Надежность и дублирование гидросистем

Как уже указывалось ранее, на вертолетах с взлетным весом свыше 4—5 т полет без гидроусилителей невозможен. Поэтому вопросы надеж­ности как гидросистемы, питающей гидроусилители, так и самих гидро­усилителей являются вопросами первостепенной важности.

Накопленный опыт проектирования и эксплуатации таких систем позволяет дать некоторые рекомендации, учитывающие специфические особенности работы вертолетных гидросистем.

В отличие от самолетов гидронасосы вертолетных гидросистем уста­навливаются не на двигателях, а на главном редукторе несущего винта. Поэтому отказы двигателей не приводят к отказу гидронасосов, т. е. на режиме самовращения несущего винта гидронасосы работают с нор­мальной производительностью. Следовательно, в отличие от самолетной гидросистемы, где, кроме второй дублирующей системы, обычно уста­навливается третья, насос которой питается от источников энергии, Не — связанных с работой двигателей, на вертолете такая система не нужна.

Зато надежность второй дублирующей системы не должна вызывать никаких опасений.

Остановимся кратко на параллельном и последовательном спосо­бах дублирования гидросистем и гидроусилителей. В отечественной и зарубежной практике на вертолетах применяются как те, так и другие способы дублирования. ‘

При параллельном дублировании гидроусилителя полости его сило­вого цилиндра работают параллельно от двух гидросистем. Его распре­делительные золотники, кинематически связанные между собой и пере[27] мещающиеся одновременно, имеют специальное устройство, либо при-

Рис. 3. 57. Дублирование золотников гидроусилителей: а—золотник с гидравлической муфтой; б—золотник с гильзой: 1—гидравлическая муфта, обеспечивающая при выключении давления перемещение ручки управления при заклинившем золотнике 2; 2—золотник; 3—специальная гильза золотника, рабо­тающая как распределительный золотник при заклинении золотника 2; 4—пружина гильзы золотника ‘

нудительно отключающее неисправный золотник при его заклинивании: (рис. 3.57, а), либо допускающее возможность перемещения заклинен­ного золотника вместе с его гильзой путем обжатия пружины специаль­ного устройства (см. рис. 3.57,6). Для определения того, какой из зо­лотников заклинило, летчику в первом случае необходимо наугад пооче­редно выключать системы, а во втором — мириться в каком-либо одном виде управления с повышенным усилием на ручке, несоразмеренным по градиенту усилий с другим видом управления, что будет затруднять пилотирование *. *

Надо отметить, что при параллельной работе двух золотников в два раза возрастает трение, возникающее при их перемещении, что, осо­бенно в мощных гидроусилителях, отрицательно сказывается на управ­лении. В этом случае путем усложнения конструкции приходится при­менять двухкаскадные распределительные золотниковые устройства (см. рис. 3.42).

Таким образом, при параллельной работе дублированных гидро­усилителей необходимо разными путями обеспечить плавную работу одновременно работающих золотников, ликвидировать возможность их заклинивания и неравномерной работы, а если это не осуществимо, то давать летчику возможность выключать тот или иной золотник вместе с соответствующей системой.

При параллельном дублировании гидроусилителей в самолетных системах в случае отказа одной из гидросистем обычно допускают неко­торое уменьшение скоростей перекладки органов управления. В резуль­тате этого размеры гидроусилителей несколько сокращаются, что при­водит к уменьшению веса гидроусилителей и всей гидросистемы. В от-

личие от этого недопустимо уменьшение скоростей перекладки управле­ния на вертолетах, поэтому при параллельном способе дублирования каждую полость силового цилиндра гидроусилителя надо делать полно­размерной.

Преимуществом параллельного способа дублирования перед после­довательным является отсутствие автомата переключения одной системы на другую. Однако при этом происходит одновременная загрузка рабо­чим давлением агрегатов и трубопроводов обеих систем, что приводит к снижению надежности гидросистемы в целом, так как отказы в рав­ной степени могут произойти как в основной, так и в дублирующей системах.

При последовательном дублировании рабочим давлением нагру­жены агрегаты и трубопроводы лишь основной системы, а агрегаты и трубопроводы дублирующей получают нагрузку только с момента отказа (или отключения) основной системы. Это обстоятельство обеспе­чивает высокую надежность гидросистемы и позволяет не применять третью аварийную систему, как это обычно делают при параллельном способе дублирования. Для надежного включения дублирующей системы в работу автоматы переключения систем должны быть также задубли­рованы. Такая система (см. гл. IV) обеспечивает дублированное пита­ние гидроусилителей.

На вертолетах среднего класса типа Ми-4 или Ми-8 гидроусилители, по мнению авторов, целесообразно дублировать только по питающей магистрали. В этом случае полости силового цилиндра и плоский золотник гидроусилителя делаются недублиро­ванными, а специальные задублированные клапаны переключения, расположенные в гидроусилителе, обеспечивают перевод его работы на дублирующую систему питания при отказе основной.

На более тяжелых вертолетах типа Ми-6 целесообразно производить полное дуб­лирование всех элементов гидроусилителя по последовательной схеме. Это объясняет­ся тем, что на таких вертолетах имеют место более высокие рабочие давления и боль­шие диаметры гидроусилителей, что в какой-то степени снижает качества их уплот­нений, а распределительные золотники увеличенных диаметров более чувствительны к перекосам и возможностям их заклинення при каком-либо загрязнении системы.

Упомянутые методы дублирования вертолетных систем предусмат­ривают полное дублирование всех трубопроводов. Статистика показы­вает, что подавляющее большинство отказов основной гидросистемы в эксплуатации происходит из-за выхода из строя трубопроводов. В ре­зультате поперечного изгиба трубок, вызываемого вибрациями фюзе­ляжа (с частотой 10—15 гц), в них могут возникнуть значительные зна­копеременные напряжения и усталостные трещины. Разрушение трубо­проводов обычно происходит в тех случаях, когда собственная частота трубопровода совпадает с частотой возбуждения, когда ниппельные соединения и изгиб трубопроводов выполнены некачественно, или трубо­провод смонтирован под напряжением.

При отсутствии отмеченных недостатков трубопроводы работают достаточно надежно.

К сожалению, производственные отклонения при изготовлении и монтаже трубопроводов в серийном производстве в какой-то степени возможны и с ними приходится считаться. Если рабочие давления не выше 80 кГ/см2, то трубопроводы не чувствительны к некоторым откло­нениям производственного порядка, что подтверждается длительным опытом эксплуатации вертолетов Ми-4, где трубопроводы работают без отказов. В то же время при рабочих давлениях 150—210 кГ/см2 в основ­ном выходят из строя трубопроводы, что понижает надежность и ресурс системы.

Недостаточная надежность трубопроводов в этом случае как раз и объясняется сочетанием периодически возникающих резких пульса­ций давления при работе агрегата ГА77 в системе с насосом постоян­ной производительности и каких-то производственных недостатков.

Рассмотрим подробнее природу напряжений, которые возникают в трубопроводах и агрегатах вертолетных гидросистем.

Кроме постоянной части напряжений, которая обуславливается мак­симальной величиной рабочего давления в гидросистеме и монтажными напряжениями, трубопроводы и агрегаты нагружаются переменными напряжениями, возникающими от ряда причин. Эти переменные напря­жения, действующие с большой частотой и длительные по времени определяют ресурс всей системы. ’

Источниками возникновения указанных напряжений являются:

1. Высокочастотные пульсации давления, вызываемые работой на­сосов. В этом случае частота пульсаций

/=-^- k гцу

где пн — число оборотов насоса в мин;

k — количество зубьев или плунжеров насоса.

Амплитуда указанных пульсаций максимальна на участке системы от насоса^ до фильтра. На рис. 3.58 показано распределение указанных пульсаций в гидросистеме вертолета Ми-б, из которой видно, что фильтр 2 служит как бы демпфером этих пульсаций, величина которых в трубопроводе 3, расположенном после фильтра, очень невелика. Мак­симальные напряжения от этих пульсаций в трубопроводе 1 сг= 0,6 кГ/мм2 (количество циклов — 2,2 • 108 за 1000 час летной эксплуа­тации вертолета).

Снижение амплитуды пульсаций в трубопроводе 1 и фильтре 2, как показывают стендовые испытания, может быть получено путем уста­новки непосредственно на выходе насоса резервуара, содержащего неко­торый небольшой объем жидкости, этот резервуар может быть введен в конструкцию насоса. Размеры и конфигурацию резервуара целесооб­разно определять экспериментальным путем.

2. Вибрации вертолета, вызываемые несущим винтом, имеют

частоту ’

где Пив — число оборотов несущего винта в минуту; z — количество лопастей.

Эти вибрации с частотой порядка 10—15 гц, вызывая поперечный изгиб трубопроводов (относительно их крепления в зоне соединений), также нагружают их переменными усилиями.

Величина напряжений от этой нагрузки по произведенным замерам при установившихся режимах полета невелика и составляет 1 — 1,5 кГ/мм2, увеличиваясь на режимах торможения полета до 4 кГ/мм2. Принимая, что длительность режимов торможения полета составляет с некоторым запасом 5% полного времени полета, можно определить количество циклов для режимов торможения 2,1 • 10 , при общем количестве циклов за 1000 час — 4,2-107.

Во избежание резонанса необходимо, чтобы частоты собственных колебаний трубопроводов не совпадали с частотами указанных выше вибраций.

Частоту собственных колебаний прямолинейного участка трубопро­вода, жестко заделанного по концам в колодках, можно в первом при­ближении, без учета величины давления и скорости течения жидкости, определить по выражению [2]:

3,56 f Elg L2 Gr — Г бж

где. L — расстояние между опорами;

Е — модуль упругости материала трубопровода в кГ/см ;

/ — момент инерции сечения трубы в сж4;

GT и G, к — погонный вес трубопровода и жидкости в кГ/см.

Изогнутый участок трубопровода, как правило, более жесткий и, следовательно, обладает увеличенной относительно прямолинейного участка частотой собственных колебаний. Эта частота зависит от вели­чины радиуса изгиба трубы и ее точное определение практически трудно выполнимо.

Опыт показывает, что для гидросистем большинства вертолетов целесообразно иметь собственные частоты поперечных изгибных коле­баний участков трубопроводов в пределах 80—100 гц. Нижний предел определяется наличием на вертолете относительно низкочастотных виб­раций примерно до 60 гц. Верхний предел определяется возбуждением от газотурбинного двигателя (130 гц и выше). Для получения рекомен­дуемых собственных частот расстояния между колодками крепления трубопроводов не должны превышать для диаметров труб 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 мм соответственно 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 мм.

’ Если на участке трубопровода имеется какой-то переходной штуцер, обратный клапан и т. п., то их необходимо закреплять дополнительно.

Одновременно с этим следует иметь ввиду, что для компенсации температурного расширения трубопроводов на длинных прямолинейных магистралях гидросистемы следует предусматривать специальные из­гибы трубопроводов. Смонтированный таким образом трубопровод на нервом опытном вертолете визуально проверяют в полете на отсутствие резонанса, а на наиболее нагруженных трубопроводах устанавливают тензодатчики и замеряют напряжения.

В процессе ресурных и летных испытаний вводят необходимые из­менения в конфигурацию и крепления трубопроводов, а затем эталони­руют их для последующих монтажей в серийном производстве.

3. Срабатывание автомата разгрузки насоса (для гидросистем с на­сосами постоянной производительности). Пульсация давления в этом случае показана на рис. 3.59. Особенно нагружаются при этом трубо­проводы и агрегаты системы до автомата разгрузки, испытывая перио­дически резкие перепады давления.

На вертолете Ми-6 величина напряжений, обусловленных этими

пульсациями, равна 10—12 кГ/лш2, а количество циклов срабатывания составляет 3-Ю5 циклов за 1000 час эксплуатации вертолета. Специ­ально проведенными стендовыми виброиспытаниями образцов трубо­проводов с наработкой 107 циклов установлено, что при рабочих давле­ниях до 210 кГ/см2 трубопроводы с внутренним диаметром от 4 до 18 мм из нержавеющей стали марки Х18Н10Т имеют предел усталости, равный

15 кГ/мм2. При этом разрушение обычно происходит в зоне соеди­нений трубопроводов.

Рассмотренные ранее высокочастотные переменные напряжения, возникающие в трубопроводах гидросистемы, по своей величине не пре­вышают этого значения и безопасны. Исключение составляет сочетание

Р и Г/см2 Рис. 3.59. График пульсации давления в гидросистеме с насосами постоянной производительности и автоматом разгрузки ГА77Н:

——— до ГА77Н,

——— после ГА77Н

пульсаций в трубопроводах / (см. рис. 3.58) с ударными нагрузками, возникающими там же от срабатывания автомата разгрузки, что огра­ничивает ресурс этого участка трубопроводов.

Проведенные стендовые испытания и опыт летной эксплуатации по­казывают, что для стальных трубопроводов и гибких шлангов при пуль­сациях давления от 0 до 150 кГ/см2 с одновременно действующими высо­кочастотными пульсациями от насосов и изгибными напряжениями от вибраций вертолета их ресурс составляет около 500 час для шлангов и около 300 час для трубопроводов.

Нагружение элементов гидросистемы может происходить и по дру­гим причинам. “

Реальные жидкости, используемые в гидросистемах, обладают сжи­маемостью, трубопроводы имеют конечную жесткость. Эти обстоятель­ства обуславливают существование в реальной гидросистеме явлений, связанных с конечной скоростью распространения по ней возмущений давления и скорости жидкости.

Эти явления называются волновыми процессами. Результатом вол­новых процессов могут явиться резкие перепады давления не только во времени, но и по длине трубопроводов, что может привести к значи­тельным ударным нагрузкам на элементы гидросистемы, приводящим к их разрушению из-за превышения предела статической прочности.

Теория волновых явлений в трубопроводах гидросистем (ее назы­вают также теорией гидравлического удара) тесно примыкает к акустике и теории переходных процессов в электрических цепях.

Переходные процессы в однородных трубопроводах для идеальной упругой жидкости (без внутреннего трения) описываются следующими дифференциальными уравнениями, полученными Н. Е. Жуковским [14]:

Здесь р — давление жидкости в трубопроводе;

V — скорость жидкости в трубопроводе; х — координата вдоль оси трубопровода; ро — плотность жидкости при атмосферном давлении; с — скорость распространения волны упругих возмущений в тру­бопроводе с жидкостью.

Величина с =

где k — объемный модуль упругости жидкости;

Е — модуль упругости материала трубопровода;

6— толщина стенки трубопровода;

d — внутренний диаметр трубопровода.

Общее решение системы (3. 11) имеет вид:

р—pQ = w[<p(x—ct) +ф(х+с^)]; (3.9)

V—Vo = <f(x—ct) +y(x+ct)’. (3.10)

Здесь ро и Vq — начальные значения р и V. Величина w является коэффициентом пропорциональности между изменением скорости и дав­ления, так как р—pQ = w(V—Vo) называется волновым сопротивлением трубопровода по аналогии с электрическими цепями (если давление считать аналогом напряжения, а скорость — аналогом тока). Волновое сопротивление определяется зависимостью W = CQ0.

Выясним физический смысл уравнения (3.10). Предположим, что со стороны левого края трубы (см. рис. 3.60) к ней подключен насос, в результате работы которого скорость жидкости в сечении л; = 0 изме­няется во времени по закону, показанному на рис. 3.60, б. Функция ф(х—ct) в этом случае выражает собой процесс распространения вдоль трубы указанного возмущения скорости. Это возмущение называется прямой волной. Текущие значения возмущения скорости перемещаются со скоростью с в положительном направлении оси х. Отметим, что форма функции ф(х—ct) в решении является произвольной. Она определяется граничными условиями, в данном случае—формой возмущения скоро­сти от насоса. Решение системы уравнений (3.8) содержит еще один член — функцию ф(х + с^). Физически он выражает собой наличие дру­гой волны, имеющей другую произвольную форму и перемещающейся со скоростью с в отрицательном направлении оси х (см. рис. 3.60, я). Таким образом, функция ty(x + ct) характеризует обратную волну. Обратная волна возникает, например, при отражении прямой волны от любого участка неоднородности трубы. Этим участком может быть ко^ нец трубы, заглушенный или открытый в атмосферу или соединенный

с замкнутым объемом, изменение сечения трубопровода, наличие исполнительного механизма или управляющего органа и т. п. Форма функции Ц)(x+ct) в этом случае определяется граничными условиями, задающими закон, по которому происходит отражение прямой волны от данного участка неоднородности (см. рис. 3.60, г).

Рис. 3. 60. Распространение волн в однородном трубопроводе: а—прямая бегущая волна; б—возмущение скорости в сечении *=“0; в—обратная бегущая волна; г—возмущение скорости в сечении л*»а’3; д—стоячая волна

Обратная волна, отражаясь от неоднородности в сечении х = 0у вновь создает прямую волну, и процесс продолжается длительное время. На­личие трения в жидкости, не учтенного уравнениями (3.8), приводит в реальной системе к довольно быстрому затуханию процессов.

В соответствии с уравнением (3.9) одновременно с изменениями скорости происходят аналогичные изменения давления.

Для теоретического определения изменений скорости и давления в трубопроводе необходимо решить уравнения (3.9) и (3.10) сов­местно с упомянутыми граничными условиями и начальными условиями, определяющими давление и скорость в различных частях системы в на­чальный момент времени.

Не останавливаясь на достаточно сложной методике такого расчета приведем в качестве иллюстрации результаты теоретического опреде­ления картины волнового процесса (без учета вязкости жидкости) в до­вольно простом случае гидросистемы, разобранном в работе [27]. На

рис. 3.61 показано изменение относительного давления q=—————- в ги-

Ртк — Ро

дросистеме, состоящей из гидроаккумулятора, поддерживающего дав­ление рГА , соединенного одинаковыми трубопроводами 1 и 2 равной длины с управляющим краном и исполнительным гидромеханизмом. На рис. 3.61, а распределение давлений показано в различные моменты

времени т=0,5; 1; 1,5,… (т=— , где / — длина трубопровода) вдоль

С

гидросистемы; на рис. 3.61,6 показано изменение давления по времени в точках, расположенных посредине трубопроводов 1 и 2.

Интересно рассмотреть случай, когда возмущения давления или скорости носят периодический характер, что, как указывалось выше, всегда сопутствует работе насосов гидросистемы. В этом случае во всех точках гидросистемы давление и скорость течения жидкости будут меняться по гармоническому закону.

Для теоретического анализа процессов в системе при этом исполь­зуется та же система уравнений (3.8), но ее решение ищется в виде суммы гармонических составляющих.

д2Ф д*2

Система уравнений (3.8) может быть представлена в более общей форме волновым уравнением (см., например, [26])

относительно функции двух переменных Ф(х, t), называемой потенциа­лом скорости. Значения скорости и давления определяются как частные производные потенциала:

дФ_ ш дх ‘

дФ

P-Po=Qo-t:■ dt

Теория [3] дает следующее выражение для потенциала скорости Ф(х, t):

Ф(*,0=4-$] ап (sin "”<*±c<>-+sin ~

1

Здесь n = 1, 2, 3,… — целое число;

I — длина трубопровода;

<^n, bn — произвольные постоянные, определяемые гранич­ными и начальными условиями.

Уравнение (3.12) описывает бегущие волны — гармонические волны, перемещающиеся вдоль трубопровода в прямом и обратном на­правлении, подобно тому, как было описано ранее. Возможен и другой вид решения волнового уравнения, эквивалентный виду уравнения (3.12):

Ф (х, t) = V ancos — + — bn sin ^-1 sin — . (3.13)

Jems L І ІЇПС l J l

n= 1

Уравнение (3. 13) описывает так называемые стоячие волны. В частном случае ему может соответствовать решение вида

V — V0 = А0 cos f— — Ь? t) cos —— ■

Выясним физический смысл стоячих волн.

В случае, когда возмущения носят периодический характер, много­кратное отражение прямых и обратных волн от участков неоднородно­сти трубопроводов может привести к тому, что в определенных точках трубопровода они будут складываться и вычитаться таким образом, что фронт возмущения не будет перемещаться вдоль трубопровода (см. рис. 3. 60, д). Точки, в которых достигается наибольшая амплитуда воз­мущений, называются пучностями, точки с нулевой амплитудой — уз­лами.

Нужно отметить, что, с математической точки зрения, уравнения (3. 12) и (3. 13) в равной степени являются решениями уравнения (3. 11) и только граничные условия, куда входит и длина трубопровода, дают ответ, стоячие или бегущие волны будут наблюдаться в действитель­ности.

Наличие стоячих волн давления, вызываемых пульсациями насоса, может привести к возрастанию амплитуд давления по длине трубопро­вода относительно амплитуды давления, выдаваемого насосом.

В связи с большими трудностями аналитического определения распре­деления давлений в гидросистеме при переходных процессах и при перио­дических возмущениях единственным надежным способом исследова­ния гидросистемы является тщательное осциллографирование дав­ления в возможно большем количестве точек при различных режимах работы как на стенде, так и на опытном вертолете.

Аппаратура для записи волновых процессов в гидросистеме должна удовлетво­рять определенным требованиям. В качестве датчиков давления должны применяться тензометрические или специальные мембранные индукционные датчики, способные ра­ботать в диапазоне частот не ниже 800—1000 гц. При врезке датчиков в систему необ­ходимо стремиться к тому, чтобы в минимальной степени нарушить геометрию трубо­проводов. Тройник для подсоединения датчика может явиться местным гидравлическим сопротивлением, которое исказит картину протекания волновых процессов. Для этого желательно применение малогабаритных и миниатюрных датчиков. Более полная ин­формация о волновых процессах была бы получена при использовании датчиков мгно­венной скорости потока жидкости (мгновенного расхода), основанных, например, на принципе термоанемометра. К сожалению, разработка таких датчиков находится пока в зачаточном состоянии.

Усилительная аппаратура должна иметь рабочий диапазон частот от нуля до 1,5—2 кгц с тем, чтобы иметь возможность записывать как постоянные, так и быстро меняющиеся составляющие давления. В качестве регистрирующей аппаратуры может быть применен либо катодный осциллограф с приставкой для фотографирования экрана, либо шлейфовый электромагнитный осциллограф с высокой скоростью протяжки бу­маги (не менее 500 мм/сек). При записи должны использоваться шлейфы с высокой собственной частотой (не менее 1 кгц).

Для повышения надежности гидросистемы, вообще говоря, жела­тельно сокращать длину и количество трубопроводов. Это достигается применением отдельных автономных блоков, объединяющих в себе все гидроагрегаты. В этом случае уменьшается вероятность по­явления производственных дефектов монтажей, так как гидроблок соби­рают отдельно на специализированном заводе и перед установкой на вертолет он проходит специальные стендовые испытания. Из опыта про­ектирования можно рекомендовать определенную классификацию таких гидроблоков.

При проектировании их для легких и в ряде случаев для средних вертолетов целесообразно объединять в гидроблоках все агрегаты гид­росистемы, за исключением гидроусилителей. Такой гидроблок (см рис. 4. 14) обычно устанавливается на приводе главного редуктора несу-

щего винта вертолета в непосредственной близости от гидроусилителя. Это дает возможность сократить длины трубопроводов, питающих гид­роусилители. Объединять в такие гидроблоки также и гидроусилители авторы считают нецелесообразным.

В объединенные гидравлические системы тяжелых вертолетов (см. рис. 4. 13) не должны входить также и насосы, так как вес таких мощ­ных автономных систем достаточно велик и их крепление на приводе редуктора несущего винта практически невыполнимо.

При наличии вынесенных отдельно гидроусилителей, а иногда и гидронасосов можно унифицировать гидроблоки и применять их на разных вертолетах, не создавая уникальной, предназначенной только для одной машины, автономной системы.

До установки на вертолет систем управления, гидравлики и авто­пилота совершенно необходимо провести их совместное испытание в лабораторных условиях на натурном стенде. Испытания должны про­водиться не только на нормальное функционирование системы, но и на определенный ресурс.

Одновременно выполняется детальный анализ полного контура управления (системы «вертолет—летчик», «вертолет—автопилот» и «вертолет с автопилотом—летчик»). Предварительный анализ устойчи­вости и динамических характеристик выполняется расчетным путем.

Для уточнения данных расчета (учета влияния инерции нагрузки, сжимаемости жидкости, нежесткости крепления гидроусилителей и т. д.) выполняется математическое и полунатурное моделирование полного контура с использованием вычислительных машин. Часто оказывается необходимым корректировать ранее выбранные параметры системы в соответствии с требованиями к динамике.