РАЗРАБОТКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА РЕЗЕРВИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МУФТ

МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН

УДК 623.464.34

DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-370-376

РАЗРАБОТКА ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА РЕЗЕРВИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА НА ОСНОВЕ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ МУФТ

Р.Р. Абдулин, В.В. Большаков, Ю.Г. Оболенский, В.А. Подшибнев, Н.Б. Рожнин, С.Л. Самсонович

Работа посвящена актуальной теме разработки резервированного электромеханического привода, исполнительный механизм, которого обладает высокой надежностью за счет введения избыточных элементов. Сформулированы требования к схеме и конструкции электромеханических муфт. Проведен синтез новых технических решений, обеспечивающих требования про надежности и габаритным размерам.

Ключевые слова: резервированный электромеханический привод, исполнительный механизм, электромеханическая муфта.

Основным требованием, предъявляемым к резервированному электромеханическому приводу (ЭМП) для беспилотных и пилотируемых летательных аппаратов (ЛА), является обеспечение штатной работы при возникновении не менее двух электрических и одного механического отказов. Это требование достигается разработкой отказоустойчивой конструкции исполнительного механизма (ИМ) привода, содержащего датчики диагностирования отказов и устройства структурного резервирования.

Целью этой статьи является обоснование архитектуры отказоустойчивой конструкции и технических решений, обеспечивающих резервирование с минимальными габаритами.

Термин резервированный привод предполагает наличие двух каналов: основного и резервного, при этом каналы могут быть одинаковой мощности, каждый из которых обеспечивает требуемые статические и динамические характеристики привода, или один из каналов может быть меньшей мощности, достаточной для отключения основного канала и приведения объекта управления в заданное фиксированное положение при аварийных ситуациях.

В резервированных приводах с каналами одинаковой мощности каждый из каналов может поочередно работать в качестве основного или резервного, а также каналы могут работать одновременно с половинной мощностью каждого.

Последний вариант обеспечивает большие возможности привода с точки зрения отказоустойчивости, за счет отсутствия переключения каналов. На этом основании этот вариант наиболее целесообразен для конструирования.

Каждый канал резервированного привода должен быть следящим, так как регулируемым параметром является положение объекта управления, поэтому он содержит: датчик положения выходного звена ИМ (ДОС), суммирующий электронный усилитель (У), электродвигатель (ЭД), промежуточный редуктор (Пр. Р) и устройство переключения каналов, Кроме того в состав резервированного привода входит логическое управляющее устройство (ЛУУ), служащее для формирования упревающих сигналов на каналы (см. рис. 1).

При этом для обеспечения требуемой отказоустойчивости по электрическим отказам применяют четырехкратное резервирование электрических цепей и элементов, как это выполнено в электрогидравлических приводах [1].

Элементный состав и соединения элементов, приведенные на рис. 1, с суммированием моментов пар ЭД каждого канала и суммированием скоростей выходных звеньев Пр. Р каналов позволяет обеспечить требуемую надежность при двух электрических и одном механическом отказе в каждом канале. Рассмотрим варианты реализации функциональной схемы резервированного ЭМП.

В качестве устройств переключения каналов - устройств, осуществляющих включение одного канала и выключение другого, могут быть использованы управляемые электрическое муфты сцепления/расцепления валов или дифференциальные механизмы с устройствами сто-порения валов.

Эти устройства переключения каналов должны обеспечивать:

высокую надежность конструкции;

контроль состояния рабочего и отключенного каналов;

высокую скорость переключения каналов, удовлетворяющую требования ТЗ.

Канал I

Игр

-ЛУУ

!

-шьи-

ДПР

ДПР -

зд

-«и-

-ш

I а

ДОС

Пр.Р

ОУ

Пр.Р

Канал II

ДОС

Рис. 1. Функциональная схема резервированного ЭМП

Анализ схем построения резервированного эмп на основе муфт сцепления/расцепления валов. Управляемые муфты сцепления/расцепления валов содержат две полумуфты: подвижную и неподвижную. Каждая полумуфта содержит элементы сцепления, например, торцевые зубья различного профиля. Для передвижения подвижной полумуфты используют электродвигатель с механической передачей или якорь соленоида электромагнита.

В патенте [2] в резервированном ЭМП использованы для переключения каналов управляемые муфты на основе ЭД с зубчатой цилиндрической передачей. ЭД одной муфты через цилиндрическую передачу вращает гайку ШВП, винт которой жестко связан с подвижной полумуфтой. Винт ШВП перемещается до стыковки с неподвижной полумуфтой, размещенной на общем выходном звене исполнительного механизма. ЭД второй муфты через цилиндрическую передачу вращает гайку ШВП, винт которой жестко связан с подвижной полумуфтой, перемещающейся до момента расцепления с неподвижной полумуфтой.

Достоинством резервированного ЭМП с такой муфтой заключается в том, что резервированы все звенья исполнительного механизма, кроме выходного звена, которое по утверждению авторов выполняется с большим запасом надёжности.

Недостатком этого ЭМП являются большие габариты, обусловленные параллельным размещением каналов и электромеханических муфт сцепления/расцепления. Кроме того, ЭМП с такими муфтами не обеспечивает работоспособность при двух электрических отказах.

В исполнительном механизме построенном на основе волновой передачи с промежуточными телами качения (ВПТК) использована электромагнитная муфта [3].

Достоинствами ВПТК являются: соосность входного и выходного валов, многопар-ность зацепления, высокая надежность, большой прямой и обратный КПД [4]. Учитывая эти достоинства электромагнитная муфта установлена между электродвигателем и ВПТК (см. рис.

3), что позволяет размыкать вал электродвигателя, имеющий небольшой крутящий момент, с входным валом ВПТК, обеспечивая компактность, небольшие габаритные размеры исполнительного механизма и отказоустойчивость при электрическом отказе. Однако, при электрическом отказе в одном из каналов резервированного ЭМП, неисправный канал должен тратить энергию на перемещение объекта управления вместе с ВПТК отказавшего канала, работающей в режиме мультипликатора. При этом любой механический отказ в одном из каналов приводит к «заклиниванию» механизма и потери работоспособности.

Рис. 2. ИМ резервированного ЭМП с муфтами на основе электродвигателя и механической передачи

Кроме того, в рассмотренных схемах резервированных ЭМП отсутствует поэлементное резервирование ЭД и ДОС, необходимое для обеспечения стойкости к двойному электрическому отказу.

Для достижения требуемой высокой надежности каждый канал резервированного ЭМП должен быть снабжен вторым ЭД с датчиком положения ротора. Оба ЭД должны быть выполнены бескорпусными и расположены на одном валу. В качестве промежуточного редуктора может быть использована ВПТК, выходное звено которой связано с устройством переключения каналов - электромеханической муфтой.

Рис. 3. Схема ИМ резервированного ЭМП с электромагнитными муфтами: а - продольное сечение одного из каналов ЭМП; б - схема размещения двух ИМ

резервированного ЭМП

При этом все элементы одного канала расположены в общем корпусе [5].

372

Предложенная схема построения резервированного эмп на основе муфт сцепления/расцепления валов. На рис. 4 показана конструкция исполнительного механизма одного канала такого ЭМП.

Для соединения электромеханического привода с объектом управления на катушку включения 22 подается питание. Под действием электромагнитных сил якорь включения 21 и жестко связанная с ним подвижная полумуфта 25 притягиваются к катушке включения 22, вследствие чего вращение с входного вала 18 через зубчатое зацепление передается на подвижную полумуфту 25 и с нее через шлицевое соединение с шариками 26, размещенными в сепараторе 27, на выходной вал 19 электромеханической муфты. При перемещении подвижной полумуфты, сдвигается колесико 30 с осью 31 (см. рис. 4.в), вызывая срабатывание микровыключателя 28, а якорь включения 21 поворачивает эксцентрик 20 на 90 градусов, фиксируя его магнитом в положении, препятствующем продольному перемещению подвижной полумуфты 25, что позволяет передавать момент вращения с входного вала 18 на выходной вал 19 электромеханической муфты без затрат энергии.

28 30 31 29

б в Рис. 4. Конструкция исполнительного механизма резервированного ЭМП с электромеханической муфтой: а - продольный разрез; б - электромагнитная муфта с условно непоказанным корпусом; в - местный вид А

Для отсоединения привода от объекта управления, подается питание на катушку отключения 24 электромеханической муфты, вследствие чего, якорь отключения 23 притягивается к катушке отключения 24, разъединяя входной вал 18 и подвижную полумуфту 25. При перемещении подвижной полумуфты сдвигается колесико 30 с осью 31 (см. рис. 4.в.), вызывая отключение микровыключателя 28, а при достижении крайнего правого положения срабатывание бесконтактного микровыключателя 29, в качестве которого может быть использован индукционный датчик продольных перемещений, а якорь отключения 23 поворачивает эксцентрик 20 на 90 градусов, фиксируя его в положении, препятствующем продольному перемещению подвижной полумуфты 25. В выключенном состоянии электромеханической муфты привод не препятствует перемещению объекта управления, так как жестко связанными с ним остаются только свободно вращающиеся выходной вал 19 с подвижной полумуфтой 25.

Основными функциональными блоками ИМ являются: двигатель, промежуточный редуктор, электромеханическая муфта и датчик обратной связи. Каждый их этих блоков состоит их элементов, интенсивности отказов которых приведены в таблице [6, 7].

а

Таблица интенсивности отказов функциональных элементов

Наименование элемента Обозначение Интенсивность отказов X, 1/ч •10"6

Микросхема с датчиком холла ХХОЛЛА 0,3

Подшипник шариковый ХПШ 0,035

Подшипник роликовый, нагруженный ХПР 0,02

Подшипник шариковый скоростной ХПШС 0,072

Подшипник шариковый линейный ХПШЛ 0,02

Бескорпусной синхронный электродвигатель Ьд 0,576

Зубчатое зацепление Хзц -

Электромагнитная муфта Хэм 5,61

Индукционный датчик продольных перемещений Хдпп 0,08

Потенциометрический датчик Хдп 0,015

При расчете надежности обычно делаются следующие допущения: отказы - события случайные и независимые;

старение элементов в пределах ресурса отсутствует, т.е. закон распределения отказов экспоненциальный;

все элементы системы перед началом работы проверены и исправны; вероятность отказа при экспоненциальном распределении в интервале времени (t, t+Af) зависит только от длины интервала и не зависит от времени предшествующей работы (t) [8].

Так как ВПТК является передачей с многопарным и многорядным зацеплением и при этом каждое из тел качения находится в отдельном гнезде сепаратора, то принимаем, что деформация какого-либо из тел качения не приводит к заклиниванию механизма, а может привести только к увеличению трения и люфта.

Из данного рассуждения следует, что интенсивность отказов механической передачи на основе ВПТК определяется интенсивностью отказов подшипников, обеспечивающих соосность звеньев ВПТК, а интенсивностью отказов кинематических пар «сепаратор с телами качения - жесткое колесо», «сепаратор с телами качения - волнообразователь», при практических расчетах можно пренебречь.

Кроме того, так как зубья полумуфт электромеханический муфты выполнены с большим запасом прочности и при расчетах интенсивностью отказов данного узла можно пренебречь.

На этом основании интенсивность отказов системы, канал которой приведен на рис. 4 определена по формуле:

^ИМ =

АИМ = 0,32 • 10"11

Расчетная величина интенсивности отказов такого ИМ значительно меньше 1 •ÎO-9 1/ч и в соответствии с авиационными правилами АП-25 является невероятным событием. На этом основании при расчете надежности электромеханического привода с таким ИМ надежностью ИМ можно пренебречь аналогично исключению из расчета надежности гидроцилиндра при проведении аналогичных расчетов электрогидравлических приводов [9].

Таким образом, использование поэлементного резервирования электродвигателей и датчиков положения ротора наряду со структурным резервированием исполнительных механизмов в целом, а также расположение электромеханической муфты между выходным звеном двухступенчатой волновой передачи с телами качения и объектом управления обеспечивают: повышение надежности привода;

требуемое время отключения, отказавшего и подключения исправного исполнительного механизма привода за счет времени срабатывания электромеханической муфты;

возможность работать двум двигателям одновременно с половинным моментом; возможность проводить контроль работоспособности каждого исполнительного механизма привода на всех этапах задействования.

Список литературы

1. Алексеенков А.С., Ермаков С.А., Константинов С.В. [и др.]. Системы электрогидравлических рулевых приводов комплексов управления полетом самолетов; под редакцией С.В. Константинова // Минобрнауки России, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина). Санкт-Петербург: Издательство СПбГЭТУ, 2019.

2. Fault-tolerant linear electromechanical actuator US 5,214, 972.

3. Оболенский Ю.Г., Самсонович С.Л., Степанов В.С. Силовой мини-привод подвижной аэродинамической поверхности летательного аппарата. Патент РФ № 2408125. Опубл. 27.12.2010 Бюл. №36.

4. Крылов Н.В., Лалабеков В.И., Огольцов И.И. и др. Электромеханические силовые мини-приводы для «более электрифицированного» самолета; под ред. С.Л. Самсоновича. Н— М.: Изд-во МАИ, 2016. 360 с.

5. Резервированный электромеханический силовой минипривод. Патент РФ № 2 740 466. Опубл.: 14.01.2021. Бюл. № 2.

6.«Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования» ГОСТ 12.1.004-91. М., 1991.

7. Справочник. «Надежность электрорадиоизделий» [Электронный ресурс] URL: https://areliabilitv.com/wp-content/uploads/2018/08/Intensivnost-otkazov-elektroradioizdelij.pdf (дата обращения: 14.11.2021).

8. Константинов С.В., Редько П.Г., Ермаков С.А. Электрогидравлические рулевые приводы систем управления полетом маневренных самолетов: учебное пособие. М.: Издательство «Янус-К», 2006. 316 с.

9. Ермаков С.А., Карев В.И., Митриченко А.Н., Селиванов А.М., Сухоруков Р.В. Системы рулевых приводов пассажирских самолётов, их развитие и обеспечение безотказности управления // Вестник Московского авиационного института. 2010. Т. 17. № 3. С. 18-29.

Абдулин Рашид Раисович, канд. техн. наук, главный конструктор, abdulin@mnpkl.ru, Россия, Москва, АО МНПК «Авионика»,

Большаков Вадим Владимирович, ведущий инженер-конструктор, bol-shakov.blumey@yandexl.ru, Россия, Москва, АО МНПК «Авионика»,

Оболенский Юрий Геннадьевич, д-р техн. наук, профессор, v.obolensky@rsk-mig.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Подшибнев Владимир Александрович, аспирант, podshibneff@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Рожнин Николай Борисович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, rozhin@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт,

Самсонович Семен Львович, д-р техн. наук, профессор, samsonovich40@,mail. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт

DEVELOPMENT OF A FAIL-SAFE EXECUTIVE MECHANISM OF A REDUNDANT ELECTROMECHANICAL DRIVE BASED ON ELECTROMECHANICAL COUPLINGS

R.R. Abdulin, V.V. Bolshakov, Yu.G. Obolensky, V.A. Podshibnev, N.B. Rozhnin, S.L. Samsonovich

The work is devoted to the topical topic of the development of a redundant electromechanical drive, an actuator that has high reliability due to the introduction of redundant elements. Requirements for the scheme and design of electromechanical couplings are formulated. A synthesis of new technical solutions has been carried out to meet the requirements for reliability and overall dimensions.

Key words: redundant electromechanical drive, actuator, electromechanical clutch.

Abdulin Rashid Raisovich, candidate of technical sciences, chief designer, abdulin@mnpkl.ru, Russia, Moscow, MNPKAvionika JSC,

Bolshakov Vadim Vladimirovich, leading design engineer, bol-shakov.blumey@yandexl.ru, Russia, Moscow, JSC MNPK Avionika,

Obolensky Yuri Gennadievich, doctor of technical sciences, professor, y.obolensky@rsk-mig.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,

Podshibnev Vladimir Alexandrovich, postgraduate, podshibneff@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,

Rozhnin Nikolay Borisovich, candidate of technical sciences, Senior Researcher, rozhin@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,

Samsonovich Semyon Lvovich, doctor of technical sciences, professor, samsono-vich40@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute

УДК 629.7.05

DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-376-387

РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ РЕЗЕРВИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

С.Л. Самсонович, Н.Б. Рожнин, А.П. Ларин, М.А. Макарин, Ю.Г. Оболенский, Р.Р. Абдулин, В.В. Большаков, В.А. Подшибнев, А.С. Зудилин

В статье рассматривается работа двух вариантов резервированного электромеханического рулевого привода, один из которых содержит муфты сцепления и расцепления выходных звеньев исполнительных механизмов привода с рулевой аэродинамической поверхностью, а второй построен на основе использования в качестве выходного звена привода дифференциальной волновой передачи с телами качения. В результате имитационного моделирования установлено, что оба варианта резервирования привода обеспечивают требуемые статические и динамические характеристики в штатных режимах и после возникновения, как минимум, одного «электрического» и одного «механического» отказа. Показано, что количество выдерживаемых отказов может быть большим и оно зависит от последовательности их возникновения.

Ключевые слова: резервированный электромеханический привод, муфта сцепления, дифференциальная волновая передача, имитационное моделирование

Современные высокие требования по безопасности полёта летательных аппаратов (ЛА) обуславливают использование структурного и элементного резервирования приводных систем [1, 2]. Особенно актуальной эта задача стала при реализации концепции перехода от электрогидравлических к электромеханическим приводам (ЭМП). Эта концепция обусловлена стремлением к уменьшению массогабаритных показателей, стоимости изготовления и к упрощению обслуживания при обеспечении надёжности и ресурса не хуже, чем у существующих электрогидравлических приводов.

В работе [3] подробно проанализированы различные структуры резервированных ЭМП и выбраны два варианта. Один построен на основе муфты сцепления и расцепления выходного вращательного звена ЭМП с аэродинамической поверхностью [4], а второй - на основе использования в качестве выходного звена ЭМП дифференциальной волновой передачи с телами качения [5]. Дальнейшие пути отработки вопросов надёжности этих схем резервированных ЭМП и алгоритмов их работы заключаются в макетировании и параллельном составлении математических моделей и последующем имитационном моделировании штатных режимов работы и отказных ситуаций.

Настоящая статья посвящена разработке математических моделей двух вариантов структурного резервирования ЭМП, предложенных в [4, 5], и исследованию их работы в системе управления летательного аппарата в штатных режимах и при возникновении отказов путём проведения имитационных экспериментов на моделях

Функциональный состав резервированных ЭМП и блок схема математической модели. В обоих случаях рассматривается рулевой следящий ЭМП вращательного типа, для которого заданы требуемые статические и динамические характеристики и показатели надёжности, а также, характеристики нагрузки (аэродинамической поверхности): момент инерции; коэффициент шарнирного момента; коэффициент вязкого трения.