Одна из сложнейших отраслей машиностроения — вертолётостроение. С каждым годом расширяются области применения этих винтокрылых машин как у нас в стране, так и за рубежом. Широкое применение вертолётов и вызванное этим увеличение затрат на их производство и эксплуатацию ставят жёсткие требования к повышению экономичности, надёжности, ресурса и безопасности полётов.
Эти задачи невозможно решить без организации всесторонних комплексных испытаний заложенных в конструкцию вертолетов отдельных узлов и агрегатов на всех этапах их создания [МЗ]. С этой целью создаются самые разнообразные стенды для различных видов испытаний, в том числе испытательные установки для вертолётных трансмиссий [14−17]. При этом в качестве испытательных установок для вертолётных трансмиссий нередко используются натурные стенды, где в роли приводных двигателей используются штатные авиадвигатели, а нагружение механической передачи осуществляется за счёт несущего и рулевого винтов вертолёта. Эти установки при высоком качестве проведения испытаний не отвечают требованиям высокой экономичности, надёжности, максимальной автоматизация процесса испытания, унификации технических решений и экологии. В наибольшей мере этому отвечают электромеханические испытательные комплексы [1&-23].
Разработке подобных стендов посвящены работы ряда ведущих специалистов в области электропривода: Иванова Г. М., Иванова А. Г., Новикова В. И., Осипова О. И., Ильинского Н. Ф. и других ученых.
Однако многообразие испытательных стендов, сложность технологических и энергетических взаимосвязей между многодвигательными электроприводами подобных стендов для испытаний вертолетных трансмиссий из-за наличия упругостей в кинематических узлах их механизмов создают ряд технических и научных проблем при реализации подобных комплексов. К ним следует отнести:
— обоснование мощности элементов силовой части и систем многодвигательного электропривода механизмов испытательной установки с учетом энергетических связей между ними;
— выбор наиболее экономичного технического решения построения силовых цепей электропривода;
— создание систем управления электроприводами испытательной установки, обеспечивающих все её технологические требования, включая необходимость подавления крутильных колебаний в трансмиссионных валах установки;
— создание математической модели многодвигательного электропривода установки, учитывающей особенности построения его силовой части и системы управления и адекватной технической реализации привода установки;
— исследование режимов работы многодвигательного электропривода и влияния на них параметров установки.
Целью диссертационной работы является разработка, совершенствование и исследование многодвигательного электропривода стенда для испытаний вертолётных трансмиссий с обеспечением его технологической и энергетической эффективности, включая подавление крутильных колебаний валов из-за наличия упругостей в механических узлах стенда.
Достижение поставленной цели потребовало:
— разработки и выбора элементов силовой части многодвигательного электропривода стенда, анализа его энергетических режимов работы и обоснования выбора мощности привода стенда;
— анализа механической части стенда для испытаний вертолетных трансмиссий, разработки математической модели и исследования её частотных и переходных свойств с учётом механических упругостей и действующих диссипативных сил;
— разработки математической модели силовой электрической части многодвигательного электропривода стенда;
— разработки и исследования систем управления приводными двигателями и нагрузочными генераторами испытательного стенда, ограничивающих крутильные колебания валов трансмиссии на допустимом уровне;
— исследования статических, динамических и энергетических режимов работы многодвигательного электропривода установки и влияния на них параметров привода;
— определения функций чувствительности электропривода к изменению параметров его механической части и разработки алгоритмов диагностирования электропривода испытательного стенда на их основе.
Содержание работы изложено в четырёх главах.
В первой главе дана характеристика исследуемого объекта управления и рассмотрена функциональная схема испытательного стенда.
На основе заданных параметров (крутящего момента и скорости испытуемого редуктора) и технологических режимов работы стенда рассчитаны параметры приводных и нагрузочных мультипликаторов (редукторов), а также определены требуемые мощности для электрических двигателей и генераторов. Определены потери в электрических машинах и в механических элементах стенда в зависимости от режима его работы. Составлена энергетическая диаграмма стенда для одной пары «генератордвигателвх.
На основании требований к комплексным испытаниям трансмиссий вертолетов сформулированы технологические и метрологические требования к электроприводу испытательного стенда и системам его управления.
Во второй главе рассмотрена кинематическая схема стенда для испытания трансмиссий, как пятимассовая система. Это механическая система с двумя суммарными приведёнными массами приводных двигателей, двумя суммарными приведёнными массами нагрузочных генераторов и одной суммарной приведённой массой испытуемого редуктора. Массы двигателей создают вращательные моменты, через приведённые жёсткости входных валов передаваемые на массу испытуемого редуктора. Массы генераторов создают нагрузочные моменты, которые воздействуют на массу испытуемого редуктора через суммарные приведённые жёсткости его выходных валов.
На основании разработанной пятимассовой модели был проведён анализ частотных и переходных свойств механической части, построены логарифмические амплитудно-частотные (ЛАЧХ) и фазо-частотные (ЛФЧХ) характеристики передаточных функций между различными точками системы с учётом диссипативных сил. Из логарифмических частотных характеристик определены резонансные частоты механической части испытательного стенда.
Третья глава посвящена разработке математической модели силовой электрической части привода с учетом наличия в ней отсекающих диодов, а также исследованию этой модели. Модель силовой электрической части включает в себя нелинейные блоки переключателей (Switch), а так же релейные блоки, которые моделируют свойства электрических вентилей (диодов). На основе математических моделей механической и электрической частей привода испытательного стенда дан анализ динамических свойств их переменных в разомкнутой системе управления при скачкообразном и линейно изменяющемся сигнале управления приводом, а также при скачке момента нагрузки на валу привода стенда.
В четвёртой главе разработана система управления приводными двигателями и нагрузочными генераторами испытательного стенда. Представлена обобщенная модель электропривода испытательного стенда, включающая в себя модель механической части, модель силовой электрической части и модель систем управления отдельными электрическими машинами.
На основе метода ЛАЧХ и ЛФЧХ были определены коэффициенты регуляторов всех систем, обеспечивающие минимальную величину упругих колебаний без потери динамических свойств. Промоделированы и представлены переходные процессы пуска привода стенда скачком, с задатчиком интенсивности и с последующим набросом нагрузки.
С целью оценки влияния параметров стенда на свойства привода структурно — топологическим методом выполнено определение функций чувствительности замкнутой системы к изменению различных параметров механической части стенда. На их основе дан пример алгоритма диагностирования электропривода стенда.
Методика исследований. Теоретические исследования основывались на общих положениях теории электропривода и теории автоматического управления, методов структурного моделирования. При моделировании использовались программные пакеты МаЙаЬ 7.5.0/81тиНпк и МаШСАБ 14.0. Исследования проводились на основе математической модели многодвигательного электропривода стенда для испытания главных редукторов вертолётов Ка-226.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обоснованы технологические требования к многодвигательному электроприводу стенда для испытания силовых трансмиссий вертолетов.
2. Обоснован вариант электрической схемы испытательного стенда, при котором электрическая энергия с выхода генераторов поступает на вход двигателей и из сети потребляется лишь энергия для покрытия потерь в элементах стенда.
3. Впервые предложена математическая модель силовой механической части стенда для испытания трансмиссий вертолетов, представляющая пятимассовую систему с массами двух двигателей, двух генераторов и массой испытуемого редуктора.
4. Впервые разработана и исследована модель силовой электрической части стенда, учитывающая наличие в ней отсекающих вентилей.
5. Разработаны системы управления приводными двигателями и нагрузочными генераторами стенда, обеспечивающие ограничение крутильных колебаний в трансмиссионных валах установки на уровне технологически допустимых.
6. Предложен структурно-топологический метод определения чувствительности передаточных функций системы управления электроприводом к отклонению ее параметров и на его основе определено влияние параметров многодвигательного электропривода стенда на его динамические показатели.
7. Дан пример алгоритма диагностирования электропривода испытательного стенда.
Практическое значение работы заключаются в следующем:
1. Обоснованы мощности элементов силовой части электропривода стенда. Произведен выбор электрических машин и силовых преобразовательных устройств электропривода. На их основе определены энергетические показатели привода стенда для различных режимов испытания вертолётных трансмиссий.
2. Выявлены резонансные частоты в механической части электропривода стенда, обусловленные наличием в его кинематических звеньях упругих элементов.
3. Разработаны системы управления электродвигателями и электрогенераторами стенда, обеспечивающие основные технологические требования к приводу стенда.
4. Определены параметры регуляторов систем управления каждым из приводных двигателей и нагрузочных генераторов стенда. Дана оценка влияния параметров электропривода на динамические показатели электропривода.
5. Путем анализа функций чувствительности электропривода к отклонению его параметров предложен алгоритм его технического диагностирования и выделения в нем дефектов.
6. На основе разработанных математических моделей электропривода стенда для испытаний главных редукторов вертолетов типа Ка-226 выполнены исследования статических, динамических и энергетических режимов его работы.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических исследований приняты к использованию при проектировании, технической реализации и наладке стендов для испытания трансмиссий вертолетов Ка-226.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены правомерностью принятых исходных допущений и предпосылок, корректным применением методов теорий электропривода, автоматического управления и математического моделирования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Вариант построения многодвигательного электропривода стенда для испытания вертолётных трансмиссий, при котором основная мощность электропривода циркулирует в замкнутом энергетическом контуре, а мощность потребления из сети определяется потерями в элементах стенда.
2. Пятимассовая математическая модель механической части стенда, учитывающая наличие в ней упругих элементов и присутствие диссипативных сил (сил трения).
3. Математическая модель силовой электрической части многодвигательного электропривода стенда с учетом отсекающих вентилей.
4. Способ и система управления приводными двигателями и нагрузочными генераторами постоянного тока, обеспечивающие основные технологические требования к испытанию вертолетных трансмиссий, включая ограничение крутильных колебаний их валов.
5. Результаты исследований электропривода стенда для испытания трансмиссий вертолётов на основе математической его модели.
6. Структурно — топологический метод определения функций чувствительности электропривода к изменению параметров его механической части, а также метод диагностирования электропривода, основанный на анализе функций чувствительности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.), на XV и XVI Международных научно-технической конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика) (МЭИ, г. Москва, 2009, 2010 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 7 печатных трудах, в том числе одном издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК РФ по направлению"Энергетика>.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 60 наименований и 3 приложений объемом 9 страниц. Работа изложена на 160 страницах основного текста, содержит 153 рисунка и 11 таблиц.
Выводы.
1. Для регулирования скорости приводных двигателей и момента нагрузочных генераторов испытательного стенда рекомендованы двухконтурные системы управления: с внутренним контуром регулирования тока якоря и внешним контуром регулирования скорости двигателя, а также с внутренним контуром регулирования тока возбуждения и внешним контуром регулирования упругого момента на валу генератора.
2. Предложена обобщенная модель замкнутой системы управления электроприводом испытательного стенда, объединяющая в себе модель силовой электрической и механической частей привода и системы их управления.
3. Определены и дан анализ ЛАЧХ и ЛФЧХ контуров регулирования координат электропривода стенда в разомкнутой и замкнутой системах управления. На их основе рекомендованы параметры регуляторов координат привода, обеспечивающие желаемое качество переходных процессов координат.
4. На основе разработанной математической модели электропривода стенда исследованы её динамические свойства при различных режимах пуска привода (скачком, с э-образной интенсивностью) и при приложении нагрузки со стороны нагрузочных генераторов.
5. Предложен граф системы управления приводными двигателями стенда и на его основе структурно — топологический метод определения чувствительности передаточных функций системы управления к изменению параметров механической части стенда. На их основе предложен алгоритм диагностирования замкнутой системы электропривода стенда.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Определены основные технологические требования к электроприводу стенда для испытания вертолетного редуктора. На основе технологической части стенда для испытания вертолетного редуктора, кинематических его параметров и режимов работы определены мощности приводных и нагрузочных электромашин стенда.
2. Представлена силовая электрическая часть привода стенда на основе машин постоянного тока, отличающаяся высокой энергетической эффективностью за счет обмена энергией между приводными и нагрузочными электродвигателями стенда и обеспечивающая потребление из сети лишь энергии, необходимой для покрытия потерь мощности в элементах стенда. Определены зависимости потерь мощности в силовых элементах стенда от технологических режимов его работы.
3. Впервые разработана математическая модель механической части привода стенда как пятимассовой системы и определены параметры ее структурной схемы. Для исследования статических и динамических свойств механической части привода стенда ее математическая модель представлена в программе ЗнпиИпк Ма^аЬ без учета и с учетом диссипативных сил трения в механических узлах стенда.
4. На основе разработанной математической модели механической части привода определены ЛАЧХ и ЛФЧХ передаточных функций между электромагнитными моментами приводных двигателейскоростями приводных генераторов и испытуемого редуктораупругими моментами на выходных валах испытуемого редуктора как во взлётном режиме, так и в режиме авторотации. Определены резонансные частоты механической части испытательного стенда: 3 Гц, 7 Гц, 127 Гц.
5. Впервые в программе 8шш1шк Ма1:1аЬ разработана математическая модель силовой электрической части привода с учетом отсекающих диодов в цепях питания электрических машин стенда.
6. На основе математических моделей механической и электрической частей привода испытательного стенда дан анализ динамических свойств их переменных в разомкнутой системе управления. Доказана необходимость применения замкнутой системы управления электроприводом стенда с целью исключения в нем недопустимых колебаний моментов и скоростей привода, обусловленных наличием в приводе упругих механических звеньев.
7. Впервые разработана обобщенная модель электропривода испытательного стенда, включающая в себя модели силовой электрической и механической частей привода и замкнутой системы их управления. Определены и дан анализ ЛАЧХ и ЛФЧХ контуров регулирования координат электропривода стенда в разомкнутой и замкнутой системах управления. На их основе рекомендованы параметры регуляторов координат привода, обеспечивающие желаемое качество переходных процессов координат. Исследованы переходные свойства замкнутой системы электропривода стенда, подтверждающие работоспособность привода.
8. Разработан граф системы управления приводными двигателями стенда и на его основе структурно — топологическим методом дан анализ чувствительности передаточных функций системы управления к изменению параметров механической части стенда и пример алгоритма диагностирования замкнутой системы электропривода стенда.
