Разработка технических решений для сокращения энергетических затрат и повышения эффективности работы силового тракта газогидравлического привода органов управления летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, кандидат наук Евстратов, Дмитрий Игоревич

• Евстратов, Дмитрий Игоревич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Евстратов, Дмитрий Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР - ПЕРВИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ГАЗОВОЙ ЭНЕРГИИ ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ ОРГАНОВ УПРАВЛЕНИЯ ЛА

1.1 Схемы и основные параметры газогидравлических приводов, в которых используется ТГ

1.2 Порядок разработки привода

1.3 Анализ схемно-конструктивного исполнения элементов ГТРП

и расчёт основных характеристик

1.3.1. Твердотопливный газогенератор

1.3.2. Статические характеристики ТГ

1.3.3. Динамические режимы работы ТГ

1.3.4 Газогидравлические преобразователи энергии.

Совместная работа ТГ с ГГПЭ

Выводы к главе 1

2. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ОБЪЁМА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ В ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКОМ ИСТОЧНИКЕ ПИТАНИЯ ВЫТЕСНИТЕЛЬНОГО ТИПА

2.1 Традиционно принятый метод расчета объёма вытеснителя ПАД

2.2 Расчет объёма вытеснителя ПАД с учетом изменения вязкости рабочей жидкости

2.3 Расчет объёма вытеснителя ПАД с учетом изменения температуры рабочей жидкости

2.4 Расчет объёма вытеснителя ПАД с учетом изменения максимального давления в камере сгорания ТГ

2.5 Сравнение традиционной и уточненной методик расчета

объёма вытеснителя ПАД

Выводы к главе 2

3. СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА УПРАВЛЕНИЯ ГГРП И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

3.1. Преимущества и недостатки ТГ как первичного источника газовой энергии

3.2. Способ стабилизации давления газа в камере ТГ и устройство для его реализации

3.3. Построение математической модели газогидравлического источника питания вытеснительного типа

3.3.1. Математическая модель газогидравлического источника питания

3.3.2. Математическая модель рулевой машины

3.3.3. Математическая модель нагрузки

3.4. Исследование характеристик варианта ГТРП со звеном коррекции

Выводы к главе 3

4. ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫХОДА НА РЕЖИМ ВЫТЕСНИТЕЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ, ОСОБЕННОСТИ ЗАПУСКА, АНОМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ

4.1. Математическая модель участка выхода на режим ГГП

4.2. Результаты моделирования

4.3. Исследование аномальных режимов работы привода

Выводы к главе 4

5. АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТРАКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОЦЕНКИ ЕГО ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ГГРП

5.1. Описание работы газогидравлического привода с АПМНА общей системой дифференциальных уравнений с учётом источника энергии

5.1.1. Дифференциальные уравнения, описывающие работу ТГ-АПМНА

5.1.2. Уравнения, описывающие работу РМ

5.1.3. Уравнение баланса сил

5.1.4 Уравнение расхода жидкости в РМ

5.2. Построение математической модели газогидравлического вытеснительного источника питания

5.3. Сравнительная оценка энергомассового показателя исследуемых приводов

Выводы к главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технических решений для сокращения энергетических затрат и повышения эффективности работы силового тракта газогидравлического привода органов управления летательных аппаратов»

ВВЕДЕНИЕ

Привод летательного аппарата (ЛА) является элементом, в котором маломощный электрический сигнал системы управления (СУ) преобразуется в пропорциональное, с усилением мощности, механическое воздействие на орган управления ЛА. Усиление мощности обеспечивается в энергетическом тракте привода входящим в его состав бортовым источником питания, массовые показатели которого по данным работы [1] для газогидравлических приводов составляют ~ 50% от общей массы привода.

Требования к высокой плотности компоновки элементов автоматики внутри отсеков ЛА определяют необходимость минимизации массогабаритных характеристик привода, в том числе, источника питания энергетического тракта.

Так как для ЛА масса привода является пассивной массой, которая, в совокупности с другими элементами, определяет массу полезной нагрузки, то снижение массы источника питания за счёт снижения энергозатрат на управление обеспечит повышение эффективности ЛА.

В связи с необходимостью повышения эффективности ЛА (увеличения дальности, полезной нагрузки, повышения боеготовности) актуальна задача снижения массы, габаритов, времени готовности к эксплуатации входящих в его состав элементов, в том числе и приводов органов управления.

Особенно велика «цена» массы привода на последних ступенях ракеты[2].

Численное значение приобретённой дальности при снижении на 1 кг пассивной массы по ступеням для одного из образца 4-х ступенчатой баллистической ракеты по данным работы [2] представлено в таблице 1.

Таблица 1

№ ступени ракеты 1 2 3 4

Приобретённая дальность, км. 0,8 2 5 10

Как следует из таблицы 1, снижение пассивной массы на 1 кг для четвёртой ступени обеспечивает приобретение дальности в 10 км.

Следует отметить, что с массогабаритными характеристиками элементов ЛА хорошо коррелируются такие важные показатели, как компонуемость и стоимость разработки.

Так, габаритные размеры, которыми определяется плотность компоновки элементов в ограниченных объёмах ЛА, связаны с массой в первом приближении прямой зависимостью. Однако аналитическое выражение такой зависимостью не однозначно и помимо многочисленных, не поддающихся учёту факторов (например, требования к унификации элементной базы, несовершенство методов проектирования и т. д.), зачастую зависит от субъективных качеств конструктора, выполняющего разработку.

В тоже время, стоимость элементов в какой-то мере может быть оценена по массовому показателю с учётом стоимости базовой конструкции аналога.

Важнейшим показателем привода, характеризующим массовое совершенство элементов ЛА, является Э - отношение произведения мощности N на время работы I к массе конструкции т. Этот показатель выражает собой работу А произведённую единицей массы конструкции:

т т

Помимо массовых показателей существенную роль в оценке эффективности ЛА играет боеготовность, т. е. время готовности элемента к началу эксплуатации. Боеготовность ЛА характеризуется временем достижения заданных энергетических показателей, в том числе и привода, к

моменту начала его эксплуатации - реализации приводом командного сигнала СУ. Для привода этот показатель означает время достижения заданной выходной мощности после запуска источника энергии.

Минимизация боеготовности связана со знанием сложных нестационарных физических процессов, протекающих в источниках энергии (аккумуляторах, твердотопливных газогенераторах, энергоблоках, составленных из источника и преобразователя энергии) и решением динамической задачи выхода на режим заданной мощности до момента начала эксплуатации.

В работе [3] для определённого класса ЛА обосновано при решении задач управления применение газогидравлических приводов с использованием в энергетическом тракте твёрдотопливного газогенератора (ТГ) с преобразователем вытеснительного типа - источника энергии привода, имеющего наилучшие энергомассовые показатели в сравнении с другими типами и видами приводов. Представлены проектные методики, позволяющие осуществить на этапе создания приводов перспективных ЛА сокращение энергетических затрат в источнике питания и, как следствие, улучшить их энергомассовые характеристики.

Данная работа является продолжением поиска и реализации новых путей совершенствования процесса проектирования газогидравлического рулевого привода (ГТРП) в плане улучшения его энергомассовых показателей, надёжности управления, боеготовности — повышения эффективности ЛА.

В дальнейшем развитии существующих проектных методик, обеспечивающих создание ГГРП, обладающего минимальными энергетическими потерями в силовом тракте привода, повышенной боеготовностью и надёжностью, состоит цель настоящей работы.

Решению задач, связанных с вопросами энергомассового совершенствования ГТРП, посвящено ряд публикаций, представленных в

монографиях, журналах и материалах конференций [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7] авторов Боровского Э.В., Гладкова И.М., Лалабекова В.И., Мухамедова B.C., Шмачкова Е.А., Полковникова В.А., Прилипова A.B., Неймана В.Г.

Так работа [1] посвящена определению массы комплекта привода для баллистических ракет с ракетными двигателями на твёрдом топливе в зависимости от мощности и работы. В ней, для проведения проектных работ на ранних этапах разработки получены с использованием статистического материала аналитические зависимости для определения массы составных частей привода: бортовых источников энергии, устройств, преобразующих энергию, рулевых машин - исполнительных механизмов команд системы управления. Предложена по заданным значениям выходной мощности и времени работы для альтернативного выбора типа привода методика построения областей применимости того или иного привода, позволяющая по заданным значениям мощности и времени работы осуществить выбор привода, располагающего минимальной массой. Следует отметить, что границы, образующие области применения, требуют постоянной корректировки в связи необходимостью уточнения значений коэффициентов, входящих в зависимости масс приводов от мощности и времени работы, в результате появления более совершенных методов проектирования элементов приводов и материальной базы.

В работе [2] рассмотрены приводы органов управления, включая бортовые источники энергии, преобразователи энергии, рулевые машины. Проведён анализ разработанных конструкций в процессе их развития и совершенствования. Предложена методика определения массовых характеристик таких устройств на различных этапах проектирования. Дана уточнённая методика определения массы исполнительных устройств с учётом основных проектных параметров и предварительных конструктивных решений. Приведён анализ путей энергомассового совершенствования приводов ОУ с использованием параметрической оптимизации. Показано,

что выбор оптимальных значений рабочих параметров позволяет сократить потери в энергетическом канале, обеспечив при этом улучшение энергомассового показателя привода.

Разработке методики расчёта газогидравлического источника питания рулевого привода управления перспективным органом ЛА - поворотным соплом путём построения эпюры сопряжения располагаемой и потребной мощностей посвящена работа [3]. В ней автор, уточняя ранее разработанные методы проектирования за счёт более полного использования факторов эксплуатации, влияющих на энергомассовые характеристики приводов, решает задачу сокращения энергетических потерь в силовом тракте привода, обеспечивая приводу энергомассовое совершенствование.

В работе [4] обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований и проведён анализ совместной работы системы твердотопливный газогенератор (ТГ) — аксиально-поршневой мотор-насосный агрегат (АПМНА). Авторами предлагается методика проектирования и экспериментальной отработки указанного бортового источника питания. Выбрана и обоснована схема источника питания, даны особенности его работы в составе привода совместно с органом управления, показаны основные преимущества и недостатки в сравнении с другими типами источников питания. Показано, что при работе в составе привода ТГ и АПМНА представляют собой энергоблок постоянного давления с минимальным разбросом внутрибаллистических характеристик ТГ.

Изложению вопросов проектирования автономных силовых систем управления мобильными объектами, обладающих высокой энергетической эффективностью, посвящена работа [5]. Дано определение энергетической эффективности автономных приводных систем управления и её критериальная оценка. В работе представлен комплексный подход к решению проблемы повышения энергетической эффективности автономных приводных систем управления на основе исследования процессов

с < \

преобразования энергии, разработки методов и средств, направленных на снижение энергозатрат за счёт формирования структур, схем и конструктивных решений исполнительных механизмов, источников питания, а также применения энергосберегающих алгоритмов управления. Дан анализ путей энергомассового совершенствования приводов органов управления с использованием методов параметрической оптимизации.

В работе [6] изложена теория, методы расчёта и выбор рациональных конструктивных и энергетических параметров газо-гидравлических приводов с применением в их составе источника газовой энергии - твёрдотопливного газогенератора. Дан анализ характеристик приводов с учётом динамики источников энергии. Приведены примеры расчёта основных характеристик.

В работе [7] изложены основы теории предельных возможностей следящих приводов, которая позволяет анализировать движение объектов управления с учётом характеристик энергетического канала сервоприводов и производить синтез их исполнительных механизмов, гарантирующий выполнение приводом требуемого закона движения. При этом предполагается инвариантность входных параметров, формируемых в энергетическом канале, от работы исполнительного механизма.

Однако вопросам взаимозависимости параметров энергетического тракта от работы исполнительного механизма и влияния их изменения на выполнение задач управления и энергомассовые показатели приводов в технической литературе представлено не достаточно.

Исключение представляет работа [8], в которой показано, что система гидропитания может оказывать существенное влияние на характеристики гидроприводов. На примере электрогидравлического привода с насосом переменной производительности исследованы при взаимодействии энергетического тракта и канала управления незатухающие колебания давления, ухудшающие качество гидропривода и его надёжность. Автором предложены рекомендации по обеспечению устойчивой работы системы

гидропитания и её минимального влияния на динамические характеристики. Тем не менее, вопросы, связанные с энергомассовыми показателями энергетического тракта в аспекте их взаимосвязи с динамическими возможностями привода, в этой работе не рассмотрены.

В приведённых работах, предлагаемые методики построения областей применения для различных типов приводов и источников питания не учитывают того факта, что энергетические показатели источников питания в период движения рулевых машин (РМ) снижаются по своим значениям, ухудшая динамику приводов. Этот важный момент требует детального исследования вопроса, связанного с возможностью коррекции энергетических показателей источников питания и областей их применения при безусловном совпадении переходных процессов в энергосистеме сравниваемых приводов. Создание уточнённой методики, позволяющей с большей достоверностью выбрать источник питания ГТРП минимальной массы, позволит на этапе проектирования более точно определиться с составом привода.

Кроме того, в рассмотренных работах не исследованы вопросы для газогидравлических приводов с ТГ, связанные с мерами стабилизации параметров без применения механических регуляторов только средствами системы управления, эффективным средством улучшения энергомассового показателя и надёжности работы в составе ЛА.

Следует также отметить, что ряд, принятых в практике методик расчётов, параметров требует уточнения, в плане более полного учёта условий эксплуатации в составе ЛА и, в частности, при расчёте запасов рабочей жидкости для газогидравлического привода, использующего в составе источник энергии вытеснительного типа, учёте изменения её свойств при эксплуатации в ограниченном температурном диапазоне в составе ЛА, формируемом системой терморегулирования.

Практически в публикациях отсутствуют работы, связанные с

повышением боеготовности приводов ЛА, являющейся важнейшим параметром, характеризующим быстродействие в процессе готовности привода к началу эксплуатации.

Постановка задачи - в связи с необходимостью повышения эффективности ЛА (увеличения дальности, полезной нагрузки, повышения боеготовности) актуальна задача снижения массы, габаритов, времени готовности к началу эксплуатации входящих в его состав элементов, в том числе и приводов органов управления.

Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие существующих проектных методов, обеспечивающих создание газогидравлического привода, обладающего минимальными энергетическими потерями в силовом тракте привода, повышенной боеготовностью и надёжностью для повышения эффективности ЛА.

Для достижения поставленной цели в работе были впервые поставлены и решены следующие задачи:

1. В сравнении с традиционно принятой методикой расчёта объёма жидкости уточнён необходимый запас рабочей жидкости в баке вытеснителя при учёте эксплуатационных факторов, данных математического моделирования динамики движения изделия, состояния рабочей жидкости, особенностей работы рулевых машин в условиях действия реальных возмущений при использовании источника энергии (ИЭ) в составе ГТРП.

2. С целью сокращения разброса внутрибаллистических характеристик ТГ путём стабилизации давления в энергетическом тракте для обеспечения устойчивости привода разработан способ коррекции параметров энергетического тракта ГГРП средствами системы управления и работой рулевых машин.

3. Разработана математическая модель участка работы источника

энергии ГТРП от момента запуска до достижения режима заданной

* *

мощности, обеспечивающая возможность синтеза параметров, реализующих минимизацию времени готовности привода к моменту начала эксплуатации.

4. Предложена методическая процедура альтернативного выбора параметров ТГ для газогидравлических преобразователей энергии в части уточнения границ, разделяющих плоскость параметров «мощность — время» на области существования приводов минимальной массы с учётом выполнения требований к динамике работы энергетического тракта на участке движения рулевых машин в переходных режимах при максимально действующих возмущениях на ЛА.

Методы исследования. Поставленные в данной работе задачи решались с использованием метода анализа и синтеза энергомассовых показателей, методов теории линейных и нелинейных систем, газо- и гидромеханики, а также методов современной теории автоматического управления, математического и натурного моделирования динамических систем с применением современных средств компьютерной техники. Научная новизна работы состоит в следующих результатах: - разработана усовершенствованная методика расчёта необходимого запаса рабочей жидкости в вытеснительном источнике питания, учитывающая граничные условия эксплуатации, динамические режимы работы привода, гидромеханические свойства рабочей жидкости, позволяющая получить достоверные данные по объёму жидкости, её достаточности в обеспечение заданного времени работы,

за счёт введения звена коррекции в закон управления исполнительным механизмом предложен, параметрически связывающий энергетический канал, сигнал управления и рулевую машину, алгоритм, обеспечивающий стабилизацию давления в камере ТГ на минимально допустимом уровне, существенно снижающий разброс внутрибаллистических характеристик ТГ, минимизируя энергозатраты в

силовом тракте привода при сохранении расчётных запасов устойчивости в работе привода,

- на основе нелинейных дифференциальных уравнений разработана математическая модель работы вытеснительного источника питания на участке времени от момента запуска до достижения требуемой мощности, с помощью которой объясняется механизм переходного процесса, полученного в экспериментах, решается задача синтеза параметров по сокращению времени выхода на режим,

- при решении задачи альтернативного выбора источника питания ГГРП помимо энергетического показателя предложено использовать факт соответствия рассматриваемых вариантов по динамическому показателю — реакции давления в энергетическом тракте на движение рулевых машин с максимальной скоростью в течение времени, соответствующего интегральному пути следования.

Практическая значимость, полученных автором диссертации, результатов для теории и практики определяется следующим:

- повышением эффективности и достоверности инженерных расчетов за счет использования разработанной методики и выявленных закономерностей влияния вязкости жидкости, температурного диапазона эксплуатации и работы газового регулятора давления на запас рабочей жидкости в баке вытеснительного источником питания;

- повышением качества переходных процессов, надёжности работы привода, за счёт корректирующего механизма по стабилизации параметров энергетического тракта ГТРП средствами системы управления;

- увеличением эффективности инженерных расчетов за счет разработанной математической модели участка выхода на заданный режим мощности ГТРП, описывающей с достаточной для инженерных расчётов точностью механизм процесса запуска, протекающего в ГТРП;

-получением уточнённых данных по энергомассовым показателям

приводов с учётом снижения энергетических ресурсов источников питания при их работе в переходных режимах.

Достоверность научных положений и выводов

Достоверность и обоснованность полученных научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена использованием апробированных современных методов расчёта, компьютерного моделирования и подтверждена экспериментальными исследованиями.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- XX, XXI, XXII научно-технических семинарах «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации. Алушта, сентябрь 2011, 2012, 2013 гг.;

- XVII международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред им. А.Г. Горшкова», Ярополец, февраль 2011 г;

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в двух патентах Российской Федерации: на изобретение и полезную модель и опубликованы в 12 работах, три из которых — в изданиях, рецензируемых Высшей аттестационной комиссией.

Реализация работы.

Материалы диссертационной работы были использованы в учебных и научно-исследовательских работах, проводимых «Московским авиационным институтом (национальным исследовательским университетом)», при создании курса лекций по теме: «Пневмоавтоматика и пневмопривод ЛА», «Исполнительное устройство САУ ЛА» и учебного пособия: «Газогидравлические приводы органов управления летательных аппаратов. Основы разработки» издательство ФГУП «НТЦ «Информтехника», 2012г.,

главы 4, 7, 8, при выполнении в 2013г. совместно с ОАО «Центральным научно-исследовательским институтом автоматики и гидравлики» работы по теме «Разработка рулевого привода для ДУ III ступени модернизированного изделия. Проведение математического моделирования» разделы 4, 7.

Структура и объём работы.

Диссертация выполнена в объёме 136 страниц основного текста, в том числе 57 рисунков, 1 таблицы, списка используемых источников, насчитывающего 24 наименования.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформированы цели и задачи диссертационной работы, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Приведены сведения об апробации и публикациях, представлена структура диссертации. Сделан обзор публикаций, близких по тематике авторов Боровского Э.В., Гладкова И.М., Лалабекова В.И., Мухамедова B.C., Шмачкова Е.А., Труханова Г.А., Полковникова В.А., Прилипова A.B., Нейман В.Г. с оценкой преимуществ и недостатков.

В первой главе проведен сопоставительный анализ приводов для решения задач управления ЛА. Рассмотрены три схемы газогидравлического рулевого привода с применением в качестве первичного источника газовой энергии — твердотопливного газогенератора с газогидравлическими преобразователями вытеснительного, аксиально-поршневого и турбонасосного агрегатов. Определены основные преимущества и недостатки в применении твердотопливного газогенератора.

В результате анализа внутрибаллистических характеристик совместной работающих твердотопливного газогенератора с газогидравлическим преобразователем энергии показано, что использование твердотопливного газогенератора с аксиально-поршневым мотор-насосным агрегатом

обеспечивает минимальный разброс по расходу при сохранении постоянного давления на выходе. Наихудшие энергомассовые показатели связаны с работой твердотопливного газогенератора в составе турбонасосного агрегата и обусловлены максимальным разбросом внутрибаллистических характеристик твердотопливного газогенератора при эксплуатации его в заданном температурном диапазоне.

Анализ преимуществ и недостатков твердотопливного газогенератора с газогидравлическими преобразователями выявил, что наиболее эффективная процедура в плане совершенствования энергомассовых показателей для изделий рассматриваемого класса связана с источником питания, состоящим из твердотопливного газогенератора и преобразователя энергии вытеснительного типа — наиболее простого в конструктивном исполнении и надёжного в работе энергоблока привода, который и выбран в качестве объекта исследования в данной работе.

Во второй главе представлена методика расчёта запаса рабочей жидкости в вытеснительном источнике питания (ВИЛ), учитывающей многообразие условий эксплуатации, особенности работы (рулевых машин) РМ и ТГв этих условиях, позволяющая обеспечить достижение наилучших энергомассовых показателей.

Применяемая в практике проектирования традиционная методика расчёта запаса рабочей жидкости, основана на использовании паспортных данных для РМ по непроизводительному расходу рабочей жидкости (утечек). Следует отметить, что внесённый в паспортные данные непроизводительный расход получен в заводских испытаниях для температуры жидкости, соответствующей температуре окружающей среды сборочного цеха, которая по нормативной документации составляет ~ 20°С.

Максимальная температура, установленная системой терморегулирования параметров окружающей среды, при эксплуатации

привода в составе ЛА для рассматриваемого класса изделий отличается от номинальной температуры ~ в два раза.

Игнорирование факта учёта уменьшения вязкости рабочей жидкости при эксплуатации привода в условиях действия максимальной температуры в процедуре расчёта запаса рабочей жидкости в баке приводит к заниженному по отношению к требуемому значению объёма, расходуемому в процессе работы привода. Это может привести к нехватке объёма рабочей жидкости для управления нагрузкой в течение заданного времени.

Помимо этого факта учтено взаимодействие давления газа, устанавливаемого регулятором давления ТГ, и температурного состояния жидкости в источнике питания, оказывающих влияние на непроизводительный расход жидкости в золотниках РМ.

В третьей главе разработан способ и устройство для его реализации, обеспечивающие стабилизацию давления газа в камере ТГ за счёт формирования в сигнале управления рулевыми машинами сигнала коррекции. Располагая информационным сигналом о давлении в ТГ, после его сравнения с уставкой давления (стационарным значением давления) формируется суперпозиция сигнала управления и гармонического сигнала коррекции с амплитудой пропорциональной разности давлений. В результате действия модулированного сигналом коррекции сигнала управления существенно уменьшается реакция давления в камере сгорания на увеличение газоприхода ТГ за счёт повышения потребления рабочей жидкости исполнительным механизмом. Это приводит соответственно к уменьшению газоприхода от ТГ, а, следовательно, к инвариантности давления в камере сгорания к нерасчётным увеличениям поверхности горения. Тем самым косвенно, с помощью возможностей системы управления и гидросистемы, происходит регулирование давления в камере сгорания ТГ и, как следствие, обеспечивается устойчивость работы привода

при сохранении качества переходных процессов в нём за счёт неизменности величины добротности привода, в которую составной частью входит входное давление в РМ.

Следует также отметить, что за счёт использования устройства коррекции существенно снижается разброс давления в камере сгорания, формируемый температурной зависимостью работы топлива и настройкой газового регулятора давления, и поддерживается неизменным на минимально допустимом уровне давления в течение всего времени работы ТГ. В результате возникает возможность схемной и конструктивной реализации работы ТГ без газового регулятора давления. Построение схемы работы ТГ в отсутствии сброса газа через регулятор давления улучшает энергетический режим работы потребителя, снижает непроизводительный расход рабочей жидкости в РМ и при несущественном увеличении запаса рабочей жидкости в баке вытеснительного источника питания способствует повышению надёжности работы привода в целом.

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Евстратов, Дмитрий Игоревич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанные методы сокращения энергетических затрат и повышения эффективности работы силового тракта газогидравлического привода органов управления летательного аппарата позволяют при их использовании в практике проектирования улучшить энергомассовый показатель и повысить боеготовность вновь разрабатываемых приводов для перспективных изделий.

Проведённые в диссертационной работе исследования дополнили и развили ранее разработанные в этой области методы энергомассового совершенствования характеристик силового тракта следующими теоретическими и практическими результатами:

1. Предложено для расчёта запаса рабочей жидкости в баке вытеснительного источника энергии использовать более полный набор факторов влияния, включающих зависимость свойств рабочей жидкости и заряда ТГ от давления и температуры эксплуатации, взаимодействия параметров газового регулятора давления, внутрибаллистических характеристик заряда с режимами работы рулевых машин.

2. Использование разработанной методики при расчёте объёма рабочей жидкости в сравнении с данными традиционной расчётной методики по базовому образцу вытеснительного источника энергии, позволяет представить на этапе проектирования достоверную величину запаса рабочей жидкости, обеспечивающую заданное время работы при минимальных массовых показателях.

3. Разработана методика парирования возмущений, характерных для работы ТГ, средствами системы управления и рулевой машины привода. Предложенное звено коррекции давления газа в ТГ обеспечивает стабилизацию давления в случаях нерасчётного превышения газоприхода от увеличения поверхности горения заряда, сохраняя при этом заданные

показатели устойчивости и качества работы привода.

4. Использование звена коррекции, стабилизирующего давление, эффективно также для поддержания давления на допустимом минимальном уровне при эксплуатации заряда ТТ в широком температурном диапазоне. Тем самым обеспечиваются минимальные массовые показатели самого заряда и исключается необходимость применения в составе ТГ газового регулятора давления — устройства, требующего на практике длительной автономной отработки и сложной защиты от действия высокотемпературного газа на малоразмерные проходные сечения чувствительного элемента регулятора.

Способ коррекции давления и устройство для его реализации защищены патентами РФ.

5. На основе дифференциальных уравнений, описывающих работу источника энергии при его запуске и на стационарном участке в составе рулевого привода, разработана математическая модель, позволяющая анализировать поведение параметров привода на переходных режимах работы.

В результате решения на модели задачи запуска источника энергии подтверждены, полученные в ходе экспериментальной отработки, процессы, связанные с затухающим колебательным изменением давления нагнетания рабочей жидкости, обусловленным взаимодействием в газогидравлической части элементов и свойств конструкции: массы жидкости в баке, газовой и, растворённой в жидкости, газовой среды, механической жёсткости гибкого диафрагменного узла.

В результате решения на модели задач идентификации нашли подтверждение также экспериментальные режимы, связанные с действиями в приводе аномальных возмущающих факторов: разгерметизации магистрали нагнетания и связанного с разгерметизацией прорыв гибкой диафрагмы после нерасчётного опорожнения от рабочей жидкости бака источника

энергии.

Математическая модель нашла применение в процедуре идентификации источников аномальной работы, встретившихся в ходе отработки приводов, и позволила сократить сроки разработки.

6. Разработана уточнённая методика альтернативного выбора источников энергии газогидравлических приводов, учитывающая реакцию давления на действие ступенчатого потребления рабочей жидкости в РМ при реализации максимальной скорости движения нагруженных органов управления ЛА.

7. Учёт динамической реакции давления на штатное возмущение при рассмотрении альтернативных вариантов позволяет расширить область применения приводов минимальной массы с вытеснительным источником питания, представленную в плоскости параметров «мощность-время работы».

В рассмотренном примере альтернативного выбора источника питания из двух вариантов источников питания, состоящих из ТГ+АПМНА и ТГ+Выт, граница области применения привода с вытеснительным источником переместилась на 10.. 12% в область, занимаемую приводом с АПМНА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Евстратов, Дмитрий Игоревич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гладков И.М., Боровский Э. В. Весовой анализ приводов органов управление баллистических ракет.- Москва, 1972 год.

2. Гладков И.М., Лалабеков В.И., Мухамедов B.C., Шмачков Е.А. Массовые характеристики исполнительных устройств систем управления баллистических твердотопливных ракет и космических летательных аппаратов. -М.: НТЦ «Информтехника», 1997. - 168 с.

3. Прилипов A.B. Разработка методики расчёта газогидравлического источника питания рулевого привода управления поворотным соплом путём построения эпюры сопряжения располагаемой и потребной мощностей: дис. канд. техн. наук: 05.02.02 / Прилипов Александр Валентинович, МАИ, 2010г., - 155 с.

4. Бобко A.M., Боровский Э.В., Данилов Ю.А., Крюков Л.В., Лагутин Б.Н., Лалабеков В.И., Посохин Г.Н., Труханов Г.А., Шмачков Е.А. Основы теории и практика отработки аксиально-поршневых мотор-насосных агрегатов источников питания приводов РДТТ, Москва, НТЦ «Информтехника», 1994 г., 177с.

5. Геращенко А.Н., Толмачев В.И., Лалабеков В.И. Проектирование энергоэффективных систем приводов управления автономными объектами: Учебное пособие. - М.: Изд-во МАИ, 2004. - 272 е.: ил.

6. Лалабеков В.И., Прилипов A.B. Газогидравлический рулевой привод органов управления летательных аппаратов. Основы проектирования, г. Москва, «НТЦ «Информтехника», 2012г.

7. Полковников В.А. Предельные динамические возможности следящих приводов летательных аппаратов, М.: МАИ, 1995г., - 316с.

8. Нейман В.Г. Гидроприводы авиационных систем управления, М.: Машиностроение, 1973г., - 200с.

9. Румянцев Б.В., Шишков A.A. Газогенераторы ракетных систем, Москва, "Машиностроение", 1981 г., - 152с.

10. Соркин P.E. Теория внутрикамерных процессов в ракетных системах на твёрдом топливе. М.: Наука, 1983г., - 288с.

11. Гребёнкин В.И., Лалабеков В.И., Мухамедов B.C., Шмачков Е.А. «Создание приводов органов управления с источниками питания на твёрдом топливе для твёрдотопливных управляемых баллистических ракет» Труды МИТ, Научно-технический сборник, том 8, част 1, М., 2006г, стр. 48...59.

12. Евстратов Д.И., Лалабеков В.И., Методика расчёта объёма рабочей жидкости в пороховом аккумуляторе давления, Сборник докладов IX научно-технической конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов». Москва. МАИ. 25-26 июня 2012 г.

13. Никитин О.Ф. Рабочие жидкости гидроприводов, М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2007г., - 149с.

14. Бобылёв В.М. Ракетный двигатель твёрдого топлива как средство управление движением ракет, М.: Машиностроение, 1992г., - 160с.

15. Лалабеков В.И., Юфин A.C. Идентификация возмущённых режимов работы газогенератора на твёрдом топливе, Научно-технический сборник «Труды МИТ», том 9, часть 1, 2008г.

16. Евстратов Д.И., Лалабеков В.И., Лащёв А .Я. Блок коррекции параметров энергетического тракта газогидравлического рулевого привода, Тезисы докладов XXI научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации, г. Алушта, 2012

17. Евстратов Д.И., Лалабеков В.И., Лащёв А.Я. Твёрдотопливный газогенератор с заданным расположением нулей передаточной функции, Патент на полезную модель № 119811, 2012г.

18. Под редакцией Посохина Г.Н. Дискретное управление электрогидравлическим приводом, М.: Энергия, 1975г.

19. Баженов А.И., Гамынин Н.С., Карев В.И. и др. Проектирование следящих гидравлических приводов летательных аппаратов /под ред. ГамынинаН.С. -М.: Машиностроение, 1981. -312с.

20. Некрасов Б.Б. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах// Изд-во «Машиностроение» - Москва, 1967 г.

21. Шишков A.A., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твёрдого топлива, М.: Машиностроение, 1989г., - 240с.

22. Жураковский Т.Д., Корзан В.Д., Лагутин Б.Н. и др. Вопросы определения энергетических характеристик рулевых приводов твердотопливных двигателей, М.: ЦНИИ информации, 1979г.

23. Евстратов Д.И. «Результаты математического моделирования участка выхода на режим газогидравлического преобразователя энергии рулевого привода», Журнал «Труды МАИ», №54, 2012 г.

24. Евстратов Д.И. и др. «Сравнительная оценка источников питания энергетического тракта газогидравлического привода с использованием динамического критерия», Труды МИТ, том 12, стр. 132...154, 2012г