Лекция №20.1. Резервирование как средство повышения безотказности авиационной техники (Лекции по дисциплине "Динамическое проектирование систем стабилизации летательных аппаратов")

Резервированиекак средство повышения безотказностиавиационной техникиРезервирование – это один из способов повышениянадежности систем и агрегатов, под которым понимаетсявыполнениезаданныхфункцийссохранениемэксплуатационных характеристик в допустимых пределах втечение потребного промежутка времени или наработки,связаннойсувеличениемколичестваработающихподканалов.Схемотехника и конструкции электрогидравлическихприводов в части повышения их безотказности развиваютсяпо следующим направлениям:1.

Введение в систему рулевого привода некоторойструктурнойизбыточностиминимальнымнаборомпосравнениюэлементов,скоторыенеобходимы для выполнения функций управления, т.е.– применение методов резервирования приводов.2. Исключениеизструктурыследящихприводовпотенциально отказоопасных элементов.3. Введение в состав приводов устройств, которыесмягчают последствия отказов в элементах привода,например, выключают из активной работы приводаотказавшую подсистему, блокировки активных отказов,которые приводят к перемещению выходного звенапривода с большой скоростью на упор.

Такие отказы,как правило, являются опасными отказами и ихнеобходимо исключать.4. Встраивание в привод системы мониторинга (контроляисправностиэлементов привода). Такая системапредназначена для выявления на возможно болеенизком энергетическом уровне отказа элемента приводаи выработки команд на блокировку отказавшегоустройства и переключения на резервный каналпривода.Применение резервирования дает наибольший эффектвповышенииналичиибезотказностисистемконтроляуправлениясостояниятолькопри(мониторинга)резервированного привода. Поэтому разработка системрезервированныхэлектрогидравлическихприводовнеразрывно связана с разработкой систем встроенногоконтроля состояния (мониторинга) привода.Основнымпутемобеспечениябезотказностиэлектрогидравлических приводов следует считать общееструктурное резервирование в сочетании с раздельнымрезервированием.

При общем структурном резервированииэлектрогидравлических приводов в состав привода вводятсяодинаковыедополнительныепозиционныеследящиесистемы – каналы следящего привода, каждый из которыхимеетполныйнаборэлементов,необходимыхдляфункционирования привода.Р (вероятность выхода из строя)10-12оретическая10-10Те10-8аянльаРе10-610-410-2n (число каналов)1234Зависимость вероятности полного выхода из строярезервированной системы от числа ее подканаловДля резервированной системы вероятность отказаодного подканала P(t )  p(t )   t ,где: p(t )- вероятность отказа одного подканаларезервирования;-интенсивностьотказаустройстваилиэлемента;t - время, в течение которого рассчитываетсявероятность отказа, как правило, это один час полета.Вероятность отказов двух подканалов: P(t )  6 p 2 (t )Вероятность отказов трех подканалов: P(t )  4 p 3 (t )Вероятность отказов четырех подканалов: P(t )  p 4 (t )Принципы резервирования:С замещением:- нагруженный («горячий») резерв – подканал, находящийсяв резерве, запитан электро и гидропитанием, но отсечен отисполнительного органа;- ненагруженный («холодный») резерв - подканал,находящийся в резерве, не запитан электро игидропитанием, и отсечен от исполнительного органа;- облегченный («теплый») резерв - подканал, находящийся врезерве, частично запитан электро и гидропитанием, ноотсечен от исполнительного органа;Без замещения:Все подканалы работают и контролируются одновременнона выходную нагрузку.Резервирование с замещениемРезервирование без замещенияПринципиальная схема двухкаскадного рулевого приводаМетоды резервированияСуммирование перемещений подканаловПеремещение выходного звена привода определяетсявыражением:3Хвых   ki *xi .i 1Рулевой привод, построенный по методу суммированияперемещений подканаловДостоинства:Простота обнаружения отказавшего подканала посредствомконцевых выключателейНедостатки:1.

Изменение коэффициента передачи при отказе, чтоприводит к автоматическому увеличению коэффициентапередачи исправных подканалов, что неудобно.2. Активные отказы подканалов не блокируются, чтоприводит к существенному перемещению выходного звена,что неприемлемо.3. Необходимость установки центрирующих пружин дляустановки в нейтральное положение штока отказавшегоподканала,относительнокоторогоформируетсяперемещение выходного звена, что приводит совместно стрением к появлению гистерезиса в управлении.ЦП1xВХ.1xВХ.2xВХ.3Э1-1Э2x1x2-2-Э3ЦП2x33xВЫХЦП3Принципиальная схема резервированного привода ссуммированием перемещений штоков исполнительных механизмовподканалов: Х1, Х2, Х3 – перемещения штоков исполнительныхмеханизмов подканалов; Э1, Э2, Э3 – гидравлическая энергия,подводимая к исполнительным механизмам; Х1, Хвх2, Хвх3, Хвх3– входные сигналы; ЦП1, ЦП2, ЦП3 – центрирующие пружинырычажной передачи, Хвых –перемещение выходного звенарулевого привода.Суммирование скоростей подканаловДля управления положением аэродинамическихповерхностей в системах управления закрылками,предкрылками самолёта, изменением стреловидности крылаприменяются рулевые приводы с гидравлическимимоторами.

Преобразование вращательного движения валагидромотора в поступательное перемещение выходногозвена в таком приводе осуществляется с помощьюшариковинтовой передачи.Рулевой привод, построенный по методусуммирования скоростей подканаловЭ1ДОС1j1xВХ.1-j1Д1PОСТ1МТ1j1+ j2СВК1PСВК2j2xВХ.2-xВЫХПj2Д2Т2МТ2PОСДОС2Э2Общая схема двухканального гидромоторного привода:Э1,2 – источники гидравлической энергии (гидросистемы); j&1,2 скорости вращения валов гидромоторов; СВК1,2 – системывстроенного контроля каждого из подканалов привода; Д1, 2 –гидравлические двигатели; Т1,2 – гидравлические тормоза;МТ1,2 – тормозные моменты; Рос – редукторы обратной связи; Р– дифференциальный редуктор; ДОС1,2 – датчики обратнойсвязи; П – шариковинтовой преобразователь вращательногодвижения вала дифференциального редуктора в поступательноеперемещение выходного штока привода.При появлении отказа в одном из подканалов приводаотключается подача гидравлической энергии к соответствующемугидромотору и тормозу.

На валу гидромотора появляетсятормозной момент, блокирующий вращение его вала. При этомперемещение выходного штока уменьшается в два раза.Данная схема применяется, как правило, когда необходимопосле отказа сохранить момент, развиваемый приводом, адеградация динамических характеристик при этом допустима.Например, при изменении угла стреловидности крыла самолета.Суммирование расходов подканаловi1ЭГУ1ЭГУ2i2Q1Q2Схема построения резервированного исполнительногомеханизма привода с суммированием расходов двух ЭГУ.Характерной особенностью этого привода является то,что, по существу, в таком исполнительном механизмеосуществляется резервирование трактов управления.Выходными сигналами двух каналов управления являютсятоки в обмотках i1 и i2.

Оба ЭГУ подключаются к общейгидравлическойсистеме.Установившаясяскоростьвращения вала показанного на рисунке гидромотора равна:в 2 (Q1 Q2 ).qдВ этом выражении Q1, Q2 – расходы рабочейжидкости, которые при постоянном давлении нагрузки Рнпропорциональны токам управления i1 и i2:Q1,2  kGi i1,2 0.5( Pп  Рсл  Рн ) .В этом выражении KGi – коэффициент измененияпроводимости окон гидрораспределителя при изменениитока управления i.При нормальной работе двух каналов управления приводарасход на выходе гидрораспределителя:QГР  K Qi  i y1  i y 2  ,а установившаяся скорость поршня гидроцилиндра равна:V П  Q ГРАП,где: АП – эффективная площадь поршня гидроцилиндра.При отказе расход рабочей жидкости (скоростьвыходного вала привода) падает вдвое.Подобная схема применяется при управленииразворотом передней стойки колеса самолета.Достоинства:1.

Простота построения;2. Сохранение усилия или развиваемого момента приотказе.Недостатки:1. Падение скорости при отказе, следовательно,существенное ухудшение динамических характеристикрулевого привода.Суммирование усилий подканаловРулевой привод, построенный по методу суммирования усилий ипараллельным расположением подканаловБудем полагать, что жёсткость крепления штокаподканала к общему выходному звену у всех подканаловодинаковая и равна С. В этом случае, можно записатьследующие выражения для установившихся значений сил,которые действуют на штоки гидроцилиндров подканалов(Fi).F1  C ( X вых  Х1);F2  C ( X вых  Х 2 );.F3  C (Хвых  Х 3).Откуда следует, чтотрёхканального привода равно:X вых положение13 . Xi3 i 1выходногозвенаТаким образом, при суммировании сил на общемвыходном звене с упругими узлами крепления приводявляетсякворум-элементом,которыйосуществляетоперацию преобразования нескольких управляющихсигналоввперемещениевыходногозвена,соответствующего среднему арифметическому положениюиз заданных перемещений по каждому из подканалов.Кроме того, реализуется и средняя скорость перемещениявыходного звена.Общая схема резервированного привода с суммированием сил наобщем выходном звене – траверсе:1 – общее выходное звено; 2 – упругость крепления штокаподканала к общему выходному звену с жёсткостью Сi; Х1, Х2,Х3 – перемещение штоков резервных подканалов привода; Хвх1,Хвх2, Хвх3 – входные сигналы.Показанные на приведенном рисунке упругиеэлементы, могут быть выполнены в виде пружинных муфт,или в виде гидравлических пружин.

В обоих этих случаяхтакой привод может быть только маломощным –сервоприводом и применятся для вспомогательногоуправления в системах приводов, но не длянепосредственного управления рулевыми поверхностямисамолёта. Ход выходной траверсы не превышает  10 мм.Достоинства:1. Сохранение коэффициента передачи привода приотказе, его скорости и динамических характеристик;2. Блокировка исправными подканалами активного отказав рулевом приводе, при этом движение рулевойповерхности, как реакции на отказ, минимально;3. Стабильность параметров.Недостатки:1. При жестком соединении штоков подканалов свыходным звеном появляется необходимость устранениявзаимонагружения и введения межканальной коррекции;2.

При пружинном соединении штоков подканалов свыходным звеном также появляется гистерезис вуправлении.Рулевой привод, построенный по методусуммирования усилий и тандемным расположениемподканалов.