Разработка блока рулевого привода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на курсовой проект

Разработать блок рулевого привода для ракеты “Тор”, со следующими характеристиками:

1. пара согласованных рулей;

2. пороховым аккумулятором давления (ВАД) в качестве источника рабочего тела;

3. поршневыми рулевыми машинками (РМ) с неподвижным корпусом;

4. МИПЧ;

5. фланцевое соединение отсеков.

Рисунок1: Принципиальная схема ракеты «Тор»

Необходимые данные для расчета:

; ; ; ; ;

; ; ; ;;

Введение

Блок рулевого привода, в состав которого входят силовые приводы, механизмы и органы управления летательного аппарата, является исполнительным органом системы управления и служит для передачи управляющего сигнала к аэродинамическим органам управления. Аэродинамические органы управления летательного аппарата служат для образования переменных по величине и направлению аэродинамических сил и создания относительно центра масс ЛА управляющих и стабилизирующих моментов, обеспечивающих заданные режимы его полета. Рулевые приводы предназначены для перемещения или поворота органов управления и чаще всего представляют собой достаточно сложные замкнутые автоматические системы, относящиеся к классу силовых следящих приводов. Механизмы управления предназначены для передачи энергии от рулевых приводов к исполнительным органам системы управления ЛА.

Для выполнения данного курсового проекта необходимо сначала рассмотреть устройство блока рулевого привода, его основные компоненты, их достоинства и недостатки, а также разработать кинематическую схему его работы.

Основные требования, предъявляемые к блоку рулевого привода:

1. минимальная масса БРП;

2. минимальная длина коммуникаций;

3. минимальные упругие деформации элементов;

4. линейность рабочей характеристики;

5. высокая эффективность и приемлемая надежность;

6. развитие усилия, необходимого для поворота рулевого органа на заданный угол или с заданной скоростью;

7. требуемое быстродействие и точность в зависимости от класса ЛА;

8. простота и удобство в эксплуатации.

1. Обоснование выбора типа РМ и источника рабочего тела

Рулевой привод являются наиболее энергоемкими элементами системы управления ЛА. Габаритные размеры и масса исполнительных устройств вместе с необходимыми источниками питания достаточно велики, а мощность, потребляемая ими, может превышать суммарную мощность, идущую на питание всех электронных схем и всех других элементов, входящих в систему управления ЛА.

В конструкциях ЛА часто усилитель преобразователь и приводной двигатель выполняются в виде единого агрегата - рулевой машинки, тип которой определяется источником энергии.

В данной конструкции в качестве источника рабочего тела для РМ целесообразнее использовать воздушный аккумулятор давления (ВАД), т.к. по сравнению с пороховым аккумулятором давления он имеет ряд преимуществ, таких как более простая конструкция, отсутствие дополнительных элементов (таких как электровоспламенитель, воспламенитель), отсутствие необходимости применения топлива. К недостаткам данного вида источника рабочего тела можно отнести больший объем.

Таким образом, в данной конструкции будем использовать пневматические рулевые машинки. Широкое применение этих РМ на ЛА обусловлено их простотой, малыми габаритными размерами, сравнительно небольшой массой и приемлемой надежностью.

В то же время к недостаткам этих РМ следует отнести довольно большой постоянный расход воздуха, который стравливается в атмосферу, и сложность получения больших управляющих усилий.

Так же недостатком, присущим всем пневматическим РМ, является некоторая зависимость работы от температуры окружающей среды, влияющей на значение давления в полости РМ.

Нагрузки, действующие на приводы органов управления

Для того чтобы отклонить руль или поворотное крыло, рулевой привод должен преодолеть момент аэродинамических сил, действующих на руль относительно оси его вращения. Этот аэродинамический момент называют шарнирным моментом. Шарнирный момент возникает вследствие того, что центр давления аэродинамических сил, действующих на руль, не совпадает с осью вращения руля. Шарнирные моменты с увеличением скорости полета и габаритных размеров ЛА могут достигать очень большой величины. Снизить его величину можно посредством применения аэродинамической компенсации рулей. Однако полная компенсация шарнирного момента на всех режимах полета ЛА невозможна, т.к. положение центра давления изменяется в зависимости от скорости полета.

Кроме шарнирного момента на рулевой привод, перемещающий аэродинамические органы управления, будет действовать момент от сил трения. Величина слагаемых, входящих в суммарное значение момента и нагрузки, зависят от класса ЛА и условий полета.

2. Расчет геометрических параметров отсека и рулей

На рисунке 1 приведена схема расположения отсеков, на которой указаны основные геометрические размеры отсеков, рулей и крыльев.

Вычислим длину 2 отсека (БРП) по формуле:

Вычислим длину 1 отсека (аппаратурный):

Вычислим точку установки рулей:

Рассчитаем расстояние от начала аппаратурного отсека до оси руля:

Далее, рассчитаем габариты руля.

;

Определим размах одного крыла:

Зная геометрические размеры крыла, определяем его площадь, как площадь трапеции:

Исходя из соотношения площадей крыла и руля, приведенного в задании , находим площадь руля:

Зная площадь руля и его геометрическую форму (прямоугольная трапеция) подбираем его размеры:

- бортовая хорда b_b =175 мм,

- концевая хорда b_k =135 мм,

- размах руля h = 80мм.

Определим длину средней аэродинамической хорды графическим путем:

Рисунок 2: Построение средней аэродинамической хорды

В ходе построения длина средней аэродинамической хорды составила .

Определение момента на валу рулевого привода

Рулевая машинка должна развивать момент, компенсирующий моменты трения, инерции и шарнирный:

где - шарнирный момент;

- равнодействующая аэродинамических сил;

- расстояние между центром давления и осью вращения руля.

Момент инерции руля и рулевой передачи:



где - момент инерции руля и рулевой передачи, отнесенной к оси руля.

Момент трения

Шарнирный момент руля

где и - производные коэффициентов подъемной силы ЛА по углам атаки и отклонения;

- скоростной напор;

- относительное расстояние от оси вращения консоли оперения до центра давления;

- площадь руля.

Упрощенную формулу для оценки величины шарнирного момента можно записать в виде:

где - средняя аэродинамическая хорда крыльев.

Если пренебречь инерцией и считать момент трения зависящим от величины шарнирного момента, то



Здесь 1,2 - коэффициент трения системы.

3. Расчет вала рулевого привода

Вал служит соединительным элементом двух противоположно расположенных консолей в кинематической схеме передачи командного усилия от рулевых машинок на рули. Концы вала устанавливаются на свободно вращающиеся подшипниковые опоры. Сам вал проектируется как двух опорная балка на вращающихся опорах, нагруженная сосредоточенными силами, изгибающими и крутящими моментами от рулей и рулевых машинок.

Расчет вала согласованных рулей

Расчет на прочность

Рисунок 3: Расчетная схема вала согласованных рулей

Определяем силу Р, действующую на вал по формуле:



где - момент, развиваемый рулевой машинкой;

- длина рычага рулевого привода.

Принимаем

Составим схему нагружения вала в плоскости XOZ:

Рисунок 4

рулевой привод кинематический

а. - расстояние от опоры до точки приложения силы

Здесь Y_к - подъемная сила консоли руля.

, тогда ,

Расстояние от опоры до точки приложения силы , найдем геометрическим путем.

Рисунок 5:

Разбиваем сечение на простые геометрические фигуры:

Далее, определим координаты центры масс каждой просто фигуры:

Далее, определим координаты центра масс всего сечения.

Строим эпюру изгибающих моментов

Составим схему нагружения вала в плоскости YOZ:

Рисунок 5

Строим эпюру изгибающих моментов

Далее, определяем максимальные величины изгибающих и крутящих моментов.

Величина эквивалентного момента:

Задаемся диаметром вала: 25ХГСА

W - момент сопротивления сечения вала при изгибе, для сплошного

,

где D_в - диаметр вала.

Так как вал целый, то расчет диаметра вала производится по зависимости:

Рассчитаем массу полого вала:

m_п=

где плотность материала вала,

L - длина вала,

Расчет вала на жесткость

· плоскость XOZ



Начальные параметры:

- прогиб сечения в начале координат,

- угол поворота сечения в начале координат (не должен превышать допустимого угла поворота в подшипниках).

Вычислим и из условий закрепления балки.

На левой опоре при : , следовательно =0.

На правой опоре при : , тогда:

Найдем корни уравнения

Определяем максимальный прогиб, подставив х в уравнение упругой линии

Допускаемые прогибы можно оценить по формуле:

если , то условие жесткости выполняется.

Подставим значение в общее выражение для прогиба произвольного сечения.

, значит условие выполняется.

· Плоскость YOZ

Начальные параметры и вычислим из условий закрепления балки.

На левой опоре при y=a ; на правой опоре при y =a+L .



Условие выполняется, значит и условие жесткости согласованного вала выполняется.

4. Расчет углов поворота

Для определения углов поворота сечений вала в точках А и B (точках установки подшипников):

:

Максимальный угол поворота составляет , значит подшипник должен быть шариковым однорядный.

Подбор подшипников для вала рулей

Для того, чтобы снизить потери на трение, а также зафиксировать вал крыльев в осевом направлении, на него ставят подшипники. Широкое применение получили радиальные шариковые подшипники. Это обусловлено тем, что они могут воспринимать как радиальные, так и умеренные осевые нагрузки, предъявляются менее высокие требования к соосности опор и жесткости валов, допускают при невысоких частотах вращения небольшие перекосы за счет внутренних зазоров.

Вал согласованного руля

В проектируемом механизме будут использоваться шариковые однорядные подшипники, не смотря на то что угол закрутки вала больше, чем подшипника.

Основными материалами для колец и тел вращения шарикоподшипников являются шарикоподшипниковые высокоуглеродистые хромистые стали ШХ15 и ШХ15СГ.

Эквивалентную нагрузку определим по формуле:

где и - радиальная и осевая нагрузка;

и - коэффициенты радиальной и осевой нагрузок (в данном случае );

- коэффициент вращения, зависящий от того, какое кольцо вращается (если внутреннее , если наружное );

- коэффициент безопасности ();

- температурный коэффициент. для стали ШХ15 при температуре до 100⁰С.

где - максимальная радиальная сила, возникает на подшипнике

Условие подбора по статической грузоподъемности - эквивалентная нагрузка P_Э должна быть меньше паспортной величины грузоподъемности:

Подбор подшипников осуществляется по динамической грузоподъемности. Найденная эквивалентная нагрузка должна быть меньше динамической грузоподъемности.

Подшипник ГОСТ 8338-75, 7000101

Особолегкая серия диаметров 1

d=12 мм

D=28 мм

В=7 мм

М=0.020кг

Проверяем ресурс подшипников по формуле:



где: n - частота вращения, об/мин;

- показатель степени, равный для шарикоподшипников 3.

Для нашего механизма принимаем n=100об/с=6000 об/мин.

Сравниваем ресурс подобранного подшипника с временем работы механизма (в нашем случае временем полета ракеты t=21 с):

t < L_h,

следовательно, подбор подшипника осуществлен верно.

5. Расчет размеров кинематических элементов пневматических приводов

Расчет размеров кинематических элементов заключается в определении хода поршня. Если угол отклонения вала оперения мал (обычно составляет не более 1015) ход поршня X (см. рис. 10) приближенно можно оценить по следующей зависимости:

Рисунок 10: Кинематические элементы

6. Расчет силового цилиндра рулевой машинки

Расчет силового цилиндра рулевой машинки для вала согласованного руля

Площадь поршня рулевой машинки можно оценить по формуле:

,

где Р - сила, действующая на вал (P=1060,24H),

- давление газа в РМ (1,5 МПа).

, - диаметр поршня

Введем коэффициент запаса k, учитывающий уменьшение полезной площади одной из сторон поршня в результате крепления штока, k=1,2:

Минимальную толщину оболочки цилиндра можно оценить по условия прочности. Запишем уравнение Лапласа для цилиндрической оболочки:

где: Т_m - меридиональное усилие,

T_t - окружное усилие,

р_n - нормальное давление,

R₁ - радиус меридиана цилиндрической оболочки,

R₂ - радиус оболочки в окружном направлении.

Так как для цилиндра , то имеем:

,,

где: - толщина оболочки цилиндра.

тогда

.

где (Д16Т)

С целью обеспечения жесткости конструкции принимаем .

Длина силового цилиндра РМ:

где: X - ход поршня РМ.

Масса силового цилиндра и поршня РМ:

где - площадь поршня;

- толщина поршня;

- плотность материала поршня (Д16Т).

Расчет тяги рулевого привода согласованного руля

Тяга - основной элемент механической передачи многих систем управления. Обычно тяги выполняют из дюралюминиевых, а иногда из стальных стандартных труб. На концах тяг устанавливают наконечники типа ухо или вилка, для соединения с другими элементами проводки управления.

Первоначально определяем площадь поперечного сечения тяги из условия прочности:

где - коэффициент, учитывающий ослабление тяги за счет меньшей жесткости законцовки.

Размещено на Allbest.ru

...