Автореферат (Улучшение динамических свойств и исследование рабочих процессов авиационного рулевого гидропривода с комбинированным регулированием скорости при увеличении внешней нагрузки)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияВ последние годы в авиационной промышленностипроисходитинтенсификация работ по созданию «более электрических самолетов». Этиработы охватывают как область пассажирских и транспортных самолетов, так иобласть маневренных самолетов.

В результате работ осуществляется заменанекоторой части гидравлического комплекса управления и энергопитания, в томчислечастиэлектрогидравлическихрулевыхприводов,ставшихтрадиционными исполнительными механизмами систем управления полетом, наприводы с электрическим энергопитанием. Сама концепция большейэлектрификации бортовых систем не является новой. Однако лишь в последние10–15,летблагодарядостижениямэлектротехническихотраслейпромышленности, появилась реальная возможность создания достаточнонадёжных рулевых приводов с электрическим энергопитанием, имеющихприемлемую для авиационной техники энергоотдачу.Концепция большей электрификации бортовых систем управленияпринципиально позволяет сократить количество бортовых централизованныхгидравлических энергосистем и является привлекательной для авиакомпаний,поскольку позволяет повысить экономическую эффективность пассажирских итранспортных самолётов. В настоящее время самолеты с повышенным уровнемэлектрификации систем управления и рулевых приводов в частности из рядапроектных документаций воплощаются в реальные конструкторские решения.Такие решения нашли применение на современном пассажирском самолетеAirbus A-380, маневренном самолете F-35, транспортном самолете Airbus A400M и др.

В отечественной авиационной промышленности работы по созданиюавиационных электрифицированных систем управления проводятся в ЦАГИ,МАИ, МГТУ им. Баумана, ОКБ «Родина», ОАО «ПМЗ «Восход», ОАО«Электропривод» и других институтах, НИИ и ОКБ.Проведённый в диссертационной работе обзор современныхавиационных рулевых приводов с электрическим энергопитанием показывает,что в настоящее время перспективными решениями в данной области являютсяэлектрогидростатические, гибридные и электрогидравлические рулевыеприводы с комбинированным регулированием скорости.Электрогидростатические приводы состоят из бесколлекторногоэлектродвигателя и гидростатической передачи. Гидростатическая передачатакого привода, в свою очередь, состоит из нерегулируемого насоса игидравлического цилиндра, поступательное перемещение штока которогопреобразуется в отклонение рулевой поверхности.

По архитектуреэлектрогидростатических приводов, особенностям их построения и областямприменения имеется довольно обширная библиография. Такие приводыприменяются на современном пассажирском самолете Airbus A-380, а сама идеяиспользовать в бортовом комплексе управления А-380 приводы с электрическимэнергопитанием позволила исключить одну централизованную гидросистему.Стоит отметить, что электрогидростатические приводы на указанном самолете3используются в качестве резервных рулевых приводов. Это означает, что онивключаются в работу только после выхода из строя основных приводов сдроссельным регулированием скорости или питающих их централизованныхгидросистем.Целесообразность применения гидростатических приводов в резервномканале управления на начальных этапах электрификации бортовых системуправления вызвала появление так называемых гибридных приводов.

Гибридныеприводы или приводы ЕВНА (Electrical Backup Hydraulic Actuators) в своемтрадиционном исполнении объединяют в одной конструкции дроссельныйпривод с питанием от централизованной гидросистемы и гидростатическийпривод с питанием от электрической энергетической системы самолета,работающие попеременно на один общий гидроцилиндр. Электрическийэнергетический канал в таком приводе является резервным и включается толькопосле отказа основного (гидравлического) энергетического канала. Такиерешения применяются на самолетах Airbus A-380, А-400М, самолете GulftreamG-650 и др.Несмотря на привлекательность использования гибридных приводов вбортовых системах управления с электрическим энергопитанием присохранении высоконадёжного гидравлического канала, гибридным приводамЕВНА, в их традиционном исполнении, присущи существенные недостатки.Среди них наиболее важные следующие:Увеличенный вес гибридного рулевого привода по сравнению страдиционным дроссельным или электрогидростатическимприводом, вызванный объединением в одной конструкции двухуказанных типов приводов.Худшие по сравнению с дроссельными приводами динамическиехарактеристики в области малых сигналов управления самплитудами 0,25…5% от максимального сигнала при работепривода ЕВНА от электрического энергетического канала.Уменьшеннаядинамическаяжёсткостьгидростатическогопривода по сравнению с жёсткостью традиционных гидроприводовс дроссельным регулированием, ухудшающая антифлаттерныепоказатели таких приводов.Более узкая полоса пропускания гибридного привода в режимеработы от электрического энергетического канала, вызваннаяинерционностью нагруженного электродвигателя.Перечисленные выше недостатки гибридных приводов ЕВНА, заисключением увеличенного веса, обусловлены применением в резервном каналетакого привода гидростатической передачи.

Это означает, что переход наэлектрический канал питания неизбежно связан с ограничениями на режимыуправления, поскольку электрогидростатическая передача в приводе ЕВНА необеспечивает полноценноe управление рулевой поверхностью в области малыхамплитуд управляющих сигналов, что, в свою очередь, затрудняют применениетаких приводов на основных рулевых поверхностях, таких как рульнаправления, руль высоты и элероны.4В лаборатории гидроприводов летательных аппаратов кафедры №702МАИ под научным руководством доцента Селиванова А.М. в течение ряда летведутся научно-исследовательские работы по созданию перспективных решенийв области рулевых электрогидравлических приводов с электрическимэнергопитанием.

Результаты работ опубликованы в ряде статей, в том числе сучастием автора. В этих работах было показано, что использование принципакомбинированного регулирования скорости (КРС) выходного звена для приводас электрогидростатической передачей энергии от электрической энергосистемысамолета позволяет существенно уменьшить фазочастотные и амплитудночастотные искажения при отработке приводом малых (до 5%) амплитудсигналов управления, см.

табл.1.Таблица 1f,Гц0.51248Привод EBHA спойлеров A-380,Aвых =2ммРабота отРабота отгидросистемы электросистемыL, дБΔφ, oL, дБΔφ, o-0.1-12-0.4-16-0.2-21-0.6-33-0.2-43-2.2-62-0.6-90-6.1-135-6-164-11-168Привод скомбинированнымрегулированиемскорости, Aвых =2ммL, дБΔφ, o-0.1-9-0.1-18-0.1-40-1-75-6-120Термин «комбинированное регулирование скорости» был предложендоцентом МАИ А.М. Селивановым для обозначения разработанного импринципа регулирования, который предусматривает трансформацию энергии,создаваемой приводным электродвигателем, в перемещение поршнягидроцилиндра с использованием как электромоторного регулированияскорости, так и дроссельного регулирования с преобладанием каждого из этихспособов в зависимости от величины управляющего сигнала.

Для регулированияскорости штока гидроцилиндра используется нереверсивный насос, подачакоторого изменяется за счет изменения скорости вращения вала приводногоэлектродвигателя, и пропорциональный золотниковый клапан реверса. БлокРегулятор привода осуществляет непрерывное параллельное управлениеклапаном реверса и скоростью вращения электродвигателя.Стоит отметить, что в известных работах по приводу с КРС неуделялось детального внимания влиянию внешних силовых воздействий навыходное звено привода, наличие которых ухудшает его частотныехарактеристики. Это обстоятельство ограничивает практическое применениеполученных результатов.

Автор полагает, что решение проблемы ухудшениядинамических характеристик привода с КРС при возрастании внешних нагрузокследует искать в направлении расширения области преимущественнодроссельного регулирования скорости. Указанный подход к улучшениюдинамических показателей привода с комбинированным регулированиемскорости в известной литературе не рассмотрен и является новой актуальнойзадачей в области авиационных рулевых приводов.

Решение этой во многом5новой задачи позволит, по мнению автора, ускорить внедрение приводов скомбинированным регулированием скорости в авиационные системыуправления и применять электрогидравлические приводы с комбинированнымрегулированием скорости в качестве приводов основных рулевых поверхностей.Кроме того, по мнению автора, в настоящее время наибольшийпрактический интерес представляет реализация привода с комбинированнымрегулированием скорости в гибридном исполнении, объединяющем в однойконструкцииклассическийдроссельныйприводспитаниемотцентрализованной гидросистемы и привод с комбинированным регулированиемскорости, питающейся от электрической энергосистемы.

Такие приводыпозволят обеспечить высокий уровень динамических характеристик ипоказателей жесткости позиционирования рулевой поверхности внезависимости от типа энергетического питания, а на первоначальных этапахэлектрификации самолета привод с питанием от электрической энергосетибудет находиться в резервном канале и включаться после отказа основногогидравлического энергетического канала, что упростит внедрение полученныхрезультатов.Формула диссертацииВ диссертации предлагается новое научно обоснованное техническоерешение задачи улучшения динамических характеристик приводов скомбинированным регулированием скорости (КРС). Основой предлагаемогорешения является разработанная автором поликоординатная системарегулирования привода с КРС. Внедрение разработанной системы ипредлагаемой методологии настройки ее параметров в практику созданияавиационных рулевых приводов с комбинированным регулированием скоростии гибридных рулевых приводов с КРС, по мнению автора, обеспечитполноценное управление рулевой поверхностью при работе привода как отцентрализованной гидросистемы, так и от электросистемы самолета.Цель работыЦелью диссертационной работы является улучшение динамическихсвойств и исследование рабочих процессов авиационного рулевогогидропривода с комбинированным регулированием скорости.

Для достиженияуказанных целей в работе решаются следующие научно-технические задачи: Исследование характеристик и рабочих процессов привода скомбинированным регулированием скорости выходного звена (КРС). Определение взаимосвязей между параметрами настройкиблока управления (включая алгоритмы управления) приводом с КРС сдополнительным регулированием по перепаду давления на клапанереверса и его частотными характеристиками. Определение настроекблока управления приводом с комбинированным регулированиемскорости выходного звена, обеспечивающих требуемые показателирабочих процессов в зоне малых (до 5%) амплитуд входных сигналов.6 Улучшение динамических характеристик гидроприводов скомбинированным регулированием скорости при воздействиистатических или медленно меняющихся нагрузок на выходное звенопривода в диапазоне изменения сигналов управления, соответствующих0.2-5% от максимума, что является важным фактором при реализацииуправления самолётов с малоустойчивыми или неустойчивымикомпоновками. Исследование энергетических свойств гидропривода с КРС приего работе в типовых эксплуатационных режимах.Теоретическая и методологическая основа исследованияОсновой исследования стали работы научного руководителя к.т.н.,доцента МАИ Селиванова А.М.