Диссертация (Улучшение динамических свойств и исследование рабочих процессов авиационного рулевого гидропривода с комбинированным регулированием скорости при увеличении внешней нагрузки), страница 5

При этом минимальная скорость вращениявала электродвигателя составляет около 5...10% от максимальной скоростихолостого хода и определяется, в основном, утечками на насосе.Принцип комбинированного регулирования скорости предусматриваеттрансформацию гидравлической энергии, создаваемой приводным насосом, вперемещение поршня гидроцилиндра с использованием как электромоторногопринципа регулирования скорости [35], так и дроссельного регулирования спреобладанием каждого из них. Законы регулирования, применяемые визвестной схеме [16,19,30], выбраны таким образом, что при нейтральномсостоянии привода насос развивает на выходе давление порядка 5МПа,обеспечивающее преимущественнодроссельное регулирование скоростипривода при малых открытиях рабочих окон клапана реверса.

При увеличениисигнала рассогласования более 5…10%, окна клапана реверса открываются, иизменениеихпроводимостиперестаетвлиятьнаскоростьштокагидроцилиндра, привод переходит к экономичному с энергетической точкизрения, но менее динамичному электромоторному регулированию скорости.Стоит отметить, что размеры окон клапана реверса выбираются такимобразом, что при значительных открытиях потери давления на них малы искорость выходного звена привода регулируется за счет управления подачейнасоса.Такимрегулированияобразом,скоростипереходприводаоткпреимущественноэлектромоторномудроссельногорегулированиюосуществляется постепенно и плавно.

При этом в предложенной схеме нетспециального элемента, задающего переход от одного способа регулированияскорости к другому. Этот переход осуществляется за счет применяемого24алгоритма управления электродвигателем и клапаном реверса, который вобщем виде описывается следующими уравнениями:U X  (U com  Y  K OS )  KU 1(1.3)K ODRKU m  (U com  Y  K OS )  KU  U no(1.4)Где: U X - входной сигнал на клапан реверса, U m- входной сигнал намехатронный модуль, U com - управляющий сигнал на привод, Y  K OS - сигналрассогласования, K U - коэффициент усиления, U no - начальный сигнал намехатронном модуле, задающий минимальные обороты электродвигателя,- коэффициент, обеспечивающий синхронное управление клапаномK ODRKреверса.

Под мехатронным модулем понимается система, состоящая из блокауправления электродвигателем, датчиков обратной связи, силового инвертера ибесколлекторного электродвигателя [25], образующая следящий контур(рис.1.2).Засчетконструктивныхособенностейивыбранныхалгоритмовуправления, приводы с комбинированным регулированием скорости обладаютследующимиособенностямивсравнениисэлектрогидростатическимиприводами: прималыхсигналахрассогласованияиспользуетсяпреимущественно дроссельное регулирование скорости выходного звенапривода; прибольшихсигналахрассогласованияосуществляетсяэлектромоторное регулирование скорости выходного звена; обеспечивается плавный переход от одного способа регулированияк другому. нереверсивный режим работы двигателя и насоса обеспечиваетснижение стоимости компонентов и увеличенный ресурс работы; реверс выходного звена привода осуществляется клапаном реверса.25Особенностью принципа комбинированного регулирования скоростивыходного звена, как было сказано ранее, является создание на клапане реверсаизбыточного давления, необходимого для реализации преимущественнодроссельного регулирования скорости в области малых амплитуд входныхсигналов.

Однако при нагружении такого привода в его известной схеме [30],перепад давления на клапане реверса уменьшается пропорционально величиненагрузки, сокращая тем самым область преимущественно дроссельногорегулирования скорости. Соответственно при работе привода под нагрузкойпроисходит вынужденный переход к преимущественно электромоторномуспособурегулированияскорости,иэффективностьпринципакомбинированного регулирования падает [38].В целом, приводы с комбинированным регулированием скоростиобъединяют преимущества гидростатических приводов по части малого (до 125Вт для привода средней мощности [30]) энергопотребления в нейтрали иповышенного до 70-75% КПД в широком диапазоне скоростей.

Кроме того,такие приводы обладают улучшенными динамическими характеристиками вобласти малых амплитуд управляющих сигналов [3,30], соответствующихнаиболее типовым режимам полета современного пассажирского самолета(табл. 1.1), а также имеют хорошее быстродействие и жесткость [30].Таблица 1.1Испытательные режимы работы привода руля высоты самолета RRJ-100 за цикл полета [51,52]РульРежимнаправленияПараметрВзлетIIIIIIIVVVIПосадкаВеличина0±6000 ±180000±10000±10000±40000нагрузки, Н±±Ход штока, ммполный±5±16±1±12±9±3полныйходходЧастота или15-200.20.10.10.10.1Макс.скорость0.25 Гцмм/сГцГцГцГцГцскоростьперекладкиВремя за полет,2.50.1666.10.51.01.6минКоличество330139536245циклов за полет261.3. Гибридные приводыОсновополагающейидеейгибридногорулевогоприводасталообъединение в одной конструкции традиционного дроссельного привода спитанием от централизованной гидросистемы и электрогидравлическогопривода с питанием от электросистемы самолета [47,48,55].

Поскольку силовойгидроцилиндр является одним из самых тяжелых агрегатов приводов и,одновременно с этим, в современном авиационном исполнении имеетчрезвычайно высокую надежность, то объединение двух приводов, работающихна один гидроцилиндр, считается оправданным.Гибридные приводы нашли применение на самолетах фирмы Airbus А380 и А-400М (рулевые приводы типа EBHA), а также пассажирском лайнереGulfstream [48,55]. Упрощенная схема такого привода показана на рис.1.3.Рис.1.3.Принципиальнаягидравлическаясхемагибридногоэлектрогидравлического привода ЕВНА фирмы Liebherr.Привод ЕВНА может работать в двух активных режимах: в режиме с дроссельным регулированием скорости и питанием отцентрализованной гидравлической системы самолета (основной режим);27 в режиме электрогидростатического привода с питанием отэнергосистемы самолета (резервный режим).Сравнительные оценки интенсивности отказов типовых компонентовсистем дистанционного управления пассажирских самолетов, полученныефирмой GOODRICH и ЦАГИ, показаны в таблице 1.2 [42].

Таким образом,можно говорить о том, что гибридные приводы обладают требуемым уровнембезотказности, а при условии обеспечения такими приводами требований кдинамическим характеристикам конкретного самолета, ими, по мнению автора,можно заменить один электрогидравлический привод (ЭГРП), работающий впаре на одной рулевой поверхности.Таблица 1.2Оценки интенсивности отказов типовых компонентовСДУ пассажирских самолётов.(по данным фирмы GOODRICH и ЦАГИ)Гидравлическаяцентрализованная системаHS4010-6 1/чэнергопитания (ГС)Электрическая централизованнаясистема энергопитания (ЭС)ES1010-6 1/чЭлектрогидравлический рулевойпривод (ЭГРП)EHSA4010-6 1/чЭлектрогидростатическийрулевой привод (ЭГСП)EHA11510-6 1/чГибридныйэлектрогидростатический приводEBHA1010-6 1/ч(ЭГСП+ЭГРП)Стоит отметить, что у гибридных приводов типа ЕВНА в режиме работыот электрической энергосистемы самолета применяется гидростатическийпривод.Какбылосказаноранее,электрогидравлическийприводскомбинированным регулированием скорости (ЭГРП-КРС) обладает болеевысокими динамическими характеристиками, чем электрогидростатическийпривод.Всвязисэтимиспользованиепринципа комбинированногорегулирования скорости при работе гибридного привода от электросистемысамолета, по мнению автора, является более предпочтительным.28Московским авиационным институтом совместно с ГосНИИАС, ПМЗ"Восход" и ММЗ "Рассвет" было разработано и изготовлено два гибридныхпривода с комбинированным регулированием скорости ДРП-1 и ИМД-21(рис.1.4).

Привод ДРП-1, подробно рассмотренный в главе 2 и далее, явилсярезультатом совместной работы кафедры 702 МАИ, при активном участииавтора, и ММЗ "Рассвет". Привод ИМД-21 сочетает в себе передовыеразработкиотечественнойпромышленностиирезультатынаукоемкихисследований, проводимых в МАИ.Рис. 1.4. Демонстратор двухрежимного (гибридного) рулевого приводаИМД-21 на выставке МАКС-2013Учитывая сказанное, можно отметить, что применение гибридногопривода на транспортном или пассажирском самолете позволит получитьследующие преимущества по сравнению с традиционной гидравликой:Повышение безопасности полета. Разнородное резервированиеэнергетических каналов, получаемое на рулевой поверхности, позволяетповысить уровень надежности исполнительной части системы управления[11,42]. Кроме того, использование гибридного привода позволяет сократить29централизованные гидросистемы на самолете и заменить их электрическимиэнергосистемами [47]. Увеличение полезной коммерческой нагрузки.

Несмотря на увеличенныйвес исполнительного механизма гибридного привода по отношению к двумзамещаемымиммагистральнымдроссельнымгидроприводам,заменагидравлических трубопроводов электрической цепью, а также исключениегенерирующих и распределительных гидравлических устройств позволяет понекоторым данным [11,40] снизить массу самолета и, соответственно,увеличить полезную нагрузку.1.4. Выводы1. Использование рулевых приводов с электрическим энергопитаниемпозволяет сократить количество бортовых централизованных гидросистем.ТакоерешениереализованоэлектрогидростатическиеприводынасамолётеиспользуютсяAirbusвА-380,качествегдерезервныхприводов как в виде отдельных исполнительных механизмов (типа ЕНА), так ив составе гибридных приводов (типа ЕВНА).2. Гидростатические приводы типа ЕНА имеют хорошие энергетическиепоказатели (высокое КПД, малое тепловыделение в нейтрали), однакообладают худшими динамическими характеристиками в зоне малых амплитудвходных сигналов (до 5% от максимальной) и меньшей жесткостьюгидроцилиндра по сравнению с традиционными дроссельными приводами, чтозатрудняетихприменениевкачествеприводовосновныхрулевыхповерхностей (рули высоты, рули направления, элероны).3.

Электрогидравлические приводы с комбинированным регулированиемскорости (ЭГРП-КРС) обладают высокими (на уровне дроссельных приводов)динамическими характеристиками в области малых амплитуд входныхсигналов, высоким КПД (до 75%), умеренным тепловыделением, а также имеютбольшую,чемуэлектрогидростатическихдинамическую жёсткость.приводовстатическуюи304.

По мнению автора, перспективным развитием привода для управленияосновными рулевыми поверхностями пассажирского или транспортногосамолета с повышенным уровнем электрификации исполнительной частисистемуправленияявляетсягибридныйприводскомбинированнымрегулированием скорости. Такой привод обладает высокой безотказностью,высокими(науровнедроссельныхприводов)динамическимихарактеристиками вне зависимости от типа энергопитания и сниженной, посравнению с двумя независимыми приводами (ЭГРП-КРС + ЭГРП), массойконечного агрегата.5. Для решения проблемы ухудшения частотных характеристик ЭГРПКРС под нагрузкой следует провести детальное исследование характеристик ирабочих процессов такого привода, а также определить влияние параметровнастройкиблокахарактеристики.управленияиуправляющихалгоритмовнаего31Глава 2. Разработка исследовательского образца гибридного рулевогопривода с комбинированным регулированием скоростиВ первой главе диссертационной работы был сделан вывод, что одним изнаиболее подходящих решений в области приводной техники для самолетов сповышеннымуровнемэлектрификацииявляетсягибридныйэлектрогидравлический привод с комбинированным регулированием скоростивыходного звена (ДГРП-КРС).Такое схемное решения объединяет в одной конструкции два типапривода и позволяет работать в следующих режимах: Традиционный дроссельный привод с питанием от централизованнойгидравлической системы. Приводскомбинированнымрегулированиемскоростииэлектрическим энергопитанием.Кроме того, использование гибридных приводов позволяет обеспечитьвысокий уровень динамических характеристик и показателей жесткостипозиционированияэнергетическогорулевойпитания,поверхностиатакжевнеполучитьзависимостихорошиеоттипаэнергетическиепоказатели при работе от электрического энергетического канала.

Помимоэтого применение гибридных приводов позволяет повысить надежностьсистемыуправлениясамолетазасчетиспользованияразнородногорезервирования энергетического питания привода (табл. 1.2).2.1. Задачи экспериментального исследованияЗадачейэкспериментальногоисследованияявляетсяопределениевзаимосвязей между параметрами настройки блока управления приводом,включая алгоритмы синхронного управления, и выходными характеристикамипривода, а также рабочими процессами. Кроме того, задачей исследованиябыло обеспечение эффективного управления выходным звеном привода приразличных амплитудах управляющего сигнала и наличии внешних сил.32В связи с этим в принципиальную схему, по сравнению с известнымвариантом [30], был внесен ряд конструктивных изменений, позволяющихэкспериментально оценить технические характеристики компонентов привода,которые затем на этапе математического моделирования можно было быиспользовать в имитационных моделях.Функциональная схема двухрежимного электрогидравлического рулевогопривода показана на рис.