CC BY
17
УДК 629.7.018.3
Яшин А.Г., Попов А.Н., Лаптев Д.В.
ОАО «Конструкторское бюро промышленной автоматики», Саратов, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ВЕРТОЛЕТА
В результате синтеза конструкции стенда для испытаний несущей системы малого беспилотного вертолета был произведен ряд исследований, подтверждающих полную работоспособность комплекса и возможность имитации различных параметров летательного аппарата. При изучении распределения тепловой энергии, полученной в результате работы двигателя на различных режимах, были измерены рабочие температуры и распределение температурных полей следующих систем: двигатель (головки цилиндров, картер, масляный фильтр), масляная система (маслобак, радиатор), система водяного охлаждения (радиатор, входной и выходной патрубки радиатора), система отвода отработавших газов. Измерения были проведены и записаны при помощи тепловизора в отапливаемом помещении на режимах прогрева, холостого хода, крейсерском и кратковременном максимальном. По полученным данным проведен температурный анализ спроектированной системы. Ключевые слова:
несущая система, стенд, беспилотный вертолет, тепловые поля, двигатель, система охлаждения, масляная система, выхлопная система, режим полета.
Стенд несущей системы (рис.1, а) разработан для наземной отработки системы управления двигателя, системы охлаждения, системы электроснабжения, топливной и масляной систем малого беспилотного вертолета. Выбор эффективного варианта
(рис.1, б) реализации стенда производилось при помощи методов многовекторного и гипервекторного ранжирования [1-5].
а б
Рисунок 1 - Стенд несущей системы малого беспилотного вертолета: а - введенный в эксплуатацию
стенд МБВ; б - трехмерная модель стенда МБВ
При испытаниях стенда несущей системы малого беспилотного вертолета были произведены измерения тепловых полей работающего двигателя и других нагревающихся элементов: системы охлаждения, масляной системы и системы отвода отработавших газов.
Рисунок 3 - Двигатель, режим холостого хода
Рисунок 2 - Двигатель, режим прогрева
Измерение температур поверхностей нагреваемых элементов производилось при помощи тепловизора Fluke TiR32, при температуре помещения +20 °С. Показания снимались на следующих режимах работы двигателя: прогрев (2000-3000 об/мин), холостой ход (3000-4000 об/мин), крейсерский (4000-4500 об/мин) и кратковременный максимальный (соответствует режиму взлета, 5500-5800 об/мин) режимы.
На режимах прогрева и холостого хода наблюдалось равномерное повышение температур поверхностей рабочих элементов стенда, при этом критических значений не возникало. Картина распределения тепловой энергии во время прогрева и холостого хода представлена на рис. 2 и рис. 3, соответственно.
Рисунок 4 - Цилиндр двигат режим
крейсерский
По причине более высоких оборотов вала двигателя логично, что возникновение критических температур следует ожидать на крейсерском и максимальном режимах. Поэтому все последующие измерения велись на этих режимах.
Рисунок 5 - Редуктор двигателя, режим
крейсерский
Двигатель.
В процессе испытаний были измерены температуры рабочих цилиндров (рис. 4), редуктора (рис. 5) и картера двигателя (рис. 6).
Рисунок 6 - Картер двигателя, крейсерский режим
На крейсерском режиме работы цилиндры нагрелись до 87,3 °С (рис. 4), в среднем. Разница температур между головками цилиндров составила 1-4 °С, в то время как максимально допустимая разница 20 °С. При этом, центробежный вентилятор воздушной системы охлаждения, подведенный к дефлектору двигателя, постоянно находился в максимальном режиме работы.
Из рис. 5 и рис. 6 видно, что значения температур редуктора и картера, на том же режиме, составила 82,2 °С и 105 °С, соответственно.
При переходе на кратковременный максимальный режим происходит нагрев поверхностей элементов на 5-10°С, относительно температуры крейсерского режима (рис. 7).
Значения температур всех элементов двигателя на крейсерском и на кратковременном максимальном режимах соответствуют интервалам температур, характерным для нормальной работы двигателя, указанным в руководстве по эксплуатации для двигателей данной модели.
Масляная система стенда МБВ.
При исследовании масляной системы производились измерения температур радиатора, маслобака и фильтра.
Рисунок 8 - Масляный радиатор, крейсерский режим
Температура маслорадиатора на крейсерском режиме составила 96,3 °С (рис. 8), при этом вентиляторы масляной системы находились в выключенном состоянии.
При переходе на кратковременный максимальный - повысилась до 110,7 °С (рис. 9), вентиляторы отключены.
Рисунок 9 - Масляный радиатор, кратковременный максимальный режим
Нагрев масляного фильтра происходил до температуры 10 9,6 °С (рис. 10).
Измерения температуры маслобака показали, что нагрев его поверхности произошел до 69,8 °С рис. 11)
Рисунок 7 - Цилиндр двигателя, кратковременный максимальный режим
Рисунок 10 - Масляный фильтр, кратковременный максимальный режим
Согласно руководству по эксплуатации для двигателей, максимально допустимая температура масла - 130 °С, минимально допустимая - 50 °С, норма - 90-110 °С. В результате, можно сказать, что нагрев элементов масляной системы стенда МБВ соответствует нормальному режиму работы.
Система водяного охлаждения.
Система охлаждения предназначена для поддержания оптимального теплового режима двигателя регулируемым отводом тепла от деталей, которые нагреваются в результате трения или контакта с горячими газами. При недостаточном отводе тепла двигатель перегревается, что приводит к падению мощности и увеличению расхода топлива, кроме того, может возникнуть детонация. При сильном перегреве происходит "горячий" задир и заклинивание поршня. Переохлаждение двигателя приводит к увеличению расхода топлива и значительному снижению ресурса деталей цилиндро-поршневой группы. Сильное переохлаждение может вызвать "холодный" задир поршня и трещины на внутренних стенках рубашки охлаждения.
Перепад температур охлаждающей жидкости на входе и выходе радиатора не должен превышать 6°С. Оптимальный перепад температур - 3...5°С.
Рисунок 11 - Маслобак, кратковременный максимальный режим
Значение температуры патрубка системы охлаждения на входе в радиатор, в крейсерском режиме, составило 57,4 °С (рис. 13), а на выходе - 52 °С (рис. 12). Разница составляет 5,4 °С, это значение входит в диапазон оптимального перепада температур.
Рисунок 12 - Патрубок отвода охлаждающей жидкости от радиатора системы водяного охлаждения, крейсерский режим
Температура, измеренная в горячей области радиатора системы водяного охлаждения на кратковременном максимальном режиме, составила 64,7 °С (рис. 14). А в области охлаждаемой вентилятором - 35 °С (рис. 15).
Согласно руководству по эксплуатации для двигателей данной модели максимально допустимая температура охлаждающей жидкости - 120 °С.
Рисунок 13 - Патрубок подвода охлаждающей жидкости к радиатору системы водяного охлаждения, крейсерский режим
Во всех режимах работы стенда температура охлаждающей жидкости не превышала 70°С, это позволяет сделать вывод о том, что данная конфигурация системы водяного охлаждения обеспечивает нормальный режим работы двигателя.
Рисунок 14 - Радиатор системы водяного охлаждения (горячая область), кратковременный максимальный режим
Рисунок 15 - Радиатор системы водяного охлаждения (область охлаждаемая вентилятором), кратковременный максимальный режим
Система отвода отработавших газов.
Для изолирования высокотемпературных выхлопов двигателя от остальных систем стенда МБВ и предотвращения их перегрева используется система отвода отработавших газов.
Допустимый диапазон температуры выхлопных газов на выходе из цилиндров составляет 800...850 °С, максимальный перепад температур между цилиндрами - 4 5 °С.
Используемый прибор не позволяет мерить такие высокие температуры, т.к. измеряемый диапазон ограничен 170 °С (рис. 16).
Рисунок 16 - Система отвода отработавших газов (выходной патрубок цилиндра), крейсерский режим
Проверка режима функционирования системы отвода отработавших газов оценивается при помощи датчиков температуры выхлопных газов.
Вывод.
В результате исследования температурных характеристик стенда несущей системы малого беспилотного вертолета, на всех режимах его работы, превышения критических значений температур выявлено не было. Все системы работают в оптимальных температурных условиях, что говорит о правильности подбора комплектующих и выбора варианта компоновки стенда.
Стенд позволяет осуществить подбор и проверку комплектующих (радиатора и вентилятора системы водяного охлаждения двигателя, радиатора, количество и тип вентиляторов масляной системы, вентилятора системы воздушного охлаждения и др.) для улучшения массо-габаритных характеристик реального летательного аппарата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Выбор эффективных вариантов средств моделирования элементов бортовых систем управления летательных аппаратов методами гипервекторного ранжирования // Надежность и качество: Труды Международного симпозиума Надежность и качество. Пенза: ПГУ, 2015. 1 т. С. 150-154. Батраева И.А., Попов А.Н., Сафронов В.В., Северов А.А.
2. Генерирование возможных вариантов рулевых приводов для автономных подводных аппаратов / Али-луев С.В., Сафронов В.В., Поршнев В.А., Тетерин Д.П. // Надежность и качество: Труды Международного симпозиума// Под ред. Н.К. Юркова. - Пенз. ГУ, 2014. 2 т.
3. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер с англ. / Под ред. Я.З. Цыпкина / Л. Льюнг. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. 432 с.
4. Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5-ти томах; 2-е издание. Т.2: Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, Н.Д. Егунова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 640 с.
5. Тетерин Д.П. Методы моделирования линейных стационарных элементов систем управления летательных аппаратов / Д.П. Тетерин // Вестник СГТУ. 2009. № 4. Вып. 1. С. 95-100.
УДК 658.58. Куртаев С.Ж.
Военный институт Сил воздушной обороны Республики Казахстан им. Т.Я. Бегельдинова, Актобе, Казахстан
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТКИ СИСТЕМ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Проведен анализ результатов применения бортовых средств контроля и диагностирования для поиска отказов и неисправностей, применяемых на авиационной технике, который выявил ряд факторов снижающих эффективность процесса технической эксплуатации. По результатам выделено, что слабо исследованным или даже нерешенным являются задачи построения моделей учитывающих представление объектов контроля и диагностики в качестве элементов сложной сети в соответствии с их физическими свойствами, назначением и переходными процессами, а также модулей блочного типа, в которых блоки являются конструктивными или функциональными компонентами объекта, что характерно для систем бортового комплекса оборудования ВС. В работе предлагается в качестве модели оценки технического состояния сложных агрегатов и систем БКО ВС использование теории и методы структурного распознавания образов. Для построения математической модели систем ВС введено понятие модуля — непроизводного объекта. При этом множество всех модулей состоят из непересекающихся классов модулей. Определение модуля к тому или иному классу выражается через признаки и связи. Для построения допустимых моделей вводится набор заданных правил и ограничений, определяющие регулярность модели.
Ключевые слова:
Модель, диагностика, автоматические средства контроля, техническое обслуживание, образ.
Процесс технической эксплуатации сопровождается переходом авиационной техники (АТ) в неплановые состояния технического обслуживания и ремонта (ТОиР) вызванные возникновением отказов и неисправностей, на устранение которых требуется значительных времени и трудозатрат, что влечет к вынужденным простоям ЛА. Собственно процесс восстановления работоспособности (исправности) бортового комплекса оборудования (БКО) ЛА содержит ряд типовых этапов, среди которых одним и наиболее продолжительных является этап установления причин отказа и отыскания неисправного элемента. Для современных БКО ЛА этот этап занимает до 60-80% от общего времени восстановления [2,4]. Решение задачи повышения надежности и эффективности использования авиационной техники по прямому назначению путем раннего обнаружения отказов и неисправностей, а также применения упреждающего подхода к ТО связано с внедрением перспективных методов и средств технического диагностирования.
Предметом исследования технической диагностики является методы получения и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений.
Публикуемый опыт применения бортовых и наземных средств контроля в ВВС США свидетельствует о явной тенденции к обеспечению всей эксплуатации оборудования, находящегося на борту ЛА, за счет информации, получаемой с помощью бортовых средств контроля. Основным показателем, характеризующим возможность реализации этой тенденции, является полнота контроля систем бортовыми средствами, которая составляет по литературным данным, 0,9-0,95, при вероятности ложного отказа 1-2 %. При таком уровне характеристик средств эксплуатационного контроля у них не должно было бы возникать проблем с потоками ложного брака. Однако опыт применения стационарных автоматизированных систем контроля (АСК) в ВВС США показывает, что до 50 % забракованных блоков после перепроверки возвращаются в эксплуатацию, что может свидетельствовать о некотором завышении рекламируемых показателей бортовых средств контроля [8]. В качестве примера рассмотрим радар Е-3А, выступающий в качестве основного элемента бортовой радиоэлектронной системы ДРЛО самолета разведчика типа АИАСЗ. По результатам 12 тыс. отказов выявленных с помощью АСК следует, что 85% зафиксированных отказов оказалось ложной тревогой. Так, только 8%, или 1039 случаев могут
