zaharov

331

П р о д о л ж е н и е т а б л. 6.1

Параметр или свойство (качество) сравнения по системам

333

О к о н ч а н и е т а б л. 6.1

Параметр или свойство (качество) сравнения по системам

1. Структуры всех рассматриваемых систем подобны. Источниками энергии систем являются:

механический привод от маршевого двигателя или ВСУ;

электропривод (для гидрогазовых систем);

пневмотурбопривод (работающий на воздухе, отбираемом от компрессора), объѐмный газовый привод, газогенераторы, баллоны;

ветродвигатели, работающие от набегающего потока;

маховики.

2.Важнейшим параметром является скорость передачи информационного импульса в системах. Здесь, без сомнения, электрические системы вне конкуренции.

3.Наиболее характерные отличия специфичны для каждой из систем. Они и определяют области их рационального применения.

4.Силовая напряжѐнность оценивается силами, развиваемыми в различных энергосистемах на единицу активной поверхности.

Известно, что для электрических систем вращающий момент ограничен магнитными силами, действующими между ротором и статором,

анасыщение лучших магнитных материалов происходит при тангенциальных напряжениях 1…2 МПа. В гидравлических и газовых системах в настоящее время применяют рабочее давление 15…30 МПа и ожидается его дальнейшее повышение.

5.Предельная силовая напряжѐнность – это потенциально возможные предельные характеристики систем. Известно, что применение материалов на основе самария-кобальта в роторах электромашин и постоянного тока напряжением 270 В позволяет повысить в 3-5 раз удельные нагрузки на активную поверхность. Для гидросистем существуют теоретические оптимальные уровни рабочих давлений, минимизирующие массу и объѐм агрегатов.

6.Экспоненциальная функция, описывающая процесс изменения расхода (тока) на выходе трубопровода (сети) при скачкообразном изменении давления (напряжения), для всех систем единая. Существенное различие переходных процессов – в разных запаздываниях.

Быстродействие вращательных приводов разных систем можно считать пропорциональным отношению действующего момента к мо-

менту инерции подвижных элементов, т.е. угловому ускорению, достигающему для электросистем 1000 с–2, а для гидросистем 10 000 с–2.

7. Массовая отдача источников энергии различных систем (что является следствием существенного различия значений параметра силовой напряжѐнности) составляет: 2…4 кг/кВт для генераторов постоянного тока, около 2 кг/кВт для генераторов переменного тока с приводами постоянной частоты вращения; 1 кг/кВт для интегральных

335

приводов-генераторов переменного тока; 0,1…0,4 кг/кВт для гидронасосов переменной подачи.

Массовая отдача приводов для различных систем составляет: 2…4 кг/кВт для электромоторов, 10…30 кг/кВт для электрических силовых цилиндров (мотор, редуктор, пара винт – гайка), 0,1…0,4 кг/кВт для гидромоторов, 0,3…0,4 кг/кВт для гидро- и пневмоцилиндров.

Массовая отдача сетей для рассматриваемых систем составляет: 0,2…0,5 кг/(кВтм) для систем постоянного тока, 0,1…0,02 кг/(кВтм) для трѐхфазных систем переменного тока.

8. Общий КПД силовой системы позволяет ориентировочно оценить тепловую нагруженность системы. Внешние нагрузки на приводах ЛА изменяются в широком диапазоне, что затрудняет оптимизацию системы по одному наиболее характерному режиму.

9. Данные относятся к серийно выпускаемым изделиям.

10. Сравнение -характеристик базовых элементов различных энергосистем показывает, что интенсивности отказов элементов гидросистем и газовых систем, как правило, ниже, чем у электромеханических систем.

Существенно различные значения – характеристик для разных приводов объясняются простотой гидропневматических по сравнению с электромеханическими (по количеству деталей и узлов).

11–13. Приводимые свойства систем качественно характеризуют их особенности, как следствие, области применения.

14, 15. Приводятся основные наиболее существенные характеристики энергетических систем и приводов.

Основными энергетическими системами на ЛА остаются гидравлические системы, работающие в комплексе с электроустройствами управления, а также с электрическими, газовыми (пневматическими) или пиротехническими аварийными системами.

Газовые (пневматические) системы могут применяться как основные системы на ЛА одноразового действия с ограниченной ѐмкостью источника энергии.

Анализ бортовых энергетических систем современных самолѐтов и вертолѐтов показывает доминирующее положение гидросистем. Эти системы, обеспечивая энергией до 20…35 функциональных подсистем управления, включают до 1000 агрегатов с резко возросшими динамическими характеристиками. Непрерывно растут рабочие значения давления и температуры. Мощность таких систем достигает сотен и тысяч

киловатт, а масса (от взлѐтной) – от 1…1,5 % (тяжѐлые самолѐты) до 4…5 % (сверхзвуковые маневренные самолѐты).

Отказы многих из функциональных подсистем (электрогидравлических систем управления рулевыми поверхностями) могут создать предпосылки к катастрофам и авариям, а это предопределяет их многократное резервирование (до 3–4 раз).

Гидравлические системы превосходят электромеханические по массовым показателям (практически на порядок) и простоте гидроприводов большой мощности с малой скоростью выходного звена.

Из литературных источников известно, что зависимости массы (m) и объѐма (W) большинства агрегатов гидросистем от рабочего давления имеют минимумы.

В первом приближении для современных конструктивных сталей

Рm min в/8n, PW min в/4n,

где в – временное сопротивление материала; n – коэффициент запаса прочности.

Именно поэтому в авиационных гидросистемах наблюдается непрерывный рост рабочих давлений от 10 до 35 МПа.

Оптимальные уровни рабочих давлений, при которых минимизируются масса и объѐм агрегатов гидросистем, для лучших конструкционных материалов лежат в пределах 30…50 МПа (при минимизации массы) и 40…80 МПа (при минимизации объѐма).

Необходимо создать ряд новых типов гидроприводов, которые могут превзойти наиболее распространѐнные типы линейного возвратнопоступательного привода (цилиндра) с учѐтом особенностей их компоновки (необходимости вписаться в объѐм крыла, располагая привод по оси поворота).

Необходимо провести для гидромеханических агрегатов и систем в целом исследования по нормированию перегрузочных режимов их работы на повышенных уровнях рабочих давлений, что практикуется в общепромышленных гидроприводах.

Гидросистема в будущем должна быть адаптивной, т.е. работать на переменном рабочем давлении, соответствующем нагрузкам на потребителях функциональных систем в текущий момент.

Включение гидросистемы в единый интегральный комплекс оборудования самолѐта невозможно без использования микропроцессоров для управления режимами работы как гидронасосов, так и гидроприводов.

337

Существующие гидроприводы могут работать в режимах рекуперации энергии в гидрогазовых аккумуляторах при оснащении их дополнительными устройствами управления.

Актуальной проблемой развития систем авиационного гидропривода и гидрооборудования является разработка их диагностического обеспечения, отвечающего мировым стандартам. Основное направление в развитии систем эксплуатационного контроля гидросистем в настоящее время – это дальнейшее совершенствование систем встроенного контроля и создание бортовых, наземно-бортовых и наземных автоматических систем контроля, обеспечивающих эффективное диагностирование функциональных систем самолѐтов в процессе эксплуатации. Важным остаѐтся совершенствование имеющихся и создание новых эффективных средств диагностирования отдельных типов гидроусилителей или отдельных систем, применение которых должно сочетаться с системами встроенного и автоматизированного контроля.

Дальнейшее совершенствование технической базы необходимо для замены многочисленных автоматических и полуавтоматических систем (с их датчиками, вычислительными и исполнительными механизмами) единой, мощной и многократно резервированной автоматической бортовой системой управления.

Требуются новые решения способов резервирования гидросистем, так как дальнейшее увеличение кратности резервирования недостаточно повышает надѐжность гидросистем.

Для разработки нового конкурентоспособного гидрооборудования необходимо проводить его анализ с использованием критериев оценки конструкции, которые служат мерой совершенства и прогрессивности рассматриваемого гидрооборудования по сравнению с аналогами.

Критерии оценки позволяют количественно выразить качество конструкции и могут служить основой для выявления недостатков существующих конструкций и требований при разработке нового гидропривода и его элементов.

Растущий авиационный рынок испытывает потребности в самолетах повышенной эффективности, безопасности, эксплуатационной надежности и приемлемой стоимости. Системы управления полетом являются одними из основных систем самолетов, которые непрерывно совершенствуются. Впервые в 1955 г. на коммерческом самолете Caravelle применены гидравлические приводы в системе управления полетом, затем в 1969 г. на самолете Concorde в систему управления вне-

дрены электрогидравлические приводы. С 1997 г. на самолете Airbus A-320 управление полетом осуществляется цифровой системой управления (FBW).

Действующими правилами норм безопасности полетов установлено, что отказы приводов управления или их сочетание, приводящие к потере самолета, должны оцениваться как чрезвычайные, и вероятность их отказа за 1 час полета не должна превышать 10–9. Для обеспечения этой нормы приводы системы управления должны запитываться от дублирующих источников питания. При существующем уровне надежности вторичных источников питания практически требуются три независимых источника питания.

В настоящее время эксплуатируемая коммерческая авиация снабжена тремя независимыми гидравлическими системами питания и двумя независимыми электрическими системами, что доводит общее количество независимых источников питания до пяти.

Решением проблемы повышения безопасности полета является исключение одной из гидравлических систем питания с заменой соответствующих гидравлических сервоприводов совокупностью приводов с электропитанием. При этом не сказывается отрицательное влияние на надежность работы системы управления полетом.

Существующая структура приводов самолетов Airbus с электроуправлением (FBW) основана на использовании активных и резервных приводов. В базовой «более электрической» структуре сохраняется этот принцип: в качестве работающих в активном режиме приводов сохраняются обычные сервоприводы, а резервные приводы заменяются на приводы ЕНА.

Преимущества от введения приводов с электропитанием в смешанную структуру системы управления:

снижается общее количество гидравлических агрегатов, что улучшает показатели надежности (среднюю наработку на отказ), повышает уровень безопасности полета и ремонтопригодности;

исключаются генерирующие и распределительные агрегаты одной из гидросистем питания (насос, гидробак, фильтры, трубопроводы) и соответствующие сервоприводы заменяются на приводы ЕНА, что позволяет снизить вес и стоимость системы.

На современном техническом уровне в рулевых приводах систем управления пассажирских и транспортных самолетов используется отработанная конструкция многоканальных электрогидравлических приводов для основных управляющих поверхностей.

339

В течение последних лет темпы усовершенствования этих конструкций заметно уменьшились и дальнейший прогресс достигался за счет улучшенных физико-механических свойств материалов и технологических процессов.

С другой стороны, активно развиваются конструкции электрических приводов. Усовершенствованы применяемые в приводах бесщеточные электродвигатели с использованием редкоземельных элементов и цифровые процессоры управления. Это дает возможность создать электрогидростатический привод с электроуправлением для реализации на основе последних достижений.

Можно предвидеть, что в перспективе гидравлическое оборудование авиатехники будет постоянно совершенствоваться: повышаться весовая эффективность, уменьшаться монтажные объемы, повышаться безотказность, уровень автоматизации и контроля, улучшаться физикомеханические свойства материалов и технологических процессов.

За последнее десятилетие авиационной индустрией были проведены обширные исследования гидроприводов объемного регулирования с электроуправлением и автономным гидропитанием. Такие приводы нашли применение в системах управления самолетов Airbus. Они позволили сделать вывод об эффективности их использования в системах управления самолетов.

Работы проводились по созданию и исследованию опытных образцов следующих четырех типов приводов:

электрогидростатических с резервированием (ЕВНА);

электрогидростатических (ЕНА);

электромеханических (ЕМА);

интегральных блоков управления (IAP).

Одной из ведущих фирм Lukas Aerospace накоплен большой опыт конструкторской разработки, исследований и летной оценки электрогидростатических приводов, главным образом ЕВНА и ЕНА.

При разработке самолетов основным критерием совершенства бортовых гидравлических систем является весовая эффективность гидрооборудования. Она может быть получена при внедрении в гидросистемы высоких номинальных давлений 35 МПа и выше.

Исследовательские и проектные работы по внедрению высоких давлений в гидросистемы самолетов активизировались в зарубежном авиастроении за истекшие 20...25 лет. На основе исследований высокие номинальные давления для авиационных гидросистем внедрены

в международные и национальные стандарты. Наиболее глубоко изучена проблема работоспособности гидросистем с номинальным давлением 35 МПа. Созданы источники давления, приводы управления полетом, комплектующие гидросистемы питания агрегатов, проведены работы по моделированию, экспериментальным испытаниям и летные исследования на маневренных самолетах. Так, фирмой Vickers Incorporated созданы насосы на номинальное давление 35 МПа на базе серийных насосов на номинальное давление 21 МПа. Насосы освоены промышленностью и внедрены на маневренных самолетах. Показатели удельной мощности насосов на номинальное давление 35 МПа превышают показатели насосов на номинальные давления 21 и 28 МПа, а показатели надежности соответствуют показателям эксплуатируемых насосов на номинальное давление 21 МПа.

В настоящее время к числу новых коммерческих самолетов, в гидросистемах которых планируется использовать повышенное номинальное давление 35 МПа, относится самолет А-380 фирмы Airbus. В гидросистеме этого самолета предполагается внедрить негорючую рабочую жидкость на основе фосфорного эфира.

В системе управления полетом самолета А-380 будут установлены электрогидростатические приводы ЕНА, являющиеся приводами объемного регулирования с электроуправлением и автономным гидропитанием.

На рис. 6.1 показана гидравлическая схема привода.

Рулевая поверхность 9 самолета управляется силовым цилиндром 8. Камеры цилиндра соединены с насосом постоянной подачи 3, который, в свою очередь, управляется реверсивным, с регулируемой частотой вращения бесщеточным электрическим приводом, включающим электродвигатель 2 и электронику 1. Гидробак 10 поддерживает противодавление в гидравлическом контуре и компенсирует изменение объема жидкости вследствие ее температурного расширения-сжатия, а также потери жидкости из-за утечек. Жидкость в линии дренажа из корпуса насоса очищается фильтром 11, оснащенным перепускным клапаном 12. Клапан безопасности 13 предотвращает неприемлемое повышение противодавления, вызванное несоблюдением правил эксплуатации (переполнение при заправке). Условия безопасности потребовали введения клапана кольцевания 6, для гидравлической изоляции насоса и демпфированного отклонения управляющей поверхности. Предохранительные клапаны 5 ограничивают максимальное усилие привода с целью избежания разрушения