Электропривод летательных аппаратов

Вид материалаДокументы

Содержание


Плотность воздуха – это количество воздуха (т.е.масса воздуха), содержащаяся в 1 м
Под абсолютной влажностью подразумевается количество (масса) водяного пара в 1 м
Надежность задается определенной вероятностью безотказной работы в течение определенного времени при температуре окружающей сред
1.7. Сравнение различных типов приводов
Пневматический привод
Принцип действия
Рабочая жидкость
Объём рабочей жидкости
Длина трубопроводов
Общие недостатки ПП и ГП
Подобный материал:
1   2   3
Все это приходится учитывать при выборе мощности двигателя, типа конструктивного решения, используемых материалов и комплектующих.

2. Широкий диапазон изменения давления.

Атмосферным давлением называется давление, вызываемое весом вышележащих слоев воздуха и ударами его хаотически движущихся молекул. Атмосферное давление объясняется тем, что воздух подобно всем другим веществам обладает весом и притягивается землей [6].

На поверхности Земли стандартное давление равно приблизительно 105 Па (другая размерность: 1атм=1,0332 кгс/м2 или 760 мм.рт.ст [6]). С ростом высоты оно снижается по экспотенциальному закону. На высоте 12 км – давление в 5 раз меньше, а на высоте 35 км - в 180 раз меньше, чем на поверхности Земли [4]. Давление окружающей среды в космосе падает до 10-11 Па [24].

С увеличением высоты на 12 метров давление падает на 1 мм рт.ст.

Для герметичных машин пониженное давление окружающей среды приводит к дополнительным требованиям ко всем герметизирующим уплотнениям и прокладкам [27]

3. Широкий диапазон изменения плотности воздуха.

Плотность воздуха – это количество воздуха (т.е.масса воздуха), содержащаяся в 1 м3 объема. В нормальных условиях плотность воздуха 1,225 кг/ м3.

Высота атмосферы Земли составляет более 2000 км. Геокорона Земли, где еще обнаруживаются следы атмосферы, расположена на расстоянии 25000 км [24].

Отметим, что в пределах околоземного пространства до высоты 20 км находится около 95% всей массы атмосферного воздуха; 90%, остальная часть атмосферы – разреженный ионизированный газ [24].

Плотность воздуха прямо пропорциональна давлению и обратно пропорциональна температуре.

C увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, что объясняется тем, что давление уменьшается в большей степени, чем уменьшается температура. По сравнению с плотностью воздуха у поверхности Земли, на высоте 12 км плотность воздуха меньше в 4 раза, на высоте 20 км – меньше в 14 раз, на высоте 35 км – меньше в 140 раз [4], на высоте 100 км – меньше в 1000 раз [24].

С уменьшением плотности воздуха:

a) Снижается эффективность воздушного охлаждения (уменьшается способность воздуха отводить тепло). На высотах до 11 км одновременное снижение температуры окружающего воздуха несколько компенсирует уменьшение плотности, но на больших высотах это компенсирующее влияние отсутствует. Это приводит к необходимости снижать нагрузки и увеличивать вес ЭП.

б) Возрастает электропроводность (снижается диэлектрическая прочность) воздуха. Наряду с уменьшением плотности это обуславливается и увеличением интенсивности ионизации воздуха космическими и ультрафиолетовыми лучами [4]. Это влияет на электрическую прочность воздушных промежутков между токоведущими частями, а также на время горения дуги при размыкании электрических контактов и увеличение искры на коллекторах ЭМ. Приходится предусматривать большие изоляционные промежутки и увеличивать вес изделий. В большей степени это относится к высоковольтным машинам при рабочих напряжениях свыше 200 В и работе на высотах свыше 20 км, где этот фактор становится определяющим [27].

4. Высокая влажность.

Под абсолютной влажностью подразумевается количество (масса) водяного пара в 1 м3 воздуха. Она резко уменьшается, начиная с высоты 6 км. Это влечет увеличение трения и износа щеток ЭМ [5]. Практически на высотах около 20 км работа щеточно-коллекторного узла становится невозможной [27].

Относительной влажностью называется отношение имеющейся абсолютной влажности к максимальной абсолютной влажности, возможной при данной температуре и давлении, выраженное в процентах [5]. При температуре 20°С и стандартном давлении в одном кубическом метре воздуха максимально может "раствориться" 17,3 граммов воды; при -15°С эта величина составит около 1,5 г/м3. Большее содержание влаги в воздухе при названных условиях невозможно – избыток влаги выпадает в виде росы [8].

Таким образом, при неизменной абсолютной влажности воздуха относительная влажность при снижении температуры возрастает и при превышении содержания парообразной влаги выше максимально возможного значения часть ее конденсируется и выпадает в виде росы (соответствующая температура называется точкой росы). Это происходит при быстром наборе высоты. Влага может попасть на агрегаты самолета и непосредственно из окружающего воздуха. Влага приводит к коррозии металлов и образованию токопроводящих дорожек на электрической изоляции [5].

5. Механические воздействия

Механические воздействия характеризуются частотой и амплитудой вибрационных нагрузок, ускорениями и ударными нагрузками.

Вибрация – это длительные, знакопеременные колебания. Такие колебания возбуждаются вращающимися частями машин: валами и турбинами авиадвигателей, лопастями винтов, роторами электрических машин и насосов. Вибрация также вызывается нестабильностью процесса горения в авиадвигателях и турбулентностью обтекания воздухом корпуса самолета. Источником вибраций могут быть и другие самолетные агрегаты, если они попадают в резонанс с собственной частотой колебаний [5].

Ударные нагрузки отличаются кратковременностью и большой начальной амплитудой колебаний, которые со временем затухают. Эти нагрузки возникают при взлете и посадке самолета, изменении его скорости и направления полета, стрельбе и т.д.

Динамическая сила, действующая на агрегат при вибрации и ударе, определяется по второму закону Ньютона:

F=ma

где m – масса агрегата, а – максимальное ускорение, создаваемое при динамическом воздействии на агрегат.

При синусоидальной вибрации [5]:

а=хω2=х*(2πf)2=x*4*π2*f2,

где х – амплитуда колебаний (мм), f – частота колебаний (Гц).

Таким образом, динамическая сила, действующая на агрегат, пропорциональна амплитуде его колебания и квадрату частоты:

F = 4*π2*m*x*f2

Часто величину ускорения выражают через ускорение свободного падения g, называя отношение a к g перегрузкой.

На ЛА частота вибрации находится в диапазоне от 0,5 до 500 Гц и выше с амплитудами до 2,5 мм, перегрузка может достигать 10 g [4].

Механические силы, действующие на электромеханические системы, могут привести к обрыву проводов, особенно в местах их пайки, появлению трещин и порче электроизоляционных материалов, ускоренному износу осей и подшипников в электромеханизмах [20], к ослаблению затяжки винтов, болтов, гаек и их самотвинчиванию. на элементах с малой жесткостью при вибрационных нагрузках могут наблюдаться явления резонанса, которые приводят к механическим разрушениям. В этом отношении особенно критичными являются длинные трубопроводы, тонкие валы, пружины щеткодержателей [27].

6. Влияние внешних воздействий. К внешним воздействиям можно отнести пары топлива, масла, радиацию и др. Сильные внешние электромагнитные поля способны вызвать сбой в системе управления ЭП. В ряде случаев ЭП работает в условиях повышенной радиации, изменяющей химико-физические свойства материалов.

7. Практически любое положение самолета в пространстве.

Особое влияние положение в пространстве оказывает при масляном распылительном охлаждении электропривода [27]


1.6. Требования к электроприводу ЛА


Область применения и условия работы электропривода определяют требования, предъявляемые к нему. В их число входят общие требования, предъявляемые к электрооборудованию ЛА, общие требования, предъявляемые к авиационному электроприводу и специальные требования к электроприводу, определяемые его конкретным назначением. Перечислим общие требования.

1. Высокая надежность в работе.

Надежность авиационного электропривода должна существенно превышать надежность наземных электроприводов, так как последствия его отказа в работе очень опасны

Надежность задается определенной вероятностью безотказной работы в течение определенного времени при температуре окружающей среды от –60С до +50С.

Эта вероятность определяется следующим образом: Р(t) = (N-n(t))/N,

где N – число испытуемых изделий; n(t) – число изделий, отказавших за время t.

Интенсивность отказов - количество отказов за один летный час. При доверительной односторонней вероятности 0,95 в зависимости от типа механизма, в котором используется электропривод интенсивность его отказов находится в пределах макс=(3,8542-5,1663)*10-6 отк/л.ч [21].

Для выполнения этого требования ЭП должен обладать высокой механической, электрической, климатической и химической стойкостью и устойчивостью.

Стойкость – характеризует способность материала и электромеханизма выдерживать эксплуатационные воздействия без изменения своих свойств. Устойчивость характеризует наряду со стойкостью способность сохранять свои номинальные параметры в указанных условиях [5].

Общие виды механических нагрузок и климатических условий, при воздействии которых электрооборудование должно сохранять свои параметры и нормально функционировать, установлены ГОСТ 19962-71. Они в обобщенной форме отражают возможные условия эксплуатации [27].

Оборудование должно выдерживать механические нагрузки одного направления, возникающие при пикировании, резком изменении скорости, разворотах, фигурах высшего пилотажа, нагрузки переменных направлений, возникающие при вибрациях и перегрузки до 10g. В технических требованиях одним из показателей устойчивости является допустимая частота колебаний [5].

В зависимости от действующих механических нагрузок и климатических условий к разрабатываемым изделиям стандартом предусмотрены требования по степени жесткости (от I до IX?) [27].

Самолетное электрооборудование должно надежно работать при относительной влажности 95-98%, замеренной при температуре +40 С, а для тропических условий работы – до 100% [5].

Изоляция должна быть механически прочной при низких температурах и иметь необходимый срок службы при высоких температурах. Критерием электрической прочности изоляции проводов является обеспечение напряжений 300 В, для электродвигателей – 500 В. Должно обеспечиваться сопротивление изоляции не менее 1Мом [20].

Смазка не должна быть слишком жидкой при высоких температурах, чтобы не терять своих смазочных свойств, не должна разлагаться и коксоваться. При низких температурах смазка не должна быть слишком вязкой, чтобы не увеличивать потерь, например, на трение в подшипниках.

Серийный авиационный электропривод должен иметь не менее 50...100 тысяч часов наработки на отказ [10].

2. Минимальная масса и габариты.

Экономия в массе оборудования позволяет уменьшить расход горючего, т.е. увеличить длительность полета, максимальную высоту и скорость набора высоты, полезную нагрузку, броню самолета или боекомплект, а также уменьшить посадочную скорость и разбег при взлете [20].

Требование по минимизации габаритов обусловлено ограничением места на самолете для размещения тех или иных устройств.

Показателями электропривода, характеризующими его массу, является удельная мощность – отношение мощности на валу к массе электропривода и удельный момент – отношение развиваемого длительно момента к массе двигателя. Для лучших бортовых электроприводов удельная мощность достигает 0,5...1,0 кВт/кг [10].

3. Энергетическая эффективность. Это требование задается минимальным допустимым КПД электропривода.

Экономия в расходе электроэнергии позволяет уменьшить массу генераторов или других источников электроэнергии [20].

4. Удобство в обращении, минимальные затраты на обслуживание в течение всего периода эксплуатации, безопасность в отношении пожара и взрыва.

5. Агрегаты электрооборудования должны надежно работать независимо от положения в пространстве, скорости полета, ускорений, наличия силы тяжести, от присутствия паров топлива, масла и прочих примесей.

6. Совместимость работы электропривода с работой системы электроснабжения и другими устройствами, находящимися на борту ЛА. Электропривод не должен снижать качество электрической энергии в бортовой сети и не вызывать помех в работе радиоустановок, магнитных компасов, контрольно-измерительных приборов и другой бортовой электронной аппаратуры [10].

7. Быстродействие и хорошее качество переходных процессов. Это требование отражает динамические качества электропривода. Требование по быстродействию задается обычно в виде времени регулирования, либо определяется в частотной области шириной полосы пропускания. Качество переходного процесса определяют его вид (апериодический, колебательный), максимальная величина перерегулирования, коэффициент затухания колебаний и т.д. [10].

8. Взаимозаменяемость отдельных устройств.

9. Технологичность.

10. Точность выполнения заданного движения исполнительного механизма. Для количественной оценки этого требования задается максимальное значение ошибки [10].

11. Минимальная стоимость при выполнении всех перечисленных требований.

Наряду с этими основными требованиями, к приводам отдельных исполнительных механизмов предъявляются и более специфические требования.


1.7. Сравнение различных типов приводов


Для привода в движение различных механизмов и устройств на борту ЛА используются силовые приводы трех основных типов: электрический (электропривод), гидравлический (гидропривод) и пневматический (пневмопривод).

Отметим, что в ряде случаев электропривод может являться вспомогательным устройством, например, в системе гидравлического привода для управления клапанами, регулирующими поступление жидкости в систему. В этом случае говорят о электрофицированном гидроприводе и электрофицированном пневмоприводе. В них, кстати, широко используются электромагниты.

Отметим, что на ЛА может быть применен и механический привод (например, насосов) непосредственно от авиадвигателя. Преимуществом механического привода является уменьшение потерь, связанных с преобразованием энергий в ЭП. Недостатки: МП не работает при остановке или малых оборотах авиадвигателя, требует большой длины трубопровода для питания удаленных потребителей [5].


Электропривод.

Достоинства:

1) Удобство в передаче электроэнергии к месту потребления.

Не требует сложной и громоздкой системы трубопроводов, связанной с трудностью их герметизации. При использовании электропривода нет необходимости прокладывать длинные провода большого сечения. Обычно питательные провода для электродвигателей прокладываются от ближайших шин. Для управления электродвигателями с помощью контакторов применяются вспомогательные цепи из тонких проводов.

Прокладка на самолете электрических проводов значительно проще, чем трубопроводов. Необходимо еще учесть, что на современных самолетах остается мало свободного места для размещения вспомогательного оборудования.

2) Простота управления и автоматизации процесса управления.

3) Простота эксплуатации.

В электросистемах по сравнению с другими системами значительно упрощаются монтажно-ремонтные работы.

4) Высокая надежность (проще резервируется [20]).

ЭП менее подвержен влияниям температуры и давления окружающей среды; обладает меньшей уязвимостью [5].

5) Использует один вид энергии (электрическую) как для силового преобразователя, так и в системах управления [20].

6) Для работы ЭП не требуется специальный источник энергии. Следует лишь увеличить мощность генераторов, имеющихся на каждом самолете и необходимых для питания других потребителей [5].


Недостаток:

1) Более низкие по сравнению с гидроприводом и пневмоприводом массо-энергетические показатели (удельная мощность) [10].

2) Более низкое быстродействие по сравнению с гидроприводом [20].


Пневматический привод

Пневмосистема на МиГ-25 состоит из тpех подсистем: основной, аваpийной, системы охлаждения электpообоpyдования, топлива и блоков РЛС или спецобоpyдования. Основная система пневмопривода использyется для yпpавления тоpможением колес шасси, включения системы пpотивообледенения фонаpя кабины пилота, геpметизации кабины пилота, yпpавления каналами аваpийного сбpоса топлива, yпpавления заслонками охлаждения генеpатоpов, пpивода выпyска тоpмозного паpашюта, откpытия ствоpок тypбостаpтеpа, опyскания и поднятия платфоpмы со спецобоpyдованием. Аваpийная система обеспечивает автоматический выпyск шасси и yстановкy нижних щитков воздyхозабоpников на взлете и посадке [16].

Источником энеpгии для пневмосистемы являются баллоны со сжатым воздyхом: на Миг-25 - главный емкостью 13 л, аваpийный емкостью 10 л. и в системе охлаждения емкостью 2 л [16].


Достоинства:

1) Проще и легче других типов, в частности гидравлического, так как не требует запаса жидкости и обратного трубопровода. Однако, для создания больших усилий требуются компрессоры больших размеров, что снижает КПД установки и увеличивает ее относительную массу [5].

2) Малая зависимость вязкости воздуха от температуры [29] (у гидросистем влияние низких температур на работу существенно [3]).

3) Пожарная безопасность [29].

Недостаток:

1) Инерционность ПП – запаздывание отработки поступившей команды, связанное со сжимаемостью газов [3].

2) Отличаются ударным характером воздействия, малой эксплуатационной надежностью [29].

Находят в авиации более ограниченное применение, чем гидросистемы [29].


Гидравлический привод

Состав

Простейшая система гидропривода прямолинейного движения включает в себя следующие элементы [29]:

1) резервуар (бак) с жидкостью;

2) насос (источник давления), например, плунжерный, расположенный на авиадвигателе (по два на каждый – в МиГ-25) [16];

3) распределительное устройство (гидрокран), меняющее направление потока жидкости;

4) силовой цилиндр с поршнем;

5) трубопровод, соединяющий бак, насос и силовой цилиндр.

Принцип действия:

Жидкость из бака забирается насосом и через распределительное устройство подается в ту или иную полость силового цилиндра, сообщая движение поршню. Жидкость из противоположной полости цилиндра через распределитель удаляется в резервуар [29].

Рабочая жидкость

Рабочей жидкостью гидpосистемы на МиГ-25 является смесь 7-50с-3 на кpемний-оpганической основе.

Область применения:

Гидравлическая энергия широко используется для привода высокодинамичных [20] исполнительных механизмов, развивающих большой момент сопротивления: для выпуска и уборки шасси (Ту-134А, Ту-154Б, Як-40, Ил-86 [20]), рулей, тормозов, щитков, крыльев изменяемой геометрии [5].

На МиГ-25, гидpосистема состоит из двyх автономных систем: общей и вспомогательной. Вспомогательная система обеспечивает pаботy pyлевых пpиводов: стабилизатоpа, элеpонов, pyлей напpавления, а также аваpийное тоpможение колес основных стоек шасси [16].

Общая гидpосистема обеспечивает выпyск и yбоpкy шасси, закpылков, тоpмозных щитков, тоpможение колес шасси, yпpавление клинами и нижними ствоpками воздyхозабоpников, yпpавление pазвоpотом колес пеpедней стойки шасси, yпpавление ствоpками тypбостаpтеpов пpи запyске двигателей, а также дyблиpование pаботы pyлевых пpиводов [16].

На Ил-86, Ил-96 гидропривод приводит в движение рули высоты, направления, крена, различные стабилизаторы [20].

Бустер (от англ. "повышать давление, напряжение") - вспомогательное устройство для увеличения силы и скорости действия основного механизма (агрегата). В авиации — как правило гидравлическое вспомогательное устройство в цепи управления рулями скоростных самолётов [БСЭ].

Масса

Масса гидравлического оборудования (ГО) составляет 1—1,5% взлётной массы для тяжёлых, 2—3% для лёгких манёвренных самолётов и 1—2% для вертолётов [30].

Мощность:

Установочная мощность ГО различных летательных аппаратов составляет от 0,75 кВт до 2 МВт [30].

Мощности силовых гидроприводов управления рулями, элевонами достигают 30 кВт и более, пусковые усилия до 7000...25000 Н при полосе пропускания 3...6 Гц. У быстродействующих следящих гидроприводов мощностью до 2 кВт полоса пропускания составляет 70 Гц [20].

Давление:

Давление от 7 до 28 МПа [30].

Рабочее давление в системах на МиГ-25 - 180-210 кг/кв.см. Оно создается плyнжеpными насосами, pасположенными на авиадвигателях (по два насоса на каждый) [16].

Объём рабочей жидкости:

От 6 до 850 л [30].

Общее количество гидpосмеси в системе на МиГ-25 составляет 83 л, из них 30 л находится во вспомогательной ГС [16].

Длина трубопроводов:

От 40 до 5000 м [30].

Достоинства:

1) Хорошо воспринимает перегрузки [5].

2) Требует относительно малую мощность энергии при большом создаваемом моменте [5]. Коэффициент усиления гидравлических устройств (бустеров) может достигать нескольких тысяч [29].

3) Высокие значения удельных сил и мощностей [30], агрегаты гидропривода легче и меньше по габаритам, чем электрические [5]..

4) Широкие пределы плавного изменения скоростей перемещения механизмов [30].

5) Гидропривод имеет малую инерционность (высокое быстродействие) [5,20], благодаря малой массе и малым габаритным размерам [29]. Кроме того, машины (механизмы) с поступательным движением имеют меньшую постоянную времени Тм, чем машины с вращательным движением. Так, для традиционных электродвигателей (КДПТ, АД) Тм=0,1-0,2 с, для новых вентильных двигателей - менее 0,05 с, для гидропоршней – 0,01-0,03с [20].

Недостатки:

1) Возможны затруднения в работе при низких температурах (замерзание жидкости в гидросистеме, значительное увеличение вязкости). ??? Рабочий диапазон температур от - 60 до 180 [30].

2) Необходимость специальных источников энергии (гидравлической) [5].

3) Относительно малая скорость передачи энергии [5].


Общие недостатки ПП и ГП:

1) Для получения энергии при гидро- и пневмоприводах необходимо на авиационном двигателе устанавливать насосы, а на самолете специальные бачки с гидросмесью или баллоны для воздуха. Это приводит к увеличению веса вспомогательных установок на самолетах.

2) Трубопроводы гидро- и пневмосистем необходимо прокладывать на большие расстояния, так как необходимо соединить в одну систему насос, бачок и цилиндр привода.

3) Требуют хорошей герметизации трубопроводов и всей системы.

4) Большая уязвимость трубопроводов (меньшая надежность).

Для повышения надежности гидроприводов используют многоканальное разнородное резервирование, встроенные системы контроля. Однако при этом многоканальность приводит к существенному усложнению системы и, как следствие, к снижению эксплуатационной надежности [20].

Расширение задач регулирования приводит к увеличению суммарной потребляемой мощности, которая уже достигла 1 МВт. В гидроприводах применяют дроссельное и объемное регулирование давления. При этом в гидроприводах с дроссельным регулированием, предусматривающим изменение давления на поршень, резко возрастают потери мощности. При объемном регулировании давления требуется установка регулируемых гидронасосов на каждый гидропривод. Задача решается за счет повышения точности изготовления деталей и использованием «прямого управления» золотником выходного каскада с помощью мощных электромеханических преобразователей [20].

В настоящее время практически все гидроприводы и пневмоприводы являются электрофицированными приводами, так как управление гидроприводом и пневмоприводом осуществляется с помощью электрических или электронных систем автоматического или автоматизированного управления [10].


Для повышения помехоустойчивости электрогидравлическим приводом используют оптоволоконные линии связи в системах управления [20].

Примеры электрогидроприводов (данные ОАО Павловский машиностроительный завод «Восход» [20]:

- электрогидравлический рулевой привод РПБ-1Б для управления рулевыми поверхностями маневренного самолета Су-27; рабочий ход штока 225 мм, максимальное усилие 21760 кгс;

- блок гидравлических приводов РС-7 для управления по каналам курса и крена маневренного самолета МиГ-35; двукратное резервирование; рабочий ход штока 60 мм, максимальное усилие 700 кгс в каждом канале;

- электрогидравлическая рулевая машина РМ-220М для электродистанционной системы управления интерцепторами Ан-72; рабочий ход штока 60 мм, максимальное усилие 2250 кгс;

- привод многоканальный ПМ-15БА для электродистанционной системы управления рулевыми поверхностями Су-27; рабочий ход штока 340 мм, максимальное усилие 340 кгс;


В настоящее время гидропривод сохраняет свои позиции в дальнемагистральных самолетах (типа Ил-96 и др.), где он используется для управления аэродинамическими рулевыми поверхностями, воздушными тормозами и т.д [20].

Пневмоприводы нашли применение на сверхзвуковых (М>1) и гиперзвуковых (М>5-6) летательных аппаратах. У самолета при скорости полета, соответствующей М=3, температура гидросмеси может достигать 300ºС. Для работы при таких температурах непригодна ни одна из применяемых в гидросистемах жидкостей минерального происхождения [29].

В высокоманевренных боевых самолетах электропривод начинает создавать серьезную конкуренцию гидроприводу, а также в системе «вторичного управления полетом» (закрылки, аппараты триммирования и т.д.), где уровень моментов относительно невысок [20].

Создание новых компактных и легких электрических приводов позволит расширить область их применения.

В конце 80-х годов ХХ века была сформулирована концепция «полностью электрофицированного самолета», основными положениями которой были замена гидравлических приводов электроприводами, отказ от централизованных гидро- и пневмосистем, осуществление отбора мощности от авиадвигателя только для работы системы электроснабжения, которая обеспечивает все энергетические потребности самолета [20].


1.8. Пути выполнения требований, предъявляемых к электроприводу


1.8.1. Надежность

Надежность электропривода ЛА должна существенно превышать надежность наземных электроприводов.