CC BY
85
ISSN 1992-6502 (Print)_
2018. Т. 22, № 4 (82). С. 101-108
Вестник УГАТУ
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 629.7.062
О ВЫБОРЕ МЕХАНИЗМА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ САМОЛЕТОВ
Ф. Р. Исмагилов 1, В. Е. Вавилов 2, И. Ф. Саяхов 3
1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected] ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 30.11.2018
Аннотация. Для большинства объектов управления на самолете традиционно применяются приводы поступательного действия, так как механизмы поступательного действия обеспечивает наиболее рациональное использование свободного пространства. В статье проведен обзор механических передач и рассмотрены конструктивные схемы построения электромеханических приводов поступательного действия для управления аэродинамическими рулями самолета. Также представлена методика и выбрана оптимальная конструкция механизма поступательного действия для привода по схеме электромеханического рулевого привода прямого действия. В результате выбора конструкции установлено, что для электромеханического привода оптимальным является применение шариковинтовой передачи как имеющей малые габариты, высокий КПД, возможность реверса и технологическую освоенность.
Ключевые слова: электромеханический привод; механизм поступательного действия; аэродинамический руль; шарико-винтовая передача; ролико-винтовая передача.
ВВЕДЕНИЕ
На текущем этапе развития авиастроения принята концепция самолета с повышенным уровнем электрификации, предусматривающая использование электрической системы энергоснабжения для приводов, управляющих аэродинамическими рулями.
В авиационном оборудовании гидравлические приводы вытесняются электромеханическими благодаря следующим преимуществам [1]:
• меньшим габаритам и массе (с учетом в гидравлическом приводе баков, насосов и т.д.);
• удобству эксплуатации;
• более легкой стыковке с электрическими системами управления;
• более высокому КПД.
При этом в регулируемом гидроприводе для обеспечения готовности в любой момент воспринять максимальную нагрузку и воспроизвести максимальную скорость насос
регулируемого привода должен постоянно обеспечивать максимальное давление, что ведет к высокому расходу энергии. В отличие от этого электромеханический привод потребляет из сети максимальный ток лишь в период разгона, а при установившемся движении величина потребляемого тока существенно меньше.
Создание электрических двигателей и механических передач, имеющих высокие показатели удельной мощности и момента, а также методик проектирования элементов электромеханических приводов, обеспечивающих размещение исполнительных механизмов в ограниченном объеме, позволит применять электромеханические приводы с для большинства объектов управления, имеющихся на самолетах.
Кинематическая схема привода определяется исходя из характера движения объекта управления, которое привод должен
обеспечить. Для управления аэродинамическими рулями самолета это сложное движение, состоящее из вращательного неполно-поворотного и поступательного движения (закрылки, элероны, элевоны, флапероны, рули высоты и направления, отклоняемые носки крыла, створки шасси и грузоотсеков и т.д.).
С точки зрения крепления к неподвижной части самолета и управляемой поверхности, электромеханический привод с поступательным характером движения выходного звена аналогичен гидравлическому приводу с цилиндром. Выходной шток привода при помощи шарнира крепится к управляемой поверхности, и расстояние между осью шарнира выходного штока и осью вращения аэродинамического руля образует рычаг, преобразующий поступательный ход штока в неполноповоротное движение. В этом случае механизм поступательного движения является наиболее подходящим для объектов, которые сужаются вдоль оси своего вращения, так как в этом случае реализуется наиболее рациональное использование свободного пространства.
На рис. 1 приведена схема соединения привода поступательного действия с нагрузкой, представляющей собой элерон самолета, где 1 - крыло, 2 - элерон, 3 - электромеханический привод, 4 - ось вращения элерона относительно крыла, 5 - ось шарнира, соединяющего шток электромеханического привода с элероном, 6 - ось соединения электромеханического привода к силовому набору крыла, 7 - плечо действия силы, развиваемой приводом, 8 - элемент крыла, обеспечивающий соединение с элероном, ось вращения которого расположена вне объема элерона.
1/
Рис. 1. Кинематическая схема соединения привода к элерону
Силовой канал электромеханического привода поступательного движения включает в себя электрический двигатель, промежуточную передачу вращательного действия, выходную передачу поступательного действия и, если необходимо, набор электромагнитных муфт, отвечающих за механизмы резервирования и удержания объекта управления в крайних и промежуточных положениях.
На кафедре электромеханики Уфимского государственного авиационного университета (УГАТУ) разработан электромеханический привод поступательного действия для управления закрылками регионального пассажирского самолета (рис. 2). В конструкции привода для увеличения удельной мощности и сокращения габаритов создан электрический двигатель с высоким значением частоты вращения (12000-15000 об/мин) и, соответственно, небольшим вращающим моментом, тогда как для управления нагрузкой требуются относительно невысокие частоты вращения и значительные моменты.
Для согласования моментов и скоростей электрического двигателя с нагрузкой используется промежуточная механическая передача. Габариты и масса механической передачи зависят от ее типа, максимального развиваемого крутящего момента и передаточного числа. Промежуточная передача является наиболее проблемным элементом в концепции электромеханического привода, так как при этом повышается масса и габариты привода, снижается надежность и кинематическая точность.
Рис. 2. Электромеханический рулевой привод с промежуточным редуктором
Поэтому целесообразным представляется применение конструкций с соединением электродвигателя и передачи поступательного действия без промежуточного механизма. При этом функции промежуточной
передачи могут выполняться электродвигателем, или передачей поступательного действия, или распределяться между электродвигателем и передачей. При этом достигается уменьшение габаритов электромеханического привода, в частности осевой длины, на 20%, массы - на 30% по сравнению с ре-дукторной схемой.
Особенностями разрабатываемой конструкции (рис. 3) являются: исполнение привода по схеме электромеханического привода прямого действия, при котором вал электродвигателя непосредственно связан с передачей поступательного действия, что существенно упрощает конструкцию привода и значительно снижает приведенный к валу электродвигателя момент инерции, что в совокупности с применением высокомомент-ного низкооборотного электродвигателя обеспечивает повышение качества управления при малых сигналах рассогласования и при реверсировании движения штока привода.
Рис. 3. Электромеханический рулевой привод прямого действия
Для целей обеспечения наилучших мас-согабаритных и динамических характеристик электромеханического привода необходим выбор и многокритериальная оценка существующих механизмов поступательного действия с учетом особенностей их эксплуатации.
МЕТОДОЛОГИЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЗМА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Выбор оптимальной конструкции механизма поступательного действия основывается на методе весовых коэффициентов. Эффективность каждой конструкции определяется двумя функциями:
т=1
п
&шах ^ ^ пКп ,
(1)
(2)
п=1
где Q - оценка топологии; кп - весовой коэффициент критерия оптимальности; ¥*п - относительный критерий оптимальности, величина которого должна быть максимальна; гт - относительный критерий оптимальности, величина которого должна быть минимальна.
В выражение (1) входят все критерии оптимальности, которые должны быть минимальны, а в выражение (2) - максимальные. Тогда из двух конструкций эффективнее та, у которой Qmin меньше, чем у конкурирующего варианта, при этом Qmax не меньше, чем у конкурирующего варианта.
Объект исследования предназначен для использования в авиационном оборудовании, поэтому основными критериями его эффективности по мере релевантности являются критерии, которые должны быть минимальными:
• объем передачи. Летательные аппараты имеют крайне ограниченное место для установки оборудования, поэтому этот критерий является основным при выборе конструкции передачи;
• стоимость.
Критерии, которые должны быть максимальными - срок службы, надежность и технологичность. Количественную оценку технологичности конструкции детали можно производить по коэффициенту унификации конструктивных элементов детали:
а
*= & •
(3)
где Qу.э. - число унифицированных элементов детали, шт.; Qэ - общее число конструктивных элементов детали, шт.
Так как все эти критерии имеют различные единицы измерения, то при их оценке они рассматривались в относительных единицах:
* К
К = К , (4)
К
где Еп - рассчитанный для определенной конструкции критерий в размерных единицах; Еу - желаемая величина данного критерия, установленная в техническом задании.
Рассматривается задача выбора оптимальной конструкции механизма поступательного действия с развиваемым усилием в 3000 кгс. В табл. 1 представлены желаемые значения критериев, входящих в выражение (4) для конкретного механизма. Значения этих критериев должны выбираться отдельно для каждой конструкции механизма поступательного действия.
Таблица 1 Параметры и желаемые критерии
Критерий Желаемое значение
Объем, мм3 9Т05
Технологичность 0,9
Стоимость, руб 40000
Ресурс, ч 3500
Надежность 0,95
ИССЛЕДУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Рассматриваются наиболее известные механизмы, которые обеспечивают преобразование вращательного движения вала двигателя в поступательное движение выходного звена:
• передача «винт-гайка» [2];
• шарико-винтовая передача (ШВП) [3,
4];
• ролико-винтовая передача (РВП) [5];
• волновая винтовая передача (ВВП) [6-8];
В передачах «винт-гайка» (рис. 4) применяются трапецеидальные винты, преобразующие вращающий момент в прямолинейное движение через прямое трение скольжения, что аналогично общепринятому соединению гайки с болтом.
Рис. 4. Передача «винт-гайка»
Приводы на передачах «винт-гайка» допускают высокие статические и динамические нагрузки, однако имеют существенные недостатки в виде: проскальзывания в момент начала движения, который свойственен передачам с трением скольжения; повышенного нагрева области контакта; низкого КПД (около 50%); повышенного износа и низкой точности.
ШВП (рис. 5) объединяет в одно целое ходовой винт, гайку, шарикоподшипник и систему внутренней шариковой рециркуляции для преобразования вращательного движения в плавное, точное и реверсивное линейное движение или наоборот. Ряд сферических тел качения заключен в закрытую систему между гайкой и винтом для конструкции, обеспечивающей КПД 90-95%.
Возвратные канавки
Рис. 5. Шарико-винтовая передача
ШВП обладает высокой несущей способностью при малых габаритах, возможностью получения малых и точных перемещений, высоким ресурсом. Недостатками являются требования к высокой точности изготовления и сложность конструкции гайки.
РВП (рис. 6) за счет замены тел качения на ролики имеет большую нагрузочную способность и высокую предельную частоту вращения винта. К недостаткам РВП следует отнести сложность конструкции и кинематики, высокие требования к точности изготовления деталей и низкий КПД при малых нагрузках.
Рис. 6. Ролико-винтовая передача
ВВП поступательного действия приведена на рис. 7. Эта передача имеет выходной вал с профилем, который соответствует профилю развернутого жесткого колеса вращательной волновой передачи.
Рис. 7. Волновая винтовая передача:
1 - выходной винт (вал), 2 - тела качения, 3 - гайка, 4 - сепаратор
Достоинствами ВВП являются высокий КПД (до 90%), а также возможность уменьшения осевых габаритов линейного привода. Главным недостатком ВВП является необходимость обеспечения комплекса мер для снижения износа в сопрягаемых резьбовых поверхностях (выбор формы профиля резьбы, подбор смазочного материала, ограничение осевой нагрузки, упрочнение поверхностей трения). К тому же у данной передачи имеются недостатки в виде низкой надежности упругого элемента, из-за которой передачу может заклинить.
Для выбора оптимальной конструкции механизма поступательного действия был проведен ориентировочный расчет и оценка параметров для всех четырех рассмотренных передач.
РАСЧЕТЫ КОНСТРУКЦИЙ МЕХАНИЗМОВ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Данные для передач взяты из официальных каталогов производителей [9-11], а также из нормативных документов [12].
Объемы ШВП и ВВП представим в виде зависимости от динамической нагрузки и будем рассматривать как объемы, занимаемые их гайками [13], мм3:
^ШВП (Са) 1,5
С 1,3 ёРко;
К
1
р2 +
тсС 30
^ввп (Са) = 4,4пш р
(5)
(6)
где Са - динамическая нагрузка, развиваемая передачей, Н; ёш - диаметр шарика ШВП, мм; Е - сила, воспринимаемая одним шариком, Н; Р - шаг винта, мм/об; Аттвп - наружный диаметр ШВП, мм; Пш - число витков в гайке.
Зависимости объема от динамической нагрузки для передач «винт-гайка» и РВП получены из каталогов производителей.
Результаты расчета представлены в виде графиков на рис. 8, при этом динамическая нагрузка:
Са , (7)
а к 4 7
где К - коэффициент динамической грузоподъемности; Е - усилие, развиваемое передачей поступательного действия.
Рис. 8. Зависимости объемов механических передач поступательного движения от динамической нагрузки:
1 - передача «винт-гайка»; 2 - ШВП; 3 - ВВП; 4 - РВП
В табл. 2 представлены критерии каждого из механизмов.
Таблица 2 Параметры конструкций передач
Критерий «винт-гайка» ШВП РВП ВВП
Объем, мм3 4,33105 7,712Т05 11,98105 9,94Т05
Технологичность 0,8 0,75 0,6 0,5
Стоимость, руб 22400 32000 52000 64000
Ресурс, ч 1000 4000 4000 4000
Надежность 0,65 0,95 0,95 0,95
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ МЕХАНИЗМА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
Исходя из предложенной выше методики выбора оптимальной конструкции (1)-(7), рассчитываются критерии оптимальности. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Таблица 3 Относительное значения критериев оптимальности для исследуемых конструкций
Критерий «винт-гайка» ШВП РВП ВВП
Объем 0,48 0,85 1,33 1,1
Стоимость 0,56 0,8 1,3 1,6
Qmm 1,04 1,65 2,63 2,7
Технологичность 0,89 0,83 0,67 0,55
Ресурс 0,25 1,14 1,14 1,14
Надежность 0,68 1 1 1
Qmax 1,82 2,97 2,81 2,69
Для упрощения анализа весовые коэффициенты кп принимались равными 1. Согласно предложенной методике оптимизации наиболее эффективной с точки зрения минимальных критериев является конструкция передачи «винт-гайка». Однако применение этой передачи в приводах аэродинамических рулей не целесообразно ввиду обозначенных выше недостатков. Конструкция ШВП, исходя из табл. 3, представляется более практичной по результатам оптимального выбора конструкции. Поэтому очевидно, что для использования в приводе прямого действия наиболее оптимальным является механизм
ШВП, следующую ступень занимает РВП, затем ВВП.
Как видно из графика на рис. 8 и табл. 3, ШВП имеет меньший габаритный размер с ростом нагрузки по сравнению с остальными механизмами, использующими промежуточные тела качения, а также ШВП уникальны тем, что позволяют преобразовывать не только вращательное движение в поступательное как обычная пара «винт-гайка», но и поступательное движение во вращательное - в пассивном режиме, когда аэродинамическая поверхность испытывает влияние переменных нагрузок [14]. Кроме того, производство ШВП освоено многими отечественными предприятиями и имеет большую номенклатуру, тогда как производство РВП и ВВП в России развито не так широко из-за сложности конструкции и кинематики, высоких требований к точности изготовления деталей.
Отметим, что конструктивно рассмотренные передачи очень похожи, и размеры зависят от развиваемой нагрузки. Основное отличие в габаритах передач заключается в конструкции гайки. Передача «винт - гайка» обладает большей компактностью, гайка РВП имеет большую осевую длину, у ВВП гайка имеет большой наружный диаметр, гайка ШВП имеет сложную конструкцию из-за наличия каналов перепуска шариков.
При разработке электроприводов поступательного действия особое внимание уделяется люфтам и упругим деформациям, которые возникают вследствие износа при эксплуатации. Данные погрешности могут быть устранены регулированием натяга, что повышает эксплуатационную надежность привода. Преимуществом ШВП и РВП в отличие от других механизмов является то, что этот параметр можно регулировать несколькими способами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье представлена методика и выбрана оптимальная конструкция механизма поступательного действия с развиваемым усилием 3000 кгс для использования в электромеханическом приводе аэродинамического руля самолета.
В результате выбора конструкции установлено, что передача «винт-гайка» имеет недостатки в виде низкой эффективности, быстрого износа, а также более высокой кинематической погрешности. Конструкция ВВП имеет значительные диаметральные размеры, и имеется риск заклинивания. Конструкция РВП является не эффективной при малых нагрузках, а также имеет большую осевую длину. Поэтому для электромеханического привода поступательного действия оптимальным является применение ШВП, как имеющей малые габариты, высокую эффективность, возможность реверса и технологическую освоенность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. М. А. Киселев и др. Электрический привод для адаптивного крыла летательного аппарата // Вестник УГАТУ. 2017. Т. 21. № 1. С. 136-141. [ M. A. Kiselev, et.al., "Problem of adaptive wings application", (in Russian), in Vestnik UGATU, vol. 21, no. 1, pp. 136-141, 2017. ]
2. Бельков В. Н., Захарова Н. В. Детали машин и основы конструирования. Передачи. Омск: ОмГТУ, 2010. 164 с. [ V. N. Bel'kov, N. V. Zakharova, Details of machines and the basis of the construction. Gears, (in Russian). Omsk: OmGTU, 2010. ]
3. Лустенков М. Е. Передачи с промежуточными телами качения: определение и минимизация потерь мощности: монография. Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2010. 274 с. [ M. Ye. Lustenkov, Transmissions with intermediate bodies of pressure: determination and minimization of power losses: monography, (in Russian). Mogilev: Belorus.-Ros. Un-t, 2010. ]
4. Янгулов В. С. Проектирование передач с линейными перемещениями выходного звена. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 169 с. [ V. S. Yangulov, Designing transmissions with linear displacement of the output link, (in Russian). Tomsk: Izdatelstvo Tomskogo politekhnich-eskogo universiteta, 2011. ]
5. Козырев В. В. Конструкции роликовинтовых передач и методика их проектирования. Владимир: Владимирский гос. ун-т., 2004. 100 с. [ V. V. Kozyrev, The construction of rollerscrew gears and the methodology for their design, (in Russian). Vladimir: 2004. ]
6. Борзилов Б. М. Волновые зубчатые передачи: достижения и результаты // Редукторы и приводы. 2006. № 1. С. 26-28. [ B. M. Borzilov, "Wave gears: achievements and results", (in Russian) in Reduktory i privody. no. 1, pp. 26-28, 2006. ]
7. Сычев А. А. Волновая передача с применением стандартной многорядной втулочно-роликовой цепи // Вестник машиностроения. 1971. № 9. С. 41-43. [ A. A. Sychev, "Wave transmission using the standard multi-row bush-roller chain", (in Russian), in Vestnik mashinostroyeniya, no. 9, pp. 41-43, 1971. ]
8. Иванов М. Н. Волновые зубчатые передачи. М.: Высшая школа, 1981. 184 с. [ M. N. Ivanov, Wave gears, (in Russian). Moscow: Vysshaya shkola, 1981. ]
9. Motion Control and System Technology. URL: http://www.hiwin.com. (дата обращения 01.06.2017). [ (2017, Jun. 01). Motion Control and System Technology [Online]. Available: http://www.hiwin.com ]
10. SKF. URL: http://www.skf.com. (дата обращения 01.06.2017). [ (2017, Jun. 01). SKF [Online]. Available: http://www.skf.com ]
11. Rollvis Swiss. URL: http://www.rollvis.com. (дата обращения 01.06.2017). [ (2017, Jun. 01). Rollvis Swiss [Online]. Available: http://www.rollvis.com ]
12. ОСТ 2 Р31-5-89 Станки металлорежущие. Шариковые винтовые передачи. Технические условия. 1989. 46 с. [ Metal cutting machines. Ball screw gears. Technical specifications, (in Russian), Industry standard Р31-5-89, 1989. ]
13. Борисов М. В., Самсонович С. Л. Обоснование выбора схемы электропривода с выходным звеном, движущимся поступательно // Технические науки. № 1. 2012. С. 15-20. [ M. V. Borisov, S. L. Samsonovich, "Justification of the choice of the electric drive circuit with the output link moving in a step-by-step manner", (in Russian) in Tekhnicheskiye nauki, pp. 15-20, 2012. ]
14. Киселев М. А., Исмагилов Ф. Р., Саяхов И. Ф. Электроприводы управления аэродинамическими поверхностями летательных аппаратов // Вестник Московского авиационного института. 2017. Т. 24. № 2. С. 141-148. [ M. A. Kiselev, F. R. Ismagilov, I. F. Sayakhov, "Electric control of aerodynamic surfaces of flying apparatuses", (in Russian), in Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta, vol. 24, no. 2, pp. 141-148, 2017. ]
ОБ АВТОРАХ
ИСМАГИЛОВ Флюр Рашитович, проф. каф. электромеханики УГАТУ. Дипл. инженер. (УАИ, 1973). Д-р. техн. наук (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. электромеханических преобразователей энергии.
ВАВИЛОВ Вячеслав Евгеньевич, доцент каф. электромеханики УГАТУ. Дипл. инженер. (УГАТУ, 2010). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2013). Иссл. в обл. электромеханических преобразователей энергии.
САЯХОВ Ильдус Финатович, асп. каф. электромеханики УГАТУ. Дипл. магистр. (УГАТУ, 2016). Иссл. в обл. электромеханических преобразователей энергии.
METADATA
Title: The question about choice mechanism of translational action for aircraft actuator. Authors: F. R. Ismagilov1, V. E. Vavilov2, I. F. Sayakhov3 Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (USATU), Russia. Email: 1 [email protected], 2 [email protected],
3 [email protected] Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 22, no. 4 (82), pp. 101-108, 2018. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: For most control objects on the aircraft, translational action actuators are traditionally used. The mechanism of translational action ensures the most rational use of free space. In the article the review of mechanical gears is carried
out and constructive schemes of electromechanical actuators of translational action for control of aerodynamic rudders of an aircraft are considered. The paper is also presented the optimal design of the mechanism of the translational action for the actuator. As a result of the choice of the design it was found that for the electromechanical actuator the use of a ball screw gear as having small dimensions, high efficiency and the possibility of reverse is optimal.
Key words: electromechanical actuator; mechanism of translational action; aerodynamic rudder ball screw drive; roller screw drive.
About authors:
ISMAGILOV, Flur Rashitovich, prof. Dept. of Electromechanics of USATU. Dipl. engineer. (UAI, 1973). Dr. of Tech. Sci. (UGATU, 1998).
VAVILOV, Vyacheslav Evgenievich, senior teacher of Dept. Electromechanics of UGATU. Dipl. engineer. (UGATU, 2010). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2013).
SAYAKHOV, Ildus Finatovich, Postgrad. (PhD) Student. Dept. of Electromechanics of UGATU. Master of Technics & Technology. (UGATU, 2016).
