CC BY
61
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 03. С. 97-115.
1Э5М 1994-040В
Б01: 10.7463/0317.0000974
Представлена в редакцию: Исправлена:
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 678-404: 629.735.063
Применение интеллектуальных материалов в гидравлических, топливных системах и системах управления рулями самолетов
Чернов Д.Б.1, Шумилов И.С.
09.02.2017 23.02.2017
2,*
ЕЬШПЛО у -¿1/£уап<1&х-П1
:НИИ стандартизации и унификации, Москва, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Устройство является действительно интеллектуальным, лишь, если оно способно реагировать на изменение внешних условий. Устройства, «чувствующие» внешние условия и способные изменять свои характеристики, имеют множество преимуществ по сравнению с обычными устройствами: они эффективнее, медленнее изнашиваются и имеют меньшие эксплуатационные затраты. Область применения интеллектуальных изделий поистине безгранична. Сплавы с эффектом памяти формы также относятся к интелектуальным материалам. Природные пьезоэлектрические кристаллы такие как диоксид кремния (интелектуальный материал) известны уже более ста лет. Они имеют большую жесткость и могут использоваться при высоких рабочих частотах. Благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту они успешно применяются в качестве тензодатчиков. Позже появились искусственные керамические пьезоэлектрики; их используют как механические преобразователи. При этом обычно применяется обратный пьезоэлектрический эффект, состоящий в изменении размеров при приложении электрического поля. Управление интеллектуальной структурой может осуществляться тепловыми потоками, электромагнитными, гидравлическими или пьезоэлектрическими силами и применением электрореологических и магнитореологических жидкостей. В статье рассмотриваются интелектуальные материалы и технологии, которые уже применяются или найдут свое приложение в авиационных (АГС) и топливных (АТС) системах и системах управления рулями (СУР) самолетов уже в ближайшее время.
Ключевые слова: интелектуальный материал, сплавы с эффектом памяти формы, пьезоэлектрические кристаллы, прямомой пьезоэлектрический эффект, тензодатчик, обратный пьезоэлектрический эффект, электрореологические и магнитореологические жидкости, авиационные гидравлические и топливные системы, системы управления рулями самолетов
Введене
Устройство является действительно интеллектуальным, лишь, если оно способно реагировать на изменение внешних условий. Под изменением внешних условий понимается изменение природных условий, условий эксплуатации или, скажем, перемещение конструкции в пространстве. А реакцией является изменение функциональных характеристик устройства.
Устройства, «чувствующие» внешние условия и способные изменять свои характеристики, имеют множество преимуществ по сравнению с обычными устройствами: они эффективнее, медленнее изнашиваются и имеют меньшие эксплуатационные затраты.
Область применения интеллектуальных изделий поистине безгранична. Они разрабатываются по-разному, но проектировщик обязательно сталкивается с одной и той же проблемой — как «научить» изделие реагировать, не слишком усложняя конструкцию и не увеличивая ее стоимость. Для решения этой задачи приходится применять методы нескольких смежных наук.
Интеллектуальное изделие должно иметь систему измерительных датчиков (сенсоров) и механических приводов (преобразователей), реагирующих в зависимости от полученных данных. При этом действия системы могут быть весьма сложными.
Датчики (сенсоры) измеряют деформацию, температуру или напряжение в разных точках изделия. Измерительная система должна быть не слишком сложной; ее необходимо связать с системой обработки данных, не нарушая при этом целостности структуры.
Снижение веса, что особенно актуально для авиакосмической техники, сопровождается увеличением амплитуды колебаний. Были случаи, когда спутники выходили из строя из-за колебаний, возникавших вследствие тепловых нагрузок. Эту проблему можно решить, вводя в структуру датчики и механические преобразователи (обычно пьезоэлектрические).
Обработка данных имеет огромное значение при создании и эксплуатации интеллектуальных структур. Датчики могут дать обширную информацию о системе, но эти данные бесполезны, если нет алгоритма выделения действительно необходимой информации.
Сплавы с эффектом памяти также относятся к интелектуальным материалам. Существует два типа сплавов с эффектом памяти формы: одни способны к большой обратимой деформации при неизменной температуре (эффект сверхэластичности), другие восстанавливают свою форму при увеличении температуры (эффект тепловой памяти формы). Открытие сплава, названного нитинолом, в 1960-х годах вызвало большой интерес к таким материалам. В последующие годы область применений сплавов с этим необычным свойством сильно расширилась. Как правило, материалы с памятью формы используются в качестве механических приводов. Иногда они преобразуют тепловую энергию в движение или механическую работу.
Природные пьезоэлектрические кристаллы такие как диоксид кремния (интелекту-альный материал) известны уже более ста лет. Они имеют большую жесткость и могут использоваться при высоких рабочих частотах. Благодаря прямому пьезоэлектрическому эффекту они успешно применяются в качестве тензодатчиков. Позже появились искусственные керамические пьезоэлектрики; их используют как механические преобразователи. При этом обычно применяется обратный пьезоэлектрический эффект, состоящий в изменении размеров при приложении электрического поля. Возникающая в таких керамиках сила очень велика, а характерное время реагирования мало. Их недостатком является малая величина смещения.
Интерес к магнитострикционным материалам (интелектуальный материал) появился сразу после открытия эффекта магнитоупругости — изменения формы и размеров тела
при намагничивании — в редкоземельных элементах тербии (Тв), самарии (Sm) и диспрозии (Dy). Сначала их недостатком считалась малая величина эффекта. Интерес к ним усилился после открытия компаунда, известного как терфенол и обладающего сильным маг-нитострикционным эффектом. Этот компаунд обладает огромным потенциалом использования в различных изделиях.
Гидравлические интеллектуальные устройства. Интеллектуальные структуры реагируют на внешнее воздействие благодаря способности изменять свое движение «по команде» электрического сигнала, не меняя при этом конфигурацию аппаратуры. Аналогично источникам электрического напряжения, величина которого зависит от продолжительности импульса на входе, умный механизм должен вызывать появление сил, скоростей и (что наиболее важно) смещений. Необходимость получения больших ускорений и смещений, сопровождаемых значительным выделением тепла, ограничивает возможности интеллектуальных материалов.
Интеллектуальные конструкции могут иметь различный вид. Управление интеллектуальной структурой может осуществляться тепловыми потоками, электромагнитными, гидравлическими или пьезоэлектрическими силами и применением электрореологических и магнитореологических жидкостей.
Здесь рассмотрим интелектуальные материалы и технологии, которые уже применяются или найдут свое приложение в авиационных (АГС) и топливных (АТС) системах и системах управления рулями (СУР) самолетов уже в ближайшее время.
1. Сплавы с эффектом памяти формы (СЭПФ), как «интеллектуальные» материалы
Явление памяти формы сплава NiTi было открыто в 1960г Бюлером с соавторами [5, 6], и этот сплав часто называют нитинолом. Эффект памяти наблюдается в сплавах NiTi в узком интервале концентраций, соответствующем 50 атомных процентов никеля и 50% титана. Изменение состава лишь на 0,1 атомный процент может изменить температуру перехода на 20 или более градусов. По этой причине технологические условия получения сплавов NiTi должны выполняться очень строго. Для обеспечения однородности сплава, позволяющей контролировать температуру перехода в пределах 5°С, часто используют индукционное плавление металла. К сожалению, эта технология малопроизводительна, из-за чего сплав NiTi считают сравнительно дорогим.
Сплавы с памятью формы используются в двух направлениях различных по принципу использования этого эффекта:
- восстановление формы с развитием усилия и последующем сохранении этого усилия;
- циклическое формоизменение: восстановление формы при нагреве и обратная деформация при охлаждении.
Первое направление является конструкционным, а второе регулирующим. На рисунке 1 показана зависимость напряжения термомеханического возврата для сплава TiNi с обратным мартенситным превращением при температурном циклировании.
Мк - температура, при которой проводят изменение формы в мартенситном состоянии; Ан - температура начала термического возврата (восстановление формы); Ак - температура окончания термомеханического возврата; Т®^ - максимальная температура выше, которой начинается процесс релаксации; Тр^^ -минимальная температура, при которой начинается прямое мартенситное превращение с падением напряжения; Мн - температура начала прямого мартенситного превращения (практически совпадает с точкой Т^); Мк - температура окончания прямого мартенситного превращения; Трел - температура полной релаксации.
Рис. 1. Схема развития напряжений термомеханического возврата в условиях препятствия восстановлению
формы
В исходной точке сплав находится в мартенситном состоянии и может быть сравнительно легко продеформирован на величину до 10%. Дальнейший нагрев приводит к восстановлению формы с развитием напряжения и совершения работы.
Уровень напряжений сохраняется в интервале температур от Мн до Ттах и является рабочим температурным интервалом конструкции, в которой использован элемент из сплава с памятью формы.
Однако при охлаждении ниже Мн начинается прямое мартенситное превращение. При охлаждении ниже этой температуры происходит падение напряжения и обратная деформация материала. Чтобы обеспечить неизменность достаточного уровня напряжений необходим сплав с температурой точки Мн ниже нижней границы работоспособности, то есть для авиации ниже минус 60 °С.
Это достигается дополнительным легированием никелида титана (Т1№) небольшим количеством железа. Отечественный сплав с температурой восстановления формы минус 80 °С разработан и носит марку ТН1К - титано-никелевый первый криогенный.
Применение такого сплава было реализовано при разработке термомеханических соединений трубопроводов.
Второе направление использования сплавов Т1№ с циклическим формоизменением сейчас является главным направлением в интеллектуальных технологиях - это приводы, преобразующие тепловую энергию в движение или механическую работу.
Силовые приводы из СЭПФ имеют ряд преимуществ:
• высокую действующую силу;
• большие восстанавливаемые деформации;
• различные виды деформации (растягивающие, сжимающие, изгибающие и крутящие);
• большую удельную величину работы в расчете на единицу массы.
Возможно, именно большие величины деформации и совершаемой работы представляют наибольшие перспективы изделий из СЭПФ. Физическая основа эффекта памяти отличает его от других способов приведения материала в движение, например от пьезоэлек-рического эффекта и магнитострикции. Однако СЭПФ имеют не только преимущества, но и недостатки. В сравнении с другими способами приведения в движение такие сплавы имеют низкую эффективность (например, высокие энергетические потери и большое время задержки или малую частоту повторения). Для успешного применения СЭПФ нужно использовать их преимущества и пытаться обойти их недостатки.
Использование сплавов №Т1 в интеллектуальных структурах находится пока еще на начальной стадии. Исследователи пытаются применить №Т1 в качестве источников движения в интеллектуальных структурах, но проблемы их коммерческого использования остаются нерешенными. В их числе — проблемы точного контроля состава и термомеханической усталости. Несмотря на это, конструкторы и академические институты продолжают работы в этой области. Если будет найдена новая область их широкого применения, последует следующий скачок в развитии интеллектуальных сплавов с памятью формы.
Способность СЭПФ на автономный ответ при внешнем воздействии является их внутренним свойством, и поэтому они удовлетворяют определению интеллектуальных материалов, хотя диапазон их функциональных возможностей относительно ограничен.
Интеллектуальный материал должен реагировать на внешнее воздействие контролируемым образом, задаваемым в процессе изготовления и обработки. В случае СЭПФ это достигается сравнительно просто, хотя это утверждение спорно, т.к. малейшая ошибка в составе материала изменяет диапазон их функциональных возможностей. Тщательный контроль состава и последующая обработка позволяют производить «точную настройку» температуры перехода (когда сплав используют в качестве датчика), силы и восстанавливаемой деформации (когда он используется в качестве силового преобразователя) и прочности (если он используется в качестве конструкционного материала).
Все отмеченные преимущества СЭПФ хорошо могут быть использованы для так называемых термомеханических соединений (ТМС) трубопроводов, где недостатки СЭПФ в данном его применении практически не влияют на качество ТМС.
В авиастроении ТМС впервые были применены гидросистемах (АГС) самолета Ту204. В НИИСУ был создан ряд ОСТов «Соединения трубопроводов неразъемные термомеханические», в соответствии которыми и монтировались ТМС на самолете Ту204. Ниже представлен перечень ОСТов, разработанных НИИСУ и используемых при создании самолета Ту204:
• ОСТ 100960-80 «Соединения трубопроводов неразъемные термомеханические. Технические требования»
• ОСТ 1 13681-80 «Муфты термомеханического соединения, конструкция и размеры»
• ОСТ 1 00961-80 «Муфты термомеханического соединения, условия»
• ОСТ 1 14617-88 «Муфты крепления трубопроводов термомеханического соединения. Конструкция»
• ОСТ 1 14616-88 «Соединения трубопроводов с муфтой крепления, конструкция»
• ОСТ 1 01081-99 «Соединения неразъемные термомеханические трубопроводов из алюминиевых сплавов. Общие технические требования»
• ОСТ 1 01084-2001 «Соединения трубопроводов разъемные резьбовые с термомеханическим элементом. Общие технические требования»
• МУ 51-87 «Соединения неразъемные термомеханические трубопроводов. Изготовление, сборка, испытания и контроль»
• МУ 52-80 «Методы контроля Термомеханических характеристик сплавов типа ТН»
• МУ 53-80 «Определение температуры фазовых превращений в сплаве типа ТН ультразвуковым методом»
• МУ 157-86 «Обозначение параметров термомеханического возврата»
На рис.2. представлен пример муфт из сплава с эффектом «памяти формы» для соединения трубопроводов диаметром (с лева на право) 24мм, 8мм, 12мм.
Рис. 2. Пример муфт из сплава с эффектом «памяти формы» для соединения трубопроводов диаметром
(с лева на право) 24мм, 8мм, 12мм.
На рис. 3. представлена схема получения неразъемного термомеханического соединения трубопровода в 4 этапа.
Дч'>Дт+Д
Л - сборочный зазор
Рис. 3. Схема получения неразъемного термомеханического соединения трубопровода в 4 этапа: 1 -исходная заготовка; 2- муфта после пластической деформации (дорнования) при температуре -1960С; 3-сборка ТМС при низкой температуре -196 С; 4-нагрев ТМС до нормальной температуры, соединение готово
На рис. 4. представлены результаты испытаний внутренним давлением до разрушения: трубопровод разрушился, ТМС выдержал испытания.
Рис. 4. Представлен результат испытаний ТМС внутренним давлением до разрушения
На рис. 5. представлены примеры монтажа трубопроводов гидросистемы с помощью ТМС в фюзеляже (рис. 5.а, б.) и топливо-жидкостного радиатора (рис. 5. в) АГС в топливном баке.
в
Рис. 5. Примеры монтажа трубопроводов гидросистемы с помощью ТМС в фюзеляже (а, б) и топливо
жидкостного радиатора ГС в топливном баке (в).
Эффективность применения ТМС на самолете Ту204:
- получена высокая герметичность соединения не ниже 1-2 и 2-4 по ОСТ 00128-74;
- по массе 3-х кратный выигрыш по сравнению с разъёмными соединениями по внутреннему конусу^
- обеспечение широкого диапазона температуры эксплуатации соединений -60°С^+230°С;
- высокая плотность монтажа;
- высокая прочность - 5-кратный запас при разрушении внутренним давлением;
- простота и надежность монтажа,
- независимость от «человеческого фактора»;
- объективность контроля качества;
- простота ремонта.
Применение ТМС на самолете Ту204 показало высокую эффективность использования сплавов, обладающих свойством памяти формы, и позволяет говорить о целесообразности широкого внедрения ТМС в авиастроение при монтаже гидравлических и топливных трубопроводов АГС, АТС и СУР, при этом необходимо провести мероприятия по обеспечению приемлемой цены сплава нитинола.
Преимущества СЭПФ хорошо могут быть использованы так же для их применения в термоклапанах, которые в настоящее время широко используются в АГС, АТС и СУР с применением биметаллических элементов и примеры которых представлены на рис.6.
а)
б)
в)
Рис. 6. .а) Установка термоклапанов для поддержания необходимой температуры жидкости ГС в зонах установки РП. 1-термоклапан; 2-бак; 3- маршевый двигатель; 4-насос; 5-клапан кольцевания, который включают для прогрева жидкости ГС перед взлётом при температуре жидкости ниже минус 20 оС; 6-линия
слива; 7-линия нагнетания; 8- в систему контроля ГС; 9-сигнал управления из автоматической системы управления ГС или от летчика; 10-линия всасывания. б). Термоклапан 6Ц.337 с биметаллической пружиной выпускается серийно. в). Термоклапан с элементом СЭПФ
Применение СЭПФ в термоклапанах позволит существенно улучшить их характеристики, повысив точность выдерживания диапазона срабатывания. Однако потребует устранить некоторые недостатки СЭПФ в части обеспечения точного контроля состава сплава и доведения термомеханической усталости до необходимого уровня.
Применение СЭПФ в пожарных клапанах топливных систем самолетов позволит существенно улучшить их характеристики и отказаться от электрической системы управления (рис.7.)
Рис.7.. Применение СЭПФ в пожарных клапанах топливных систем самолетов
2. Использование пьезоэлектрического эффекта
Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов под действием механической нагрузки. Благодаря своей высокой резонансной частоте датчики силы, основанные на пьезоэффекте, имеют очень малое время реагирования и очень хороши для измерения быстро меняющихся сил. С другой стороны, они плохо работают на низких частотах из-за электропроводности. Одно из основных применений таких датчиков - акселерометры, в которых измерение силы позволяет определить ускорение тела известной массы. Производство пьезоэлектрических акселерометров развито настолько хорошо, что они имеют вид миниатюрной интегральной схемы, содержащей датчик и электронное устройство обработки сигнала.
Прямой пьезоэлектрический эффект в высокотехнологичных изделиях применяется менее широко. Разность потенциала, возникающего в пьезоэлектрике при деформации, достигает нескольких тысяч вольт. Это практически недопустимо для АГС. Однако величина этих потенциалов пропорциональна прилагаемой силе, что может быть использовано для измерения ее величины. Этот эффект широко используют в датчиках для измерения силы, давления рабочей жидкости, напряжения в трубопроводах в том числе и в АГС, СУР.
Для мехатронных устройств непрерывно разрабатываются новые пьезоэлектрические силовые преобразователи с улучшенными рабочими характеристиками. Пьезоэлектрические преобразователи имеют высокое быстродействие, точность и большую плотность энергии. В различных областях техники использовали самые разные пьезоэлектрические преобразователи. Это обусловлено их непревзойденным быстродействием и точностью. Пьезоэлектрические преобразователи основаны на обратном пьезоэлектрическом эффекте, преобразующем электрическую энергию в механическую нагрузку или перемещение. Это происходит на уровне кристаллической решетки и преобразование является прямым, в отличие от соленоидов и магнитострикционных преобразователей, в которых электрическая энергия сначала преобразуется в энергию магнитного поля, а в случае сплавов с памятью формы — в тепловую энергию. Это обеспечивает преимущества таких преобразователей, как, например, низкий уровень электромагнитных помех и высокая плотность энергии, точность.
Поэтому пьезоэлектрики с успехом могут использоваться в качестве источника механического движения в том числе и для АГС, АТС и СУР.
По принципу действия, например, двуслойный пьезопреобразователь напоминает биметаллическую пластину. В обоих случаях изгибающий момент возникает вследствие различного сокращения или удлинения двух соединенных вместе пластин. Если биметаллическая пластина изгибается за счет разности коэффициентов теплового расширения, то в двуслойных пьезопреобразователях — разности поперечных пьезоэлектрических коэффициентов, связывающих величину электрического поля с деформацией в перпендикулярном направлении. Прикладывая постоянное электрическое поле к двум соединенным друг с другом пластинам с различными знаками поляризации, в одной из них вызывается сокращение, а в другой — удлинение и, как следствие, изгиб всей системы.
Необходимость в высоком напряжении управляющего сигнала является серьезным недостатком пьезоэлектрических силовых преобразователей. Напряжение может быть уменьшено, если использовал ряд последовательно соединенных пьезоэлектрических слоев. В этом случае на несколько слоев тонкой пьезокерамики наносят индивидуальные электроды, а затем их накладывают друг на друга. Полученная структура представляет собой последовательность керамических элементов. Соединение этих электродов через один позволяет создать параллельную электрическую цепь пьезоэлектрических элементов, в то время как механически они размешены последовательно, и смещения суммируются. Преимущество этой схемы состоит в том, что величина электрического поля равна отношению разности потенциалов к толщине одного слоя, и при небольшой толщине слоя достигаются высокие величины электрического поля.
Дальнейшее усовершенствование преобразователей состояло в разработке многослойных устройств, аналогичных конденсаторам. Пьезоэлектрики укладывают тонкими слоями, на которые методом шаблонной печати наносят электроды. Затем слои накладывают один на другой и после обжига получают многослойный керамический преобразователь. Эта методика снижает издержки производства и увеличивает надежность. После обжига преобразователь поляризуют (как в многослойных, так и в последовательных структурах смежные слои имеют противоположную поляризацию).
Главными преимуществами многослойных пьезоэлектрических преобразователей являются исключительно высокая скорость, большая действующая сила, высокая плотность энергии и точность действия. Это связано с физической природой явления, т.е. с тем, что преобразование электрической энергии в механическую происходит вследствие растяжения кристаллической решетки. Естественно, что эта деформация ограничена и на практике возможны лишь незначительные смещения. Относительная деформация обычно не превышает 0,1%, а удлинение при обычной длине преобразователя имеет порядок десятков микрон. Эго является серьезным недостатком, поскольку часто требуются гораздо большие смещения. Кроме того, при этом требуется малая величина механических допусков. По этой причине исследования концентрировались как на разработке новых материалов с улучшенными рабочими характеристиками, так и на проектировании вспомогательных устройств, позволяющих максимально использовать существующие материалы. Увеличение смещения пьезопреобразователя может быть достигнуто различными способами. В механических усилителях используются главным образом рычаги и шарниры; «интегрирующие» усилители суммируют смещения отдельных элементов. Наконец, усилители ударного типа. Иногда эти принципы действия комбинируются для преодоления недостатков, свойственных каждому из этих методов.
К механическому усилению отнесены устройства, в которых «статическое» увеличение смешения пьезоэлектрического элемента достигается посредством использования механических устройств различной сложности. Усиление носит статический характер в том смысле, что все части конструкции находятся в постоянном контакте друг с другом.
Механические усилители, в свою очередь, можно разделить на два типа. В простейших усилителях используется принцип рычага, так что движение пьезоэлектрического элемента (с большим развиваемым усилием и малым смещением) передается на выход устройства с меньшей силой, но большим смещением. Второй метод усиления смещения основан на изгибе тонкой балки. Некоторые из этих механических усилителей имеют оси вращения, вокруг которых поворачиваются их элементы. Из-за малых величин смещения недопустимо наличие люфта, и поэтому вместо обычных подшипников используют изгибающиеся элементы, что обеспечивает решение проблем трения, но повышает риск усталостного разрушения.
Теоретически они позволяют добиться высоких коэффициентов усиления. Их недостатками является то, что длинный рычаг имеет большую массу, что уменьшает резонансную частоту и быстродействие преобразователя. Кроме того, требования технологичности и концентрация напряжений в шарнирах налагают ограничения на габариты и коэффициент усиления. Коэффициент усиления может быть увеличен при помощи двухступенчатого усиливающего рычага, сделанного из легких материалов. Эффективность простых рычажных усилителей высока.
В самом простом варианте такого усилителя используется гибкий шарнир, соединяющий два стержня. В других преобразователях шарниры отсутствуют, и происходит упругий изгиб эллиптической оболочки. Геометрические параметры оболочки и, в частности, ее эксцентриситет могут быть подобраны в соответствии с предъявляемыми требова-
ниями. Методика усиления, которая позволяет получить «неограниченное» выходное смещение, состоит в суммировании множества малых смещений.
Использование пьезоэлектрического эффекта в АГС, АТС и СУР позволит существенно улучшить статические и динамические характеристики электрогидравлических усилителей (точность, быстродействие, динамическую чувствительность, полосу пропускания, массу и т.д.). На рис.8. и рис.9. представлены электрогидравлические усилители, в которых достаточно просто можно внедрить пьезоэлектрические элементы управления, заменив постоянные магниты с якорем и статором на пьезоэлектрические элементы, и получить значительный эффект (рис.10.).
Рис.8. Схемы двухкаскадных электрогидравлических усилителей с элементом сопло-заслонка и центрирующими пружинами (а), с элементом сопло-заслонка и силовой механической обратной связью по
положению золотника (б), с подвижным (в) и неподвижным (г) напорными соплами 1 - корпус; 2 -цилиндрический золотник; 3 - обратная связь; 4 - фильтр предварительного каскада; 5 - нерегулируемый дроссель; 6 - сопло; 7 - пластина для регулировки рабочих зазоров; 8 - заслонка; 9 - трубчатая пружина; 10 - якорь; 11 - рабочий зазор; 12 - постоянный магнит; 13 - полюсная пластина; 14 - цилиндрическая пружина; 15 - гибкий трубопровод; 16 - подвижное напорное сопло; 17 - приемник; 18 - неподвижное
напорное сопло; 19 - дефлектор.
Рис.9. Электрогидравлический усилитель прямого действия1 - датчик скорости движения золотника (4 шт.); 2 - торцевая пружина с фигурными прорезями (2 шт.); 3 - редкоземельные постоянные магниты; 4 - золотник; 5 - гибкий соединительный стержень золотника; 6 - ТДЛП золотника (4 шт.); 7 - магнитопроводы; 8 - обмотка катушек индуктивности; 9 - воздушные зазоры между сердечниками и
магнитами ЭМП.
Рис.10. Многослойный пьезоэлектрический элемент с усилителем механического перемещения
Использование пьезоэлектрического эффекта в электрогидравлических усилителях позволит существенно увеличить усилие для перемещения гидравлических элементов, что в свою очередь повысит надежность их работы, позволит работать на более загрязненных рабочих.
Выводы и рекомендации
1. Применение интеллектуальных материалов, способных реагировать на изменение внешних условий, в устройствах, «чувствующих» внешние условия и способных изменять свои характеристики под действием внешних условий, имеют множество преимуществ по сравнению с обычными устройствами: они эффективнее, медленнее изнашиваются, надежнее и имеют меньшие эксплуатационные затраты.
2. Эффективность применения ТМС на самолете Ту204:
- получена высокая герметичность соединения не ниже 1-2 и 2-4 по ОСТ 0012874;
- по массе 3-х кратный выигрыш по сравнению с разъёмными соединениями по внутреннему конусу^
- обеспечение широкого диапазона температуры эксплуатации соединений -60°С-+230°С;
- высокая плотность монтажа;
- высокая прочность - 5-кратный запас при разрушении внутренним давлением;
- простота и надежность монтажа,
- независимость от «человеческого фактора»;
- объективность контроля качества;
- простота ремонта.
3. Применение ТМС на самолете Ту204 показало высокую эффективность использования сплавов, обладающих свойством памяти формы, и позволяет говорить о целесообразности широкого внедрения ТМС в авиастроение при монтаже гидравлических и топливных трубопроводов, при этом необходимо провести мероприятия по обеспечению приемлемой цены сплава нитинола.
4. Использование пьезоэлектрического эффекта в АГС, АТС и СУР_позволит существенно улучшить статические и динамические характеристики электрогидравлических усилителей (точность, быстродействие, динамическую чувствительность, полосу пропускания, массу и т.д.)
5. Использование пьезоэлектрического эффекта в электрогидравлических усилителях позволит существенно увеличить усилие для перемещения гидравлических элементов, что в свою очередь повысит надежность их работы, позволит работать на более загрязненных рабочих жидкостях и соответственно повысит надежность систем в целом.
6. В электрогидравлических усилителях достаточно просто можно внедрить пьезоэлектрические элементы управления, заменив постоянные магниты с якорем и статором на пьезоэлектрические элементы, и получить значительный эффект.
7. Применение СЭПФ в термоклапанах гидросистем и пожарных клапанах топливных систем самолетов позволит существенно улучшить их характеристики, повысив точность выдерживания диапазона срабатывания, в пожарных клапанах отказаться от электрических цепей управления. Однако потребует устранить некоторые недостатки СЭПФ в части обеспечения точного контроля состава сплава и доведения термомеханической усталости до необходимого уровня.
Список литературы
1. Авиационные правила АП-25. Нормы лётной годности транспортной категории // Л.: ЛИИ им. М.М. Громова, 2014. 235 с.
2. Шумилов И.С. Системы управления рулями самолётов // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 469 с.
3. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и технологии // М.: Техносфера, 2006, 224 с.
4. Чернов Д.Б. Конструкционное применение сплавов с памятью формы // М.: НИИСУ. 1999. 232 с.
5. Патент на изобретение РФ № 2228465 МПК F15B13/044. Электрогидравлический распределитель. // Штыков В.А., Сосульников Г.Б., Клапцова Т.С. Заявка
№ 200210565606/06 от 05.03.2002. Опубл. 10.05.2004 Бюл. № 13.
6. Минаев Д.С., Янакаев Я.С., Чернова С.Д., Чернов Д.Б. Термомеханические соединения для авиационных трубопроводов // Авиационная промышленность, 2015, № 4, стр.51
7. Чернов Д.Б. Принципы применения термомеханических актуаторов в системах управления // Информационно-измерительные и управляющие системы, 2016, №8, т. 14, стр. 36.
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 03, pp. 97-115.
DOI: 10.7463/0317.0000974
Received: 09.02.2017
Revised: 23.02.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Intelligent Materials Used in Hydraulic, Fuel, and Rudder Control Systems of Aircrafts
D.B. Chernov1, I.S. Shumilov2 *
Research Institute of Standardization and Unification,
Moscow, Russia 2Bauman Moscow State Technical University,
Moscow, Russia
Keywords: intelligent material that alloys with shape memory effect, piezoelectric crystals, the direct piezoelectric effect, a strain gauge, a reverse piezoelectric effect, electro-rheological and magnetorheological fluid, aircraft hydraulic and fuel system, control system rudders of aircraft
The device is really intelligent, only if it is capable to respond to changing external conditions. The devices, which "feel" the external environment and can change their characteristics, have many advantages compared to the conventional devices: they are more efficient, wear out more slowly, and have lower operating costs.
The scope of smart products is truly infinite. Alloys with memory effect also apply to intellectual content. Natural piezoelectric crystals such as silicon dioxide (intellectual material) have been known for over a hundred years. They have greater stiffness and can be used at high operating frequencies. Due to the direct piezoelectric effect, they have been successfully used as a strain gage. Later came artificial ceramic piezoelectric materials; they are used as mechanical transducers. Thus, an inverse piezoelectric effect is usually used. It consists in the change of dimensions when an electric field is applied. Control of intellectual structure can be provided by heat fluxes, electromagnetic, hydraulic or piezoelectric forces and through application of electro-rheological, and magneto-rheological fluids. The article examines the intellectual materials and technologies that are already in place or will find its application in aviation hydraulic and fuel systems and control systems of rudders (CSR) of aircrafts in the near future.
The paper considers in detail the shape memory effect alloys (SMEA) as "intelligent" materials. Actuators made from SMEA have a number of advantages: high working power; large recoverable deformation; different types of strain (tensile, compressive, bending and torsional); most specific value of the work per unit mass. All the SMEA advantages may be well used for the so-called thermo-mechanical connections (TMC) of pipelines where SMEA drawbacks in this application, practically, do not affect the quality of TMC. In aircraft engineering the TMC were first used in hydraulic systems of the aircraft TU204.
The paper also considers piezoelectric transducers, which are based on the reverse piezoelectric effect that converts electrical power into mechanical strain or displacement. The use of
piezoelectric effect in hydraulic systems, rudder control systems, fuel systems of aircrafts will allow significant improving the static and dynamic characteristics of amplifiers (precision, speed, dynamic sensitivity, bandwidth, weight, etc.)
References
1. Joint Aviation Requirements JAR-25. Airworthiness standards for transport category. Gromov Flight Research Institute, Leningrad, 2014, 235 p. [In Russian]
2. Shumilov I.S. Sistemy upravleniia ruliami samoletov [Airplane control systems]. Bauman University Publishing House, Moscow, 2009, 469 p. [In Russian]
3. Uorden K. Novye intellektual'nye materialy i tekhnologii [New intelligent materials and technologies]. Tekhnosfera, Moscow, 2006, 224 p.
4. Chernov D.B. Konstruktsionnoe primenenie splavov s pamiat'iu formy [Constructive use of alloys with shape memory]. NIISU, Moscow, 1999. 232 p. [In Russian]
5. Shtykov V.A., Sosul'nikov G.B., Klaptsova T.S. Patent RU 2228465 Int. Cl. 15B13/044. Electrohydraulic distributor. Appl. no. 00210565606/06, 05.03.2002. Publ. 10.05.2004. [In Russian]
6. Minaev D.S., Ianakaev Ia.S., Chernova S.D., Chernov D.B. Termomekhanicheskie soedineniia dlia aviatsionnykh truboprovodov. Aviatsionnaia promyshlennost' = Aviation Industry, 2015, no. 4, p. 51 [In Russian]
7. Chernov D.B. Printsipy primeneniia termomekhanicheskikh aktuatorov v sistemakh upravleniia. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliaiushchie sistemy = Information-measuring and Control Systems, 2016, no. 8, vol. 14, p. 36. [In Russian]
