На правах рукописи

ГАЛЛЯМОВ Шамиль Рашитович УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РУЛЕВОГО ПРИВОДА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г. Уфа - 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет на кафедре прикладной гидромеханики.

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор Целищев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, с.н.с Бажайкин Станислав Георгиевич, Зам. ген. директора по научной работе в области промысловых проблем ГУП ИПТЭР.

Кандидат технических наук Арефьев Константин Валерьевич.

Главный инженер ООО Медстальконструкция

Ведущая организация: ОАО Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева, г. Миасс

Защита диссертации состоится 25 декабря 2009 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа, ул. К. Маркса, д. 12, УГАТУ, актовый зал учёного совета (1 корпус), тел. (347) 273-77-92, факс. (347) 272-29-18, e-mail: admin@ugatu.ac.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан У_Ф 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ф.Г. Бакиров доктор технических наук, профессор 1

Общая характеристика работы

Актуальность темы Усовершенствование летательных аппаратов (ЛА) влечёт за собой повышение требований по надёжности, быстродействию и долговечности рулевых приводов (РП), работающих в жёстких условиях эксплуатации.

Научные и производственные организации как за рубежом, так и в отечественной промышленности ведут исследования по совершенствованию РП и устройств, удовлетворяющих условиям их работы на ЛА.

РП ЛА представляет собой набор электрогидравлических и механических устройств, позволяющих с высоким быстродействием (время выхода на режим составляет менее 0.6 с.) и точностью (величина перерегулирования составляет не более 10%) развивать требуемые характеристики. Функционирование РП ЛА происходит в достаточно сложных условиях эксплуатации: воздействие вибрационных нагрузок, резкие воздействия при отстыковке ступеней ракеты, нелинейные характеристики сил трения тяг и качалок и сил инерции поворотного управляющего сопла с постоянно изменяющимся шарнирным моментом, сложные климатические условия и проблемы длительного хранения.

Максимально возможные тактико-технические характеристики беспилотных ЛА достигаются, в том числе, благодаря многочисленным конструкторским и исследовательским работам, к которым можно отнести проведение стендовых испытаний и имитационное моделирование РП.

Имитационное моделирование РП с применением современных пакетов математического моделирования и CAD-проектирования позволяет снизить временные и финансовые затраты при разработке и последующей доводке РП беспилотных ЛА, исключая метод проб и ошибок. Проведение экспериментальных исследований позволяет выполнить анализ соответствия результатов численного моделирования на адекватность реальному объекту.

В данной работе разработана имитационная модель РП ЛА по результатам обработки и обобщения экспериментальных данных, полученных в ОАО Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева и в учебнонаучном инновационном центре Гидропневмоавтоматика на кафедре прикладной гидромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета.

Цель и задачи работы Улучшение динамических характеристик рулевого привода летательного аппарата на основе имитационного моделирования.

Задачи 1. Разработка математической модели РП и анализ результатов численного моделирования;

2. Проведение экспериментальных исследований РП и сравнение их результатов с результатами численного моделирования;

3. Апробация исследований и выработка рекомендаций по повышению устойчивости РП при анализе результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований;

4. Разработка методики расчёта с применением имитационной модели РП ЛА.

Методы исследования базируются на фундаментальных методах математического моделирования физических процессов, происходящих в РП ЛА в процессе эксплуатации, методах статистического анализа экспериментальных характеристик РП и методах вычислительного эксперимента.

Научная новизна основных результатов работы 1. Впервые в математической модели РП ЛА со струйным гидравлическим усилителем (СГУ) предложено использовать нелинейную модель люфта в механической передаче и эмпирическую модель гистерезиса характеристики управления электромеханического преобразователя, что позволило повысить достоверность результатов численного моделирования.

2. Впервые была решена обратная задача по влиянию нежёсткости силовой проводки на изменение гидродинамического момента обратных струй, действующих на струйную трубку, вследствие чего уменьшается зона устойчивости РП. В результате проведённых исследований были получены рекомендации по снижению гидродинамического момента обратной струи.

3. Впервые был определён диапазон изменения коэффициента передачи РП ЛА, при котором наблюдается его устойчивая работа. Анализ результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований позволили выявить зону устойчивости РП ЛА как функцию от жёсткости силовой проводки и параметров РМ.

Практическая значимость заключается в том, что разработанная методика расчёта РП ЛА позволяет исследовать устойчивость, точность и быстродействие с учётом действующих на него эксплуатационных нагрузок.

Комплекс прикладных программ, выполненных в математическом пакете, позволяет провести численное исследование имитационной модели рулевого привода и сравнить полученные результаты с экспериментальными данными.

На защиту выносятся 1. Математическая модель РП ЛА;

2. Результаты численного исследования имитационной модели привода;

3. Результаты экспериментальных исследований РП ЛА;

4. Новая схема струйного гидравлического распределителя (СГР), позволяющая увеличить область устойчивости, за счёт снижения гидродинамического воздействия обратной струи на струйную трубку.

Апробация работы Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийской молодёжной научнотехнической конференции Проблемы современного машиностроения (г. Уфа 2004 г.), на международной конференции Глобальный научный потенциал (г.

Тамбов 2006 г.), на Российской научно-технической конференции, посвящённой 80-летию со дня рождения чл.Цкор. РАН, профессора Р.Р. Мавлютова Мавлютовские чтения (г. Уфа 2006 г.), на конкурсе молодых специалистов авиационно-космической отрасли (Москва, ТПП РФ, комитет по развитию авиационно-космической техники, 2008).

Основанием для выполнения работы является план исследований госбюджетной НИР Исследование теплофизических и гидродинамических процессов и разработка теории перспективных энергонапряженных двигателей и энергетических установок (2008-2009 гг.), № 01200802934, Государственные контракты № П317 от 28.07.2009 Разработка методов расчета и совершенствование рулевых приводов ракетных двигателей и № П934 от 20.08.2009 Электрогидравлическая система управления регулируемой двигательной установкой твёрдого топлива многократного включения по направлению Ракетостроение федеральной целевой программы Научные и педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы.

Публикации Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 16 публикациях, в том числе в 3 статьях в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем работы Во введении отражена актуальность, практическая значимость и научная новизна работы, сформулирована цель и представлено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе представлен анализ опубликованных работ по исследованию РП ЛА, методов их расчёта и проектирования.

Рассматриваются опубликованные теоретические исследования и экспериментальные исследования авторов А.И. Баженова, Н.С. Гамынина, С.А.

Ермакова, И.С. Шумилова, В.М. Фомичёва, В.А. Корнилова, В.В. Малышева, В.А. Полковникова, В.А. Чащина. Анализ результатов исследований позволил доработать линейную математическую модель рулевой машины (РМ), которая используется в РП ЛА. На отечественных летательных аппаратах третьего поколения в состав РП входят РМ, разработанные в ОАО Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева. Разработка и испытания РП на всех этапах, проводимые специалистами ракетного центра, подтвердили, что РМ, отвечающей всем параметрам работы, является струйная гидравлическая рулевая машина (СГРМ) (см. рисунок 1).

Научно-технический обзор исследований по РП И.С. Шумилова, Д.Н. Попова, В.Ф. Казмиренко, В.И. Гониодского, А.С. Кочергина, Н.Г. Сосновского, М.В. Сиухина, В.Я. Бочарова позволил разработать методику расчёта и методику имитационного моделирования РП ЛА. Представленные частотные характеристики РП и зависимости, которые учитывают жёсткость силовой проводки, жёсткость крепления гидроцилиндра, переменный модуль объёмной упругости рабочей жидкости, позволили доработать линейную математическую модель РП.

На протяжении развития военной авиации колоссальную роль в обеспечении надёжности, долговечности и быстродействия оказали исследования, основанные на инженерных методах. В работах таких авторов, как В.М. Апасенко, Р.А. Рухадзе, В.И. Варфоломеев, М.И. Копытов, И.М. Гладков, И.Х. Фархутдинов, представлены различные конструктивные схемы РП, каждая из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Конструктивные схемы позволяют определять кинематическую схему и расчётную схему РП.

Рисунок 1. Струйная гидравлическая рулевая машина В работах учёных кафедры Прикладная гидромеханика Уфимского государственного авиационного технического университета таких авторов, как Э.Г. Гимранов, В.А. Целищев, Р.А. Сунарчин, А.В. Месропян, А.М. Русак, а также в трудах зарубежных авторов: M. Nordin, Gutman Per-Olof, Hong-guang Li, Guang Meng, F. Ikhouane, J. E. Hurtado, J. Rodellar разработаны нелинейные математические модели электрогидравлических и механических устройств, работающих в жёстких эксплуатационных условиях.

Проведённый аналитический обзор показывает, что зачастую метод проб и ошибок при проектировании РП ЛА является не только одним из самых эффективных методов, но и дорогостоящим методом, а линейные математические модели не адекватно описывают реальный объект, особенно при нагруженном режиме работы РП. Разработанные нелинейные математические модели позволяют приблизить результаты численного моделирования к физическим процессам, которые протекают во время эксплуатации РП ЛА.

Адекватность нелинейных математических моделей необходимо подтвердить экспериментальными исследованиями.

Во второй главе представлена математическая модель РП. Основным вопросом являлась доработка нелинейной математической модели РП ЛА, учитывающей нелинейности, которые значительно влияют на характеристики СГРМ: нелинейная расходно-перепадная характеристика, гистерезис в характеристике управления и люфт в механической передаче.

Основные уравнения математической модели имеют вид:

а) Зависимость коэффициентов расхода и давления:

z t z t ( ) ( ) 0.85, zmax < zn 1, zmax < zn =, =, (1) ( ) ( ) 1.1, zn < z t < zmax 1.2, zn < z t < zmax zmax zmax здесь - коэффициент расхода, - коэффициент давления;

б) Уравнение электрической цепи СГРМ:

d d L i t + R i t + KПЭ ( ) - Koc yП t, (2) t = U ( ) ( ) ( ) dt dt здесь L - индуктивность обмотки (Гн), R - сопротивление обмотки (Ом), i(t) - функция силы тока, изменение силы тока с течением времени (А), KПЭ - коэффициент противо-ЭДС, l - длина струйной трубки (м), KOC - коэффициент обратной связи (м/В), U - напряжение питания катушки ЭМП (В), ( ) ( ) t - угол поворота якоря ЭМП (рад), yП t - перемещение поршня гидравлического цилиндра (ГЦ) (м);

в) Уравнение динамики движения струйной трубки:

n d d J ( ) ( ) ( ) ( ) t = Kmii t - be ( ) - ( ) - i t ( ) - MГД t, (3) t t Km t dt2 dt J - момент инерции (кг м2 ), be - коэффициент вязкого демпфирования струйной трубки (Н м с/рад ), Km - коэффициент жёсткости магнитной пружины (Н м/рад ), Kmi - коэффициент моментной характеристики (Н м/А ), - коэффициент магнитного гистерезиса (H/ Ам ), n - эмпирический коэффициент, ( ) MГД t - гидродинамический момент обратной струи (Н м);

( ) г) Уравнения баланса расхода через СГРМ:

z t PП - Р1 t z t PП + Р1 t ( ) ( ) 1 ( ) ( ) QH1+ - = 1- zmax 2 zmax PП PП, (4) dyП t dyГ - t dP1 t ( ) ( ) W1 ( ) = AЭФ + + dt dt 2E1 dt z t Р2 t z t Р2 t ( ) ( ) 1 ( ) ( ) QH1+ - = 1- zmax 2 zmax Pсл Pсл, (5) dyП t dyГ - t dP2 t ( ) ( ) W2 ( ) = AЭФ - dt dt 2E2 dt здесь QH - номинальный расход на входе РМ (м3/с), z t - перемещение струйной ( ) трубки (м), zmax - максимальное перемещение струйной трубки (м), PП - давление питания РМ (Па), Р1 t, Р2 t - перепад давления в полостях Г - РМ (Па), ( ) ( ) AЭФ - эффективная площадь поршня Г - (м2 ), W1, W2 - объём правой и левой полостей Г - РМ (м3 ), E1 - приведённый модуль объёмной упругости рабочей жидкости (Па);

д) Уравнение движения поршня Г - СГРМ:

d yП t dyП t ( ) ( ) mП = AЭФ Pдв t - bП - Rупр, (6) ( ) dt2 dt здесь mП - масса поршня ГЦ, Pдв t - перепад давлений в полостях Г - (Па) (разность ( ) давлений Р1 t и Р2 t ), bП - коэффициент вязкого демпфирования поршня (Нс/м ), ( ) ( ) Rупр - сила, связывающая шток Г - с инерционной нагрузкой (Н) (сила упругости силовой проводки);

е) Уравнение движения инерционной нагрузки РП:

d yН t dyН t ( ) ( ) mН = Rупр - bН - RH, (7) dt2 dt здесь mН - масса инерционной нагрузки (кг), yН t - перемещение инерционной ( ) нагрузки (м), bН - коэффициент вязкого демпфирования нагрузки (Нс/м ), RH - позиционная нагрузка РП (Н);

з) Уравнение движения корпуса Г - СГРМ: