zaharov

341

4

5

6

7

Рис. 6.1. Гидравлическая схема электрогидростатического привода ЕНА для основной системы управления крупногабаритным коммерческим самолетом:

1 – электроника для электродвигателя и электромагнитного клапана кольцевания; 2 – бесщеточный электродвигатель постоянного тока; 3 – гидравлический насос; 4 – антикавитационный клапан насоса; 5 – предохранительный клапан насоса; 6 – клапан кольцевания; 7 – антикавитационный клапан гидроцилиндра; 8 – гидроцилиндр; 9 – управляющая поверхность; 10 – гидробак; 11 – гидравлический фильтр; 12 – предохранительный клапан фильтра; 13 – клапан безопасности; 14 – обратная связь по положению; 15 – электропитание и управляющие входные сигналы; 16 – информа-

ция по обратной связи; 17 – обратная связь по положению клапана кольцевания

конструкции самолета. Антикавитационный клапан 4 насоса расположен в непосредственной близости к штуцерам насоса для передачи давления от гидробака к штуцерам всасывания насоса. Антикавитационные клапаны 7 цилиндра используются только в режиме кольцевания и создают необходимое заполнение жидкостью гидравлического демпфирующего контура. Электрические сопряжения 15–18 обеспечивают поступление управляющих сигналов для изменения оборотов электродвигателя.

Привод ЕНА нельзя рассматривать как простое объединение отдельных готовых элементов: насоса, электродвигателя, гидроцилиндра, силовой и управляющей электроники. Интеграция этих элементов для обеспечения требований по функционированию привода ЕНА ставит перед разработчиками уникальные проблемы, решение которых подтверждается в процессе разработки, наземных и летных испытаний опытных образцов приводов.

Особенности привода ЕНА

По насосу. Существующие насосы обладают сравнительно большим рабочим объемом и рассчитаны на вращение в одном направлении с постоянной скоростью. Для привода ЕНА требуются насосы с высокой скоростью вращения, с малым рабочим объемом, с высокой скоростью реверса, со значительно меньшими потерями из-за низкой способности теплообмена, высокими показателями срока службы.

Привод насоса. В качестве привода насоса используется гидромотор. Основным преимуществом объединения насоса и гидромотора является исключение уплотнения вала как малонадежного элемента даже в условиях нереверсивного движения с постоянной скоростью.

Электродвигатель обладает большими преимуществами, разрабатывается в нескольких вариантах:

ротор в контакте с жидкостью; ротор и статор в контакте с жидкостью.

Силовая и управляющая электроника. В ранее эксплуатируемых самолетах гидропривод имел мощность более 100 кВт.

Усамолета А-320 для привода ЕНА N ≈ 2 кВт.

Усамолета А-340 для привода ЕНА N ≈ 10 кВт.

Электронные устройства имеют надежность более низкую, поэтому они должны представлять быстросъемные блоки (LRU).

343

Насос: Q = const, P = 250 бар, n = 18000 об/мин, плунжера не имеют башмаков, используется плавающая опорная шайба.

Бак: представляет собой газовую полость с P = 14 бар, диафрагма литая, рабочая жидкость Skydrol.

Конструкция электронного блока управления (ECU). ECU

состоит из электронного управляющего устройства (ЕС) и электроники силового привода (PDE).

ЕС включает:

интерфейс компьютера самолета А-330, процессор цифровых сигналов и памяти;

вентильную матрицу для формирования команд;

источник питания.

Разработка программного обеспечения для DSP проведена структурным методом.

Приводы ЕНА объемного регулирования с электроуправлением и автономным гидропитанием созданы с участием фирм Aerospatiale, Moog Inc., Lucas Aerospace, Liebherr Aerospace Lindenberg, SAMM, SABCA, DOWTY. Основные конструктивные решения и технология производства электрогидростатических приводов отработаны в результате лабораторных, наземных и летных исследований в системах аварийного управления элеронами эксплуатируемых самолетов Airbus.

Исследован широкий диапазон требований к параметрам, характеристикам и показателям надежности электрогидростатических приводов для реализации их в системах управления самолетов Airbus различных классов как региональных, среднемагистральных, магистральных, так и крупногабаритных самолетов типа А-380.

Наиболее эффективным и экономичным для обеспечения процесса объемного регулирования в электрогидростатических приводах является использование высокооборотных реверсивных электродвигателей с насосами постоянной подачи.

Основные направления дальнейшего совершенствования электрогидростатического привода ЕНА

1. Улучшение тепловых режимов работы ЕНА посредством:

разработки электродвигателей и силовой электроники с минимальными энергетическими потерями;

повышения эффективности комплектующих гидравлических элементов;

оптимизации процессов терморегулирования привода.

2. Проведение исследований по оценке эффективности:интегрального блока управления (IAR);

насосов постоянной и переменной подачи в составе приводов;электродвигателей с постоянными магнитами;комбинированных электродвигателей;

электронных устройств в модульном исполнении.

3. Оптимизация применения готовых и стандартных комплектующих элементов с целью снижения себестоимости привода.

Для комплектации гидросистемы и приводов управления ЕНА самолета А-380 фирмы Lee Company представлены технические требования на разработку ряда миниатюрных гидроагрегатов:

антикавитационные обратные клапаны;

встраиваемые предохранительные клапаны;

встраиваемые обратные клапаны;

челночные клапаны;

предохранительные термоклапаны;

фильтры сетчатые тонкой очистки;

гидродроссели демпфирующие.

Созданы и отработаны методы моделирования стендовых испытаний и летной оценки функционирования электрогидростатических приводов, в том числе температурных режимов работы, позволяющие оптимизировать структуру и конструкцию приводов с целью обеспечения требований аварийного управления элеронами самолетов Airbus.

По результатам исследований, электрогидростатические приводы рекомендуются в качестве резервных в системах управления самолетов Airbus, что позволяет улучшить весовые показатели бортовых систем управления и повысить безопасность полета при отказах централизованных гидросистем питания.

Применение на перспективном самолете Airbus А380 разнородных приводов в системе управления полетом (электрогидравлические сервоприводы, электрогидростатические и электромеханические приводы), в совокупности с внедрением номинального давления 35 МПа, позволит исключить одну из централизованных гидросистем питания, повысить надежность и снизить массу бортового оборудования.

гидроснабжения с дроссельным регулированием не превышает 60...70 %, а система электроснабжения 70...80 %; проблема уменьшения массы, габаритов энергосистем и повышения их КПД при создании истребителя пятого поколения выглядит весьма сложной, но необходимой.

Значительные наработки в области гидравлических систем управления полетом устанавливают очевидный вариант энергетических систем, при котором генерирование и транспортировку энергии осуществляет система электроснабжения, а управление рулевыми поверхностями производится за счет электрогидравлических приводов с объемным регулированием. Это позволяет существенно увеличить КПД и уменьшить массы вспомогательных энергосистем в целом, одновременно значительно повысив показатель боевой живучести самолета, так как устраняются проходящие по всему борту и легко уязвимые многометровые трассы трубопроводов с движущимся энергоносителем.

По массовому совершенствованию гидросистем перспективных СМС сформировались следующие основные направления:

внедрение в гидростемы высоких номинальных давлений 35 МПа и 56 МПа;

разработка систем источников давления, обеспечивающих рациональное потребление гидроэнергии при высоких номинальных давлениях;

миниатюризация комплектующих гидросистемы агрегатов. Одним из эффективных способов решения проблемы снижения ве-

са авиационного гидрооборудования является повышение номинального давления рабочей жидкости.

В практике авиастроения в настоящее время ведутся активные исследовательские и проектные работы по внедрению повышенных номинальных давлений в гидросистемы новых типов маневренных самолетов. В США выполнен комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по оценке эффективности использования номинального давления 56 МПа в гидросистемах маневренных самолетов. Летная оценка проведена на самолетах F-14, T-2C, A-7E, F-15, гидросистемы которых были доработаны под номинальное давление 56 МПа. Полномасштабное моделирование и исследование гидросистемы самолета А-7Е с давлением 56 МПа дали следующие результаты:

снижение веса гидросистемы на 30,2 %;

347

снижение вероятности боевого поражения гидросистемы на 39,7 %. Исследованиями модернизированной гидросистемы самолета F-15

установлено:

гидросистема обеспечивает требования, предъявляемые к системе гидропитания маневренного самолета F-15;

уменьшение веса при модернизации гидросистемы с реализацией принятых технических решений составило 18 % при снижении мощности гидросистемы на 65 % и расхода в гидросистеме на 44 %;

мощность насоса переменного давления снижена на 45 % в сравнении с насосом на номинальное давление 21 МПа.

Жесткие весовые лимиты на создаваемые перспективные маневренные самолеты и, в частности, на самолеты пятого поколения по программе JSF потребуют соответствующего облегчения гидрооборудования, и при использовании крыла и оперения тонкого профиля комплектующие гидроагрегаты должны быть минимальных размеров (объемов), но обладать достаточно высокими показателями удельной мощности. Уменьшение размеров (объемов) также способствует повышению боевой живучести самолета.

Для гидросистем самолетов пятого поколения проводятся исследовательские и проектные работы по внедрению в гидросистемы номинального давления 35 МПа, переменного двухступенчатого давления (с двумя уровнями номинального давления 21...35 МПа), созданию «интеллектуальных» насосных систем, регулирующих рабочее давление в гидросистемах в зависимости от режимов работы потребителей гидроэнергии.

Фирмой Vickers Incorporated разработан регулируемый по подаче насос с двухступенчатым номинальным давлением для гидросистемы самолета F-18E/F. Регулятор подачи насоса обеспечивает основной режим работы на номинальном давлении 21 МПа. При кратковременных критических режимах полета насос переключается на номинальное давление 35 МПа. Применение насоса с двухступенчатым номинальным давлением снижает объемные потери в гидросистеме, позволяет рационально использовать мощность источников давления, снизить тепловыделение в гидросистему и повысить безотказность и ресурс работы гидросистемы.

«Интеллектуальная» насосная система основана на управлении параметрами насоса от микропроцессора, подключенного к компьютерной системе управления полетом и обеспечивающего изменение рас-

хода, давления и мощности в зависимости от режимов полета.

Внасосной системе осуществляется непрерывный мониторинг состояния гидросистемы и насоса.

С80-х годов в США и Великобритании проводились исследовательские работы по созданию «интеллектуальных» насосных систем.

ВСША создана «интеллектуальная» насосная система DPRV3-305-1 с номинальным давлением 56 МПа, в Великобритании система

DPRV3-115 1-EAT на номинальное давление 28 МПа.

В области миниатюризации конструкций агрегатов регулирование параметров потока жидкости для гидросистем с номинальным давлением 35 и 56 МПа фирмой Lee Company накоплен большой опыт разработки и исследований таких агрегатов. В процессе создания агрегатов решены конструкторско-технологические проблемы, разработаны эмпирические и аналитические метода расчета, в результате внедрения которых обеспечены функциональные параметры не ниже уровня агрегатов на номинальное давление 21 МПа. Агрегаты промышленно освоены и эксплуатируются в гидросистемах маневренных самолетов с общим парком 1·105 единиц.

Для маневренных самолетов пятого поколения фирмой Lee Company разрабатывается широкий спектр миниатюрных агрегатов для комплектации гидросистем.

Далее более подробно рассмотрены вопросы, связанные с разработками, проведенными рядом зарубежных фирм, по созданию гидрооборудования на высокие номинальные давления.

Насосы высокого давления. Наиболее успешными следует считать работы зарубежных фирм по созданию гидронасосов на номинальное давление 35 МПа для гидросистем перспективных маневренных и коммерческих самолетов.

С переходом на номинальное давление с 21 на 35 МПа фирма Vickers столкнулась с проблемой увеличения напряженно-деформирован- ного состояния элементов конструкции насосов. Из-за высоких нагрузок от повышенного давления жидкости в полостях насоса элементы конструкции, несущие нагрузку, могут находиться в деформированном состоянии, несовместимом с работоспособностью насоса. Зоны плунжерного насоса, находящиеся в напряженно-деформированном состоянии, показаны на рис. 6.3.

ванного состояния элементов насоса и, в том числе, решения по использованию в конструкции насоса более прочных материалов.

При давлении более 21 МПа использование алюминиевых сплавов для насосных полостей становится рискованным из-за сравнительно низкого предела прочности и усталости этих сплавов. С увеличением номинального давления до 35 МПа возрастает объем используемых стальных и титановых сплавов для насосных полостей, что неизбежно приводит к повышению массы насоса.

Фирмой Vickers на основе исследований установлен перечень материалов для насосных полостей, находящихся под давлением свыше 21 МПа (табл. 6.2).

Т а б л и ц а 6.2

Материалы для насосных полостей, находящихся под повышенным номинальным давлением

В процессе проектирования насоса на номинальное давление 35 МПа фирмой Vickers внесены в конструкцию изменения по материалам, которые по результатам испытаний обеспечивали работоспособность насоса и его ресурсные показатели (табл. 6.3).

Работоспособность и ресурс насосов, особенно насосов на высокие номинальные давления рабочей жидкости, во многом определяются свойствами контактируемых смазываемых поверхностей, которые оцениваются параметром PV (P – удельная нагрузка на поверхности скольжения,V – скорость скольжения). На основе опыта эксплуатации и испытаний фирмой Vickers разработаны предельные значения параметра PV, превышение которых нарушает условие смазки поверхностей скольжения и приводит к образованию сухого (полужидкостного) трения и к интенсивному износу поверхностей.