Повышение безотказности и улучшение характеристик электрогидравлических систем приводов летательных аппаратов
Применение разработанного сервопривода золотника гидрораспределителя с линейным электродвигателем — ЛЭД позволяет: осуществлять непосредственное управление потоками жидкости с расходом до 50 л/мин при давлении подачи 28 МПаобеспечить требуемые динамические характеристики следящего силового привода практически на уровне приводов с традиционными электрогидравлическими усилителями мощности при… Читать ещё >
Содержание
Электрогидравлические следящие приводы мобильных машин и, в частности, летательных аппаратов являются оконечными элементами сложных электронных комплексов управления. Достижимые характеристики силовых следящих приводов во многом определяют саму возможность реализации требуемых законов управления машинами, безопасность управления и эффективность применения машин. В полной мере это утверждение относится к рулевым приводам маневренных самолетов. Высокие требования к безотказности функционирования систем, обеспечивающих управление полетом самолетов, привели к широкому использованию методов резервирования бортовых систем и агрегатов. В первую очередь это относится к энергетическим системам и электронным системам, обеспечивающим эффективное управление полетом. На рис.В.1 представлена схема размещения на современном самолете Су-30 МКИ комплекта следящих приводов, управляющих положением органов управления полетом (позиции 1−13) и многостепенного привода, управляющего положением антенны радиолокатора (позиция 14). Этот рисунок показывает весьма внушительную картину применения следящих электрогидравлических приводов на борту современного самолета. На рис.В.2 показана упрощенная схема взаимосвязи системы рулевых приводов с бортовыми энергетическими системами и с системой автоматического управления. Ужесточение технических требований к характеристикам авиационных приводов, а также требований к их безотказности и безопасности управления являются важными аспектами развития силовых систем управления такими сложными комплексами, какими являются силовые системы управления летательных аппаратов. В качестве других примеров систем приводов мобильных машин, к характеристикам которых 9 предъявляются повышенные требования к надежности управления и динамической чувствительности, можно привести: следящие приводы радиолокационных антенн слежения, приводы беспилотных летательных аппаратов, приводы рулевых поверхностей быстроходных судов на подводных крыльях, приводы испытательных стендов и тренажеров, а также приводы иных машиностроительных комплексов, в которых требуется точное и надежное перемещение рабочих органов. Элементы таких приводов являются изделиями межотраслевого производства и применения. Наиболее жесткие технические требования к характеристикам и показателям качества, характеризующим управление, безотказность, энергетику привода, его монтажный объём и т. п., предъявляются к приводам летательных аппаратов. Поэтому, рассматривая методы улучшения характеристик и показателей качества электрогидравлических следящих приводов летательных аппаратов, можно распространить эти методы и подходы на весьма широкий класс машиностроительных приводов.
В настоящее время в качестве силовых приводов рабочих органов машин получили широкое применение следящие электрогидравлические приводы. Это обусловлено рядом принципиальных достоинств гидравлических приводов. Например, несмотря на успехи электротехнической промышленности в области создания электродвигателей с магнитами из редкоземельных материалов, гидравлические приводы превосходят электрические по таким показателям, как мощность на единицу массы (у гидравлических исполнительных механизмов — 0.5 — 1 кВт/кг, а у электромеханических исполнительных механизмов — 0.02 — 0.1 кВт/кг). Монтажный объём у электромеханических исполнительных механизмов при равной мощности с гидравлическим аналогом примерно в 10 раз больше [1]. Приведенный момент инерции к двигателю при одинаковой массе объекта у
10 гидропривода в 20. 50 раз меньше, чем у электропривода. Соответственно и статические характеристики исполнительного гидравлического механизма более жесткие, чем исполнительного электромеханического механизма, а быстродействие выше. Благодаря указанным выше достоинствам гидравлических приводов в настоящее время для автоматического управления положением нагруженных внешней силой и (или) массивных рабочих органов машин наиболее широко применяются электрогидравлические следящие приводы. Интеграция бурно развивающейся микроэлектронной техники, позволяющей формировать сложные законы управления движением рабочих органов машин, с мощными исполнительными гидравлическими механизмами стимулирует широкое развитие электрогидравлических следящих приводов со встроенными в них микроэлектронными контроллерами. В силу указанных обстоятельств, а также из-за невозможности пилотировать вручную маневренный самолет с аэродинамическими неустойчивыми компоновками, в настоящее время для управления рулевыми поверхностями современных маневренных самолетов и в Р.Ф. и за рубежом используются исключительно электрогидравлические следящие приводы, входящие в состав электродистанционных систем управления. Анализ перспектив развития таких систем показывает, что в ближайшие 10−15 лет в качестве рулевых приводов самолетов будут применяться в основном электрогидравлические следящие приводы. Однако структура и элементы систем приводов претерпят существенные изменения в направлении внедрения высокоэффективных электромеханических управляющих элементов, встроенных в привод микроэлектронных цифровых систем управления и контроля и т. п.
Среди специфических требований, предъявляемых к характеристикам приводов органов управления самолетов, существенно влияющих на проектные решения, следует выделить следующие: высокая степень безотказности приводов, которая характеризуется способностью сохранять управление рулевой поверхностью или иным рабочим органом при появлении локальных отказов в элементах привода и во взаимодействующих с ним системах- обеспечение требований к частотным характеристикам следящего привода в области малых и сверхмалых перемещений выходного звена привода и других его подвижных элементов при изменении условий эксплуатации, например, при амплитудах перемещения золотника гидрораспределителя до 0.007 мм и при амплитудах перемещения выходного звена привода до 0.1% от максимального хода- ограничение потребляемого от бортового источника гидропитания расхода рабочей жидкости при отсутствии внешней силы и при помогающей нагрузке- повышение энергетической эффективности приводов путем регулирования потребляемой приводом энергии в соответствии с требуемой скоростью движения выходного звена, при действующей на него нагрузке.
В процессе работы над новыми проектами электрогидравлических следящих приводов летательных аппаратов и других машин, соответствующих указанным выше общим требованиям, автору приходилось решать ряд сложных научно-технических задач по формированию схем и конструкций электрогидравлических приводов, обеспечивающих выполнение жестких требований к показателям их качества. Обобщение наиболее эффективных и, обладающих общностью решений сложных проектных задач, представляющих практический интерес для различных отраслей машиностроения, составляет основное
12 содержание диссертации. Разработанные и представленные в диссертации технические решения, позволили создать высокоэффективные комплексы управления для ряда маневренных отечественных самолетов, таких как Су-27 КУБ, Су-37, Су-30 МКИ, С-47 и других летательных аппаратов, а также судов на подводных крыльях. Разработанные автором и представленные в диссертации научно-технические решения в области повышения безотказности и улучшения характеристик систем электрогидравлических приводов явились результатом решения следующего комплекса задач:
1. Формирование рациональных схем и конструкций, а также подходов к синтезу базовых параметров исполнительных механизмов электрогидравлических следящих приводов, обеспечивающих требуемые законы движения выходного звена и механические характеристики при минимальном энергопотреблении.
2. Формирование схемотехнических и конструкторских решений при построении встроенных в привод подсистем, обеспечивающих:
Выравнивание сил, действующих в исполнительных механизмах многоканальных резервированных приводов, работающих в режиме суммирования усилий на общем выходном звене, что позволяет улучшить динамические характеристики приводов.
Встроенный контроль состояния электрогидравлических приводов (мониторинг), а также блокировку отказавшего канала и переключение при появлении неисправности с отказавшего канала привода на исправный канал.
Повышение стабильности и улучшение характеристик привода при изменении условий эксплуатации и линеаризация нелинейных характеристик элементов, участвующих в формировании законов движения выходного звена привода.
Реализация требуемых законов управления в области малых и сверхмалых управляющих сигналов, для гидравлических приводов высокочувствительных систем управления.
Внедрение цифровых методов для управления элементами электрогидравлического привода и мониторинга его состояния путем использования встроенного в привод микроконтроллера.
3. Повышение общей структурной надежности электрогидравлических приводов путем упрощения структуры привода и исключения из его состава отказоопасных элементов.
4. Разработка законов регулирования, схем и конструкций насосов для автономных электрогидравлических приводов, обеспечивающих снижение потребляемой приводом мощности при обеспечении требуемых характеристик приводов.
Большинство из представленных в диссертации схемных и конструкторских решений, подходов и алгоритмов прошли апробацию в процессе создания новых образцов электрогидравлических приводов современных летательных аппаратов. Разработанные автором конструкции приводов и их устройств, выполненные на уровне изобретений, прошли стендовые и натурные испытания и установлены на отечественных летательных аппаратах. Указанные конструкторские разработки были представлены на ряде авиасалонов в Лебурже в 1999 и 2001 году, в Москве на авиакосмических салонах МАКС и на других международных выставках. Общая характеристика работы.
Диссертация представляет собой теоретическое обобщение проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ автора, выполненных им при создании электрогидравлических систем приводов летательных аппаратов на протяжении последних 20 лет при работе инженером — конструктором, ведущим конструктором, руководителем
14 конструкторской бригады в Павловском машиностроительном заводе «ВОСХОД». Отдельные разделы диссертации, связанные с математическим моделированием, внедрением цифровых контроллеров и с разработкой электромеханических преобразователей — линейных электродвигателей, основаны на предложениях автора при работе его Главным конструктором конструкторского бюро ОАО «ПМЗ Восход». Результаты исследований по указанной выше тематике выполнены совместно с ведущими специалистами конструкторского бюро и отражены в совместных с ними публикациях.
Целями представленной работы являются:
Повышение структурной надежности и, в частности, безотказности электрогидравлических систем следящих приводов, которые должны обеспечивать управление объектом в условиях появления отказов в элементах привода и во взаимодействующих с ним подсистемах.
Повышение эффективности управления в части улучшения динамических характеристик, увеличение их стабильности и расширения диапазона амплитуд управляющих сигналов, при котором осуществляется эффективное регулирование движением выходного звена привода при изменении условий эксплуатации.
Повышение энергетической эффективности электрогидравлических приводов в части снижения потребляемой приводом энергии при обеспечении требуемых механических характеристик и законов движения объекта в заданных эксплуатационных условиях.
Научная новизна представленной работы заключается:
В системе встроенного контроля координат привода с одновременным выравниванием сил в тандемных исполнительных механизмах резервированного привода и переключения на исправный канал при возникновения отказов-
Следящем многоканальном гидравлическом приводе с золотниковым адаптивным электрогидрораспределителем-
Применении в автономных электрогидравлических приводах регуляторов производительностью подачи вакуумированной рабочей жидкости на всасывающей линии насоса-
Снижении потребляемой приводами энергии за счет формирования предельных механических характеристик, имеющих касания с диаграммой нагрузки в точке ее максимума
Практическая значимость работы заключается: в создании ряда электрогидравлических приводов летательных аппаратов, обеспечивающих эффективное управление в установленных эксплуатационных режимах, в том числе и в режимах возникновения отказов в элементах привода и во взаимодействующих с ним системах-
в повышении общего уровня безотказности приводов путем замены отказоопасных управляющих элементов (электрогидравлических усилителей типа «сопло-заслонка») на более простые, но более надежные электрогидравлические усилители с непосредственным управлением, что позволяет упростить систему контроля, конструкцию сервоприводов, снизить общий вес и монтажный объем привода-
в создании схем и конструкций автономных электрогидравлических приводов с объёмно-дроссельным регулированием скорости,
16 обеспечивающих существенное повышение их энергетической эффективности при сохранении достоинств приводов с дроссельным регулирование скорости. Важным аспектом практического значения представленных в диссертации разработок является то, что разработанные схемные и конструкторские решения, алгоритмы управления и мониторинга приводов, математические модели и алгоритмы расчета элементов привода, могут эффективно использоваться при проектировании электрогидравлических приводов в различных отраслях машиностроения, разрабатывающих гидрофицированные машины. Апробация работы.
Большинство из представленных в работе теоретических, схемных и конструкторских решений прошли практическую апробацию в процессе создания новых систем приводов для современных авиационных и ракетных систем управления. Большинство из разработанных автором технических решений прошли всесторонние стендовые и летные испытания или проверены эксплуатацией. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах и конференциях, в частности, на Всероссийском семинаре «Проблемы развития гидропневмоавтоматики в 21 веке» в Институте проблем управления РАН, Москва 2001 г.- на 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов» в Московском государственном авиационном институте, Москва 2002 г.- на 10-м Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматизации и обработки информации» в г. Алушта- на 6-м Международном симпозиуме «Авиационные технологии 21-го века» в ЦАГИ, г. Жуковский.
Структура диссертации. Диссертация состоит из восьми глав. В первой главе, которая носит обзорный характер, рассматривается современное состояние и пути развития электрогидравлических приводов, улучшения их энергетических показателей, эксплуатационных характеристик.
Во второй главе на основе теоретического обобщения методов оценки энергетики силовых систем управления предлагается проблемно-ориентированный методологический подход к расчету энергетических характеристик и параметров электрогидравлических следящих приводов при различных законах движения выходного звена привода и при различных требованиях к его динамическим характеристикам. Излагается последовательность и методика расчетов базовых параметров исполнительного механизма гидропривода с учетом потерь на местных сопротивлениях в магистралях гидропитания и в корпусе привода при различных требованиях к механической характеристике исполнительного механизма.
В третьей главе на основе общей теории надежности анализируется безотказность типовых структур резервированных систем электрогидравлических приводов. Оценивается степень резервирования привода, необходимая для обеспечения требуемой его безотказности, а также некоторые требования к системе встроенного контроля состояния привода.
Приводятся результаты теоретического обоснования комплексной системы, объединяющей подсистему выравнивания сил в исполнительных механизмах многоканального привода с суммированием сил на общем выходном звене и подсистему встроенного контроля. В частности, предлагается вариант реализации указанной комплексной подсистемы на основе электрогидравлических устройств выравнивания перепадов давления в полостях
18 исполнительных. Приводятся результаты работ автора по реализации цифровой системы встроенного контроля электрогидравлических сервоприводов. Рассматриваются результаты экспериментального исследования сервопривода с цифровой системой встроенного контроля сервопривода при работе его в режимах возникновения возможных отказов, оцениваются последствия активных и пассивных отказов. В четвертой главе содержатся результаты конструкторской и схемной реализации резервированных структур многоканальных электрогидравлических следящих приводов с системами встроенного контроля, в основе которых лежат предлагаемые технические решения. Приводятся результаты экспериментального исследования аналоговой и цифровой систем встроенного контроля состояния резервированного привода.
В пятой главе рассматриваются результаты разработки электрогидравлического сервопривода с непосредственным управлением гидрораспределителем. Показываются пути обеспечения точного непосредственного управления силовым гидрораспределителем в области малых сигналов с помощью многоканального электромеханического преобразователя — линейного электродвигателя (ЛЭД). Приводятся результаты разработки специальных адаптивных регуляторов таких сервоприводов с использованием математических моделей сервопривода. Эффективность разработанных регуляторов подтверждается приведенными результатами экспериментальных исследований.
В шестой главе рассматривается структура и эффективность цифрового регулятора типового электрогидравлического сервопривода, построенного на основе теории инвариантных систем [2]. Приводятся результаты теоретического исследования и стендовых испытаний сервопривода с цифровым вариантом регулятора.