Анализ и синтез тяговой характеристики электрогидравлического распределителя при многократном резервировании по управлению

Одним из наиболее важных направлений развития, в области систем приводов, является разработка электрогидравлических следящих силовых приводов, в которых управление основным гидрораспределителем или гидрораспределителем сервопривода осуществляется по средством электрогидравлических усилителей мощности [23, 55, 82, 83]. В наиболее общем виде гидрораспределитель рассматривается как основной управляющий элемент электрогидравлического силового следящего привода [2, 13, 25, 36, 37, 39, 43]. Здесь центральное место занимает решение задачи синтеза параметров и структуры, обеспечивающей требуемую статическую и динамическую точность привода как следящей системы в области малых и больших входных сигналов (возмущений) управления. Наибольшую остроту эта задача приобретает для прецизионных рулевых приводов современных и перспективных маневренных самолетов с аэродинамически неустойчивой компоновкой и высокой эффективностью органов управления полетом (например, горизонтального оперения или переднего горизонтального оперения) [83].

Системы приводов, которые обеспечивают управления органами управления полетом, представляют собой энергоемкие и высокоточные электрогидравлические следящие системы. Основу таких систем в подавляющем большинстве случаев для современных отечественных (СУ-27, СУ-35, СУ-37, «711», С-37, 10КУБ и др.) и зарубежных (F-16, F-18, F-18E/F, F-22, F-23, F-35, «Grippen», «Rafal» и др.) и перспективных (5-е поколение) маневренных самолетов составляют рулевые приводы с дроссельным регулированием скорости выходного звена [82, 83], которые должны удовлетворять различным наборам технических требований:

— как элементы систем управления электрогидравлические приводы по своей структуре представляют собой следящие системы — в этой части к этим системам предъявляются технические требования в терминах теории автоматического управления, в основном, в частотной области Г<�ЗГц, как к линейным системам управления;

— как к потребителям энергии, которая отбирается от маршевых двигателей самолета, и преобразуется в потоки жидкости высокого давления, которые и определяют скорость перемещения рулевых поверхностей и развиваемые приводами силы, к системам рулевых приводов предъявляются требования по ограничению потребляемой гидравлической энергии при выполнении заданных законов движения органов управления;

— как к элементу системы управления, на которых сходится сигналы от различных подсистем управления полетом, и отказ которого может вызвать катастрофу самолета.

В этом случае к приводу как к следящей системе предъявляются требования по обеспечению управления в условиях появления отказа его элементов, которое может быть выполнено только на основе использования методов структурного резервирования [83].

Типовые требования [83] по отказобезопасности для приводов рассматриваемого типа, в основном, сводятся к следующему:

— любой отказ гидравлической системы привода не должен ухудшать управляемость самолета;

— любые два последовательных отказа в электронных каналах не должны нарушать управляемость самолета;

— после третьего отказа гидравлический привод должен переводиться в отказо-безопасное состояние.

Традиционная структура системы привода, отвечающая указанным выше требованиям представлена на рис. В-1 [75].

Отсюда возникает задача исходя из условий обеспечения требуемых функциональных характеристик следящего привода (главным образом, обеспечение требуемой динамической и статической точности в расчетном диапазоне сигналов управления и полосе пропускания привода) сформулировать обоснованные технические решения по построению отказоустойчивой структуры управления электрогидравлическими распределителями следящего привода и предложить пути их выполнения (при этом под отказоустойчивостью управления гидрораспределителем рассматривается возможность обеспечения требуемых его функциональных характеристик при работе одного любого или несколько совместно-работающих электронных каналов управления).

Необходимость решения этой задачи возникла уже на рубеже 80х — 90х годов с появлением маневренных самолетов с системами дистанционного управления. Это вызвало ряд научных публикаций, среди которых можно выделить в первую очередь работы Н. С. Гамынина [13], И. С. Шумилова [85], В. М. Фомичева [84], С. А. Ермакова [83] и других авторов. В указанных работах обстоятельно рассматривались вопросы построения резервированных систем рулевых приводов в соответствии с принятыми на тот период времени требованиями.

Для современных и перспективных маневренных самолетов характерно расширение эффективного диапазона регулирования следящего привода и ужесточение требований к его динамической точности и отказобезопасности. С внедрением новых типов рулевых приводов — с прямым управлением [83] гидрораспределителем решение данной задачи является наиболее актуальной.

Проблеме обеспечения инвариантности функциональных характеристик привода при наличии отказов его управляющих элементов посвящена настоящая диссертационная работа, которая охватывает область управления гидро-распределетелем привода (сервопривод) с линейным электродвигателем, имеющим несколько резервированных, независимых обмоток управления [83] (катушек).

Традиционно для управления гидрораспределителями привода использовались усилители мощности с элементами типа «струйная трубка» или «со.

Рис. В-1. Типовая блок-схема системы управления органами полета бомбардировщика В-2, обеспечивающая двукратное резервирование гидравлического привода и четырехкратное резервирование электронного канала управления. шго-заслонка". Однако, такие усилители обладают некоторыми непроизводительными потерями энергии за счет истечения жидкости через струйные трубки или сопла. Кроме того, эти устройства, подвержены возможности засорения. Практика эксплуатации такого типа электрогидравлических распределителей в рулевых приводах самолетов показывает, что около 30% отказов приходится на усилители упомянутого типа [11]. Поэтому весьма актуальным становится замена указанных выше усилителей золотниковыми гидрораспределителями, в которых отсутствуют непроизводительные расходы рабочей жидкости в нейтральном положении, и которые в меньшей степени подвержены засорению [16, 30] — электрогидравлические гидрораспределители с непосредственным управлением [83].

Однако, эти усилители требуют несколько большей энергии управления. В связи с этим возникает проблема создания электромеханического преобразователя на основе линейного электродвигателя [82,83], способного управлять золотниковым распределителем, обеспечивающего статические и динамические характеристики не хуже чем у электрогидравлических усилителей с по-тенциально-отказоопасными элементами типа «сопло-заслонка» или «струйная трубка». Сложность создания таких электрогидравлических преобразователей с резервируемыми системами управления заключается в необходимости обеспечения идентичности их статических и динамических характеристик по любому резервируемому электронному каналу (как при совместной, так и при раздельной работе). При этом энергия от каждого канала электронной системы управления поступает на раздельные обмотки (катушки) управления линейного электродвигателя [82,83]. При многократном резервировании в магнитной системе электрогидравлического распределителя размещается столько катушек управления, сколько резервируемых каналов. При работе всех катушек управления, т. е. при одновременной работе всех каналов управления, обеспечение требуемых гидравлических характеристик электрогидравлического преобразователя, как правило, не вызывает трудностей [82,83].

В случае, когда необходимо обеспечить одинаковые статические и динамические характеристики при управлении любым одним из нескольких резервируемых электрических каналов, возникают трудности, обусловленные влиянием нелинейных магнитных сопротивлений на тяговые характеристики электромеханического преобразователя. Это приводит к необходимости вводить в электронные цепи корректирующие устройства, учитывающие нелинейности магнитной цепи [53].

В связи с тем, что расположение катушек управления в магнитной цепи разное, т. е. каждая катушка имеет отличное расположение по отношению к другой, то приходится к каждой электронной цепи подключать отличные по настройке корректирующие устройства. Часто это вызывает трудности при взаимозаменяемости резервируемых каналов управления в условиях серийного производства.

Поэтому расположение катушек управления в магнитной системе, обеспечивающее неизменность статических и динамических характеристик электрогидравлического преобразователя при работе любой одной катушки управления, является достаточно актуальным.

Таким образом, обеспечение гидравлических характеристик резервируемого электрогидравлического распределителя в независимости от того, какой из резервных каналов управляет распределителем, становится весьма важным.

По мнению автора, при проектировании приводов гидравлических распределителей с многократным резервированием по электронному управлению следует учитывать в математических моделях систем привода расположение резервируемых катушек вдоль магнитной системы привода, что будет способствовать не только повышению надежности управляемости гидравлическими распределителями, но и позволит осуществить полную взаимозаменяемость резервируемых электронных каналов управления.

Целью работы является разработка методов повышения надежности и снижения энергетических потерь в дросселирующем гидрораспределителе электрогидравлического следящего привода путем применения линейного электродвигателя.

Заданная цель достигается решением следующих задач исследования:

1. теоретическое обоснование и разработка метода оценки зависимости силы сопротивления движению поверхностей гильзы и золотника гидравлического распределителя в условиях упругих адгезионных связей кон-тактируемых поверхностей;

2. формирование комплекса требований по обеспечению работоспособности электрогидравлического распределителя при многократном резервировании по управлению;

3. разработка проблемно-ориентированных методов анализа и исследование распределения магнитной индукции для решения задач синтеза параметров линейного электродвигателя с четырехкратным резервированием по каналам управления;

4. разработка и обоснование схемно-технических решений для построения рациональной конструкции линейного электродвигателя гидрораспределителя в части оптимального секционирования и распределения витков катушек управления.

Объект исследования — гидравлический распределитель с пропорциональным управлением посредствам многоканального линейного электродвигателя.

Методы исследования. Теоретической основой решения указанных выше задач являются методы теоретического исследования, основанные на известном законе Био-Савара в форме Лапласа. Использовались такие методы математического моделирования систем и полунатурного моделирования. Для подтверждения достоверности теоретических результатов исследований использовались методы эксперементальных исследований по измерению реальных величин магнитной индукции на основе применения магнитометра с зеркальным гальванометром инженера Ю. М. Васильева.

Научная новизна заключается в создании математической модели основных процессов в электрогидравлическом распределителе с прямым воздействием линейного электродвигателя. К названным процессам относятся: разработка метода определения силы сопротивления движению приграничных адгезионных слоев на конкретных поверхностях золотника и гильзы распределителя в зависимости от рабочего давления и величины контакта, обеспечивающей высокую чувствительность линейного электродвигателя и увеличение точности позиционирования золотника в нейтральном положениив разработке критериев по оценки жесткости возвратной пружины, обеспечивающей постоянство тяговой силы в рабочей зоне перемещения якоря электрического двигателя с частичным шунтированием магнитного потокав разработке метода построения проблемно-ориентированной математической модели распределения магнитной индукции, для решения задачи синтеза параметров линейного электродвигателя при многократном резервировании по управлениюв оптимизации схемно-технического построения катушек управления линейного электродвигателя в части рационального их секционирования и распределения витков по каждой секции для обеспечения нормальной работы любого из каналов управления линейного электродвигателя при многократном резервировании. Практическая ценность.

1. В формировании требований по обеспечению работоспособности дросселирующего гидрораспределителя с прямым электромеханическим воздействием при многократном резервировании по каналам управления;

2. В методике учета определения сил сопротивления движению приграничных адгезионных слоев на конкретных поверхностях золотника и гильзы распределителя в зависимости от рабочего давления и величины контакта;

3. В методике расчета величины магнитной индукции, которая обеспечивает ее равномерное распределение в магнитных зазорах якоря линейного электродвигателя на любом резервируемом электрическом канале управления при полной взаимозаменяемости резервируемых каналов, а также при необходимости имеется возможность не ограничивать число резервируемых электронных каналов управления четырьмя каналами.

Реализация работы. Указанные результаты диссертационной работы были использованы при создании систем рулевых приводов маневренных самолетов на ОАО «ПМЗ Восход» и ОАО «ОКБ Сухой» и пропорциональных распределителей на ФГУП «ЦНИИАГ».

Основные выводы по работе.

1. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований, изменение магнитной индукции в зависимости от числа работающих секционных катушек, управляющих гидравлическим распределителем, практически не происходит даже при отказе трех из четырех электронных каналов управления;

2. Установлено, что при расчете тяговой силы требуемой для перемещения золотника распределителя в диапазоне рабочих давлений 25.30 МПа необходимо учитывать сжимаемость слоев рабочей жидкости между поверхностью золотника и втулки распределителя;

3. Исследования линейных электродвигателей показали, что электродвигатель с двумя рабочими зазорами является более экономичным в электрической части, чем электродвигатель с одним рабочим зазором, так как увеличение магнитной индукции на некоторую величину в одном рабочем зазоре обеспечивает уменьшение магнитной индукции в другом рабочем зазоре на ту же величину;

4. Экспериментальные исследования показали, что при многократном резервировании по электронному управлению необходимо обеспечить одинаковое воздействие каждого канала управления на изменение магнитной индукции в каждом рабочем зазоре линейного электродвигателя. Это достигается секционированием каждой катушки управления с определенным количеством витков в каждой секции.

5. Одинаковое влияние на каждый рабочий зазор линейного электрического двигателя может быть достигнуто секционированием каждой катушки управления. Число витков каждой секции определяется расположением данной секции относительно рабочих зазоров якоря. Для определения необходимого числа витков в соответствующей секции использовался гиперболический закон, который был принят Лапласом для описания экспериментальных данных, полученных Саваром и Био.

6. Сравнение экспериментальных замеров магнитной индукции в блоках катушек четырехкратного резервирования одинаковых габаритных размеров показало следующее.

В блоке с последовательно расположенными катушками (штатное расположение катушек управления) при работе одной из средних катушек управления, неравномерность в рабочих зазорах якоря может достигать более чем в два раза. При работе одной крайней катушки управления неравномерность магнитной индукции может достигать более 15 раз.

Это позволяет рекомендовать производителям, которые заинтересованы в дополнительном повышении надежности систем приводов с многократным резервированием по электронных каналам управления, применить, полученные в данной работе результаты, для проведения всех штатных испытаний своих объектов с установкой секционных катушек управления в электрическом двигателе гидравлического распределителя.