качество функционирования привода, а именно его быстродействие и точность работы, является максимальный развиваемый момент, величина которого определяется и закладывается при проектировании привода и обеспечивается в процессе производства и испытаний, что неизбежно связано с контролем этого важного параметра.

Разработка простых, надежных и информативных способов и средств контроля качества функционирования рулевых приводов и их основных параметров на различных этапах разработки, производства и испытаний приводов была и остается актуальной технической задачей.

Известно [5, с.5, 2-й абзац снизу], что наиболее технически сложным при испытаниях машин (различного типа двигателей и энергетических средств) является измерение мощностных характеристик энергетических средств. В источнике информации [5] рассмотрены вопросы применения различных методов и аппаратуры для измерения крутящих моментов.

По принципу работы (методу преобразования) все приборы и устройства для измерения крутящего момента можно разделить на следующие основные четыре группы: механические, гидравлические, оптические, электрические. На рис.1 источника [5] дана подробная классификация устройств для измерения крутящего момента (ИКМ).

Известен [5, с.8, 5-й абзац снизу] наиболее простой и надежный способ регистрации крутящего момента, принятый в качестве аналога, основанный на непосредственном измерении деформации на поверхности исследуемого вала с помощью тензометрических датчиков. Такие ИКМ получили название омические.

Недостатками известного способа замера крутящего момента с помощью тензометрического преобразователя (тензометра сопротивления) являются сложность и трудоемкость. Это вызвано тем, что для измерения крутящего момента необходимо использовать мостовую схему [5, с.75] с четырьмя тензодатчиками, которые наклеивают на вал привода под углом 45° к оси. Необходима сложная уcилительная (тензометрические усилители) и регистрирующая аппаратура для измерения крутящего момента [5, с.127-154], так как в качестве первичного преобразователя используется тензорезистор с малым уровнем выходного сигнала. Для передачи и съема информации в виде электрических сигналов между вращающимся валом привода и неподвижным основанием необходимо также иметь и соответствующие токосъемные устройства.

Все отмеченное является сдерживающим фактором для применения этого способа замера развиваемого момента в известных рулевых приводах [1-4] и в электропневматическом рулевом приводе [3, с.116, рис.3.4], например, в частности. Привод состоит из силового пневмопривода (струйной трубки, пневмоцилиндра), электромеханического преобразователя, якорь которого жестко связан со струйной трубкой, потенциометрического датчика обратной связи, электронного усилителя мощности, в котором наряду с усилением сигнала по мощности производится также суммирование сигнала управления и обратной связи. Пневмоцилиндр является силовым двигателем, шток которого с помощью кинематической связи соединен с рулем. Система энергоснабжения сжатым воздухом включает в себя баллон со сжатым газом, пиропневмозатвор и редуктор давления.

Конечно приведенной схемой не исчерпывается все многообразие пневматических рулевых приводов, в которых необходимо измерять развиваемый момент. Это может быть замкнутый релейный автоколебательный воздушно-динамический рулевой привод [4] или разомкнутый релейный воздушно-динамический рулевой привод [6].

К отмеченным недостаткам известного способа замера крутящего (развиваемого) момента приводов с помощью тензометрического преобразователя, основой которого является тензорезистор, следует добавить применительно к пневматическим рулевым приводам малогабартиных управляемых ракет и снарядов трудность, а порой и невозможность размещения измерительных тензорезисторов из-за конструктивной ограниченности места на осях вращения рулей для установки довольно-таки крупногабаритных (по площади) тензорезисторов.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) принят способ [6] контроля динамики разомкнутого пневмопривода системы управления вращающейся ракеты. Контроль проводят при максимальном и минимальном давлении питания и съеме информации об угловом положении рулей с выхода датчика угла поворота рулей при отработке приводом релейного двухпозиционного сигнала управления. Недостатком этого способа контроля динамики пневмопривода является низкая информативность, так как не ясно, как, каким образом, с помощью каких технических средств должна проводиться проверка одного из основных и важных параметров привода, то есть развиваемого момента, определяющего динамику и точность привода.

Кажущаяся на первый взгляд очевидной в этом случае проверка развиваемого момента электропневматического рулевого привода управляемых ракет и снарядов путем прямого замера на оси рулей с помощью общеизвестных рычага и эталонного груза момента снятия рулей с упора после отработки сигнала управления приводом имеет следующие недостатки:

1. Наличие значительного (по сравнению с развиваемым) момента сопротивления повороту рулей за счет трения в элементах привода (поршень-цилиндр, шток поршня-опоры штока, подшипники осей рулей и др.), неучет которого при замере развиваемого момента привода приводит к значительным ошибкам в замере.

2. Сложность замера и низкая точность замера момента сопротивления.

3. Сложность учета погрешности в замере момента от угла поворота рычага с грузом, так как вращающий момент от груза определяется составляющей от веса груза, пропорциональной косинусу угла поворота рычага, при больших углах поворота погрешность может быть значительной.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение информативности, упрощение проверки (контроля), повышение точности, снижение трудоемкости и стоимости проверки развиваемого момента электропневматического рулевого привода управляемых ракет и снарядов.

Это достигается за счет применения предлагаемого способа проверки развиваемого момента электропневматического рулевого привода управляемых ракет и снарядов, включающего подачу на вход привода сжатого воздуха и измерение угла поворота рулей.

Новым по сравнению с прототипом является то, что устанавливают на установочном столе рулевой привод с датчиком перемещения рулей, надевают на руль легкосъемный уравновешенный рычаг, поворачивают рули на максимальный угол +δ _max в одну сторону путем приложения вращающего момента соответствующего знака М_вр=Ql ₁cosδ _max эталонным грузом весом Q на определенной длине l ₁ плеча размещения груза на рычаге относительно оси вращения рулей, равного развиваемому моменту привода при заданном Р_зад давлении питания, включают питание датчика, измеряют вольтметром напряжение U₁ на выходе датчика, снимают вращающий момент снятием эталонного груза, поворачивают рули на максимальный угол -δ _max в другую сторону путем приложения вращающего момента противоположного знака, равного максимальному моменту шарнирной нагрузки на рулях от угла поворота рулей и угла атаки ракеты, снаряда, включают электропитание усилителя рулевого привода и подают на вход привода сжатый воздух давлением Р=1,5Р_зад, подают на вход привода максимальный сигнал управления

U₂≥ U₁.

Путем плавного снижения давления питания в пневмосети привода по уменьшению напряжения на выходе датчика определяют давление , при котором напряжение будет удовлетворять соотношению

U₃=(0,98_-0,05)U₁,

при этом давление должно быть не более Р_зад, снимают пневмопитание и электропитание усилителя привода и выключают сигнал управления и питание датчика, после чего аналогичным способом измеряют напряжения U₁, U₂, U₃ и определяют давление при приложении соответствующих моментов и сигнала управления U

М_разв=КS_пRcosδ _max,

где S_п - эффективная площадь поршня силового пневмоцилиндра привода;

R - конструктивный параметр преобразования поступательного движения поршня во вращательное рулей;

- измеренная величина давления при отклонении рулей привода на упор в одну и другую стороны;

K - коэффициент использования привода по давлению, определяемый типом распределительного устройства и потерями давления в приводе до распределительного устройства.

Датчик перемещения рулей выполняют в виде отдельного контактного или бесконтактного датчика или используют имеющийся в приводе в качестве датчика обратной связи датчик линейного перемещения поршня или углового перемещения рулей.

Способ реализуется устройством, принципиальная схема которого приведена на чертеже. Устройство содержит проверяемый электропневматический рулевой привод 1 с рулями 2, установленный на установочном столе 3, потенциометрический датчик 4 угла поворота рулей, легкосъемный уравновешенный рычаг 5, эталонный груз 6, источник 7 питания датчика 4, вольтметр 8, источник 9 пневмопитания сжатым воздухом высокого давления, редуктор давления 10 с регулирующим вентилем 11, ресивер 12 с манометром 13 и предохранительным клапаном сброса 14, задающее устройство 15, источник питания 16 усилителя электропневматического рулевого привода 1, угломер в виде шкалы 17, устанавливаемой и закрепляемой на корпусе рулевого привода 1, и стрелки 18, жестко связанной с рычагом 5, движок 19, кинематически связанный с осью вращения 20 рулей 2, датчик 4.

Проверяемый рулевой привод 1 устанавливается и крепится на установочном столе 3 (элементы крепления ввиду их непринципиальности на чертеже не показаны). От источника 9 сжатого воздуха, например сети высокого давления, через систему пневмопитания, содержащую регулятор давления 10 параметров потока сжатого воздуха, ресивер 12 с измерительным манометром 13 и предохранительным клапаном сброса 14, сжатый воздух поступает на вход рулевого привода 1. Величина рабочего давления выставляется и контролируется по показаниям манометра 13. U_у - сигнал управления привода; U_п - напряжение питания электронного усилителя рулевого привода; U_зап - напряжение запитки датчика; δ - угол поворота рулей; P_p, Т_p, G_p - параметры (давление, температура, расход рабочего тела (сжатого воздуха).

Электрическая коммутация выходов приборов 7, 15, 16 (источника питания датчика, задающего устройства, источника питания усилителя привода и входа прибора 8 (вольтметра), как правило, осуществляется в пульте управления и контроля, выход которого через электрический кабель с разъемом стыкуется с соответствующим разъемом проверяемого рулевого привода 1. В случае, если конструктивно усилитель не входит в состав привода, то он также размещается в пульте управления и контроля. Чтобы не затенять принципиальную схему проверки, этот пульт на схеме не показан.

К проверяемому рулевому приводу 1 подключается источник электропитания 16 электронного усилителя рулевого привода (на схеме усилитель не показан) и задающее устройство 15 для подачи сигнала управления U_у на вход усилителя привода. Входы (выводы 1, 2) потенциометрического датчика 4 угла поворота рулей подключается к выходу источника 7 с напряжением запитки ± U_зап (кинематическая связь движка 19 датчика 4 с осью вращения 20 рулей 2 на схеме не показана, чтобы не затенять чертеж). Напряжение с выхода датчика 4 подается на вход вольтметра 8, например универсального вольтметра типа В7-16 с цифровым отсчетом показаний. На руль 2 надевается легкосъемный уравновешенный рычаг 5 с эталонным грузом 6 для создания вращающего момента. Для дополнительной визуальной индикации угла поворота рулей (в случае необходимости) используется угломер в виде стрелки 18, жестко связанной с рычагом 5, и шкалы 17, закрепляемой с помощью хомута на корпусе рулевого привода 1 (хомут и элементы крепления на схеме не показаны ввиду непринципиальности). В качестве угломера может использоваться любой другой, например оптический, угломер с более высокой точностью замера угла поворота рулей, чем механический угломер - стрелка-шкала. В качестве датчика перемещения рулей используется отдельный контактный или бесконтактный датчик угла поворота рулей в случае разомкнутого рулевого привода или имеющийся в рулевом приводе в качестве датчика обратной связи датчик линейного перемещения поршня рулевой машины или углового перемещения (угла поворота рулей) в случае замкнутого рулевого привода, в котором датчик является необходимым элементом системы управления рулевого привода, тогда как в первом случае, то есть в разомкнутом приводе, датчик является элементом индикации перемещения, по информации с которого судят о быстродействии и точности работы привода.

Устройство работает следующим образом. На плече рычага 5 с помощью эталонного груза весом Q создается вращающий момент, М_вр=Ql ₁cosδ _max, где l ₁ - расстояние от оси вращения рулей до места установки груза, δ _max - максимальный угол поворота рулей. Величина момента M_вр устанавливается равной развиваемому моменту рулевого привода при заданном Р_зад давлении питания, например, на выбранном расчетном режиме проверки, соответствующем случаю максимальной или минимальной скорости полета ракеты, снаряда в случае воздушно-динамического рулевого привода. При этом рули поворачиваются на максимальный угол +δ _max в одну сторону по часовой стрелке, как это определяется положением груза на схеме. Включается питание датчика 4. Измеряется вольтметром 8 напряжение U₁ на выходе датчика 4. С помощью этого груза 6, устанавливаемого на другое плечо рычага 5, создается вращающий момент противоположного знака, равный максимальному моменту шарнирной нагрузки на рулях от угла поворота рулей и угла атаки снаряда, ракеты. Включается электропитание усилителя рулевого привода и подается на вход привода сжатый воздух давлением в 1,5 раза выше P_зад. Подается на вход привода с выхода задающего устройства максимальный сигнал управления , соответствующий перемещению рулей на максимальный угол +δ _max

При этом рули под действием развиваемого M_разв момента привода поворачиваются до упора на угол +δ _max, преодолевая момент нагружения (вращающий момент за счет эталонного груза весом Q на плече l ₂) и момент сопротивления M_сопр, определяемый моментами от сил трения в паре поршень-силовой цилиндр, шток поршня-опора штока, в датчике перемещения рулей, в подшипниках осей рулей. Поворот рулей на упор гарантируется превышением развиваемого момента M_разв по сравнению с суммарным моментом от и M_сопр, то есть

М_разв>+М_сопр,

что обеспечивается подачей на вход привода сжатого воздуха повышенного давления (Р=1,5 Р_зад). Измеряется вольтметром напряжение U₂ на выходе датчика, которое должно удовлетворять соотношению

U₂≥ U₁.

Путем плавного снижения давления питания в пневмосети за счет плавного поворота рукой вентиля 11 редуктора давления 10 в нужную сторону (в сторону уменьшения давления) добиваются уменьшения напряжения на выходе датчика 4, которое должно удовлетворять соотношению

U₃=(0,98_-0,05)· U₁

При выполнении этого соотношения по показаниям манометра 13 фиксируется зрительно давление , которое должно получаться не более Р_зад. После этого снимается пневмопитание и электропитание усилителя привода и выключается сигнал управления и питание датчика.

Уменьшение напряжения на выходе датчика при уменьшении давления питания привода вызывается уменьшением при этом развиваемого M_разв момента привода. Наступает предельный момент, когда развиваемый момент привода будет уравновешен моментами и M_сопр, то есть

М_разв>+М_сопр,

Видно, что при известной величине M_сопр момент M_разв определяется по этой зависимости. С другой стороны, при известном давлении , которое легко определяется изложенным способом, развиваемый момент M_разв определяется по формуле

M_разв=K P

где S_п - эффективная площадь поршня силового пневмоцилиндра привода;

R - конструктивный параметр преобразования поступательного движения поршня во вращательное рулей;

K - коэффициент использования привода по давлению, определяемый типом распределительного устройства и потерями давления в приводе до распределительного устройства.

При уменьшении M_разв ниже предельного значения, определяемого равенством =M_разв+M_сопр, начнется движение с упора +δ _max под действием момента , то есть в этом случае будет соблюдаться неравенство

≥ M_разв+M_сопр,

из которого

M_разв ≤ -M_сопр.

Конечно давление сжатого воздуха в этом случае будет P₂, отличным от P₁, а именно меньше него. Но этот вариант для оценки M_разв не рассматривается, так как в выражение для M_разв входит величина , зависящая от угла поворота рулей δ , да и M_сопр при движении величина также нестабильная. Хотя принципиально при строгом учете влияния этих факторов на величину M_разв в принципе можно определить развиваемый момент привода и в этом варианте, хотя это сопряжено с немалыми трудностями и более низкой точностью замера.

Аналогичным способом измеряются напряжения U₁, U₂, U₃ и определяется давление при приложении соответствующих моментов и сигнала управления противоположного знака и определяется M_разв привода с подстановкой в формулу для M_разв значения давления .

Предлагаемый способ проверки развиваемого момента электропневматического рулевого привода управляемых ракет и снарядов с помощью простого, надежного и доступного технического средства для его осуществления обеспечил упрощение проверки, повышение точности, снижение трудоемкости и стоимости проверки, обеспечен эффективный и действенный контроль с высокой для практики точностью технического состояния рулевого привода на всех этапах изготовления и испытаний привода. Эффективность способа и технического средства для его реализации подтверждена практикой контроля электропневматических рулевых приводов управляемых ракет и снарядов различных классов и назначения.

Простота, малая трудоемкость, высокая надежность и информативность предлагаемого способа проверки развиваемого момента электропневматического рулевого привода особенно важна и привлекательна, например, на этапе серийного производства продукции.

Таким образом, предлагаемый способ проверки одного из важных выходных параметров (развиваемого момента привода), определяющих качество функционирования электропневматических рулевых приводов, а именно их быстродействие и точность работы, управляемых ракет и снарядов с достаточной для практики степенью точности, информативности, надежности и трудоемкости с помощью простого и надежного технического средства позволяет проводить оценку качества продукции на различных этапах изготовления и испытаний электропневматических рулевых приводов и автопилотов управляемых ракет и снарядов и особенно, что очень важно, на этапе серийного производства продукции.

Источники информации

1. Костин С.В., Петров Б.И., Гамынин И.О. Рулевые приводы. М.: Машиностроение, 1973 г.

2. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов. Под общей редакцией В.А. Чащина. М.: Машиностроение, 1987.

3. Крымов Б.Г., Рабинович Л.В., Стеблецов В.Г. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1987.

4. Автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда 9М117. Выстрел ЗУБК10 с управляемым снарядом 9М117. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗУБК10.00.00.000 ТО. М.: Военное издательство, 1987.

5. Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерения крутящего момента. М.: Машиностроение, 1977 (Аналог).

6. Патент RU 2184340 C2, 27.06.2002, МПК 7 F 42 B 10/60, 15/01, В 64 С 13/36 (прототип).