автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Улучшение динамических характеристик рулевого привода летательного аппарата на основе имитационного моделирования

На правах рукописи ГАЛЛЯМОВ Шамиль Рашитович

УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РУЛЕВОГО ПРИВОДА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических паук

1 о ЛЕН 2009

г. Уфа - 2009

003487319

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре прикладной гидромеханики.

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Целищев Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, с.н.с Бажайкин Станислав Георгиевич, Зам. ген. директора по научной работе в области промысловых проблем ГУЛ «ИПТЭР».

Кандидат технических наук Арефьев Константин Валерьевич. Главный инженер ООО «Медстальконструкция»

Ведущая организация: ОАО «Государственный ракетный центр

им. академика В.П. Макеева», г. Миасс

Защита диссертации состоится 25 декабря 2009 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа, ул. К. Маркса, д. 12, УГАТУ, актовый зал учёного совета (1 корпус), тел. (347) 273-77-92, факс. (347) 272-29-18, e-mail: admin@ugatu.ac.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан "23" // 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета " /

доктор технических наук, профессор "^^Т^^ър факиров

Общая характеристика работы Актуальность темы

Усовершенствование летательных аппаратов (ЛА) влечёт за собой повышение требований по надёжности, быстродействию и долговечности рулевых приводов (РП), работающих в жёстких условиях эксплуатации. Научные и производственные организации как за рубежом, так и в отечественной промышленности ведут исследования по совершенствованию РП и устройств, удовлетворяющих условиям их работы на ЛА.

РП ЛА представляет собой набор электрогидравлических и механических устройств, позволяющих с высоким быстродействием (время выхода на режим составляет менее 0.6 с.) и точностью (величина перерегулирования составляет не более 10%) развивать требуемые характеристики. Функционирование РП ЛА происходит в достаточно сложных условиях эксплуатации: воздействие вибрационных нагрузок, резкие воздействия при отстыковке ступеней ракеты, нелинейные характеристики сил трения тяг и качалок и сил инерции поворотного управляющего сопла с постоянно изменяющимся шарнирным моментом, сложные климатические условия и проблемы длительного хранения.

Максимально возможные тактико-технические характеристики беспилотных ЛА достигаются, в том числе, благодаря многочисленным конструкторским и исследовательским работам, к которым можно отнести проведение стендовых испытаний и имитационное моделирование РП. Имитационное моделирование РП с применением современных пакетов математического моделирования и С/Ш-проектирования позволяет снизить временные и финансовые затраты при разработке и последующей доводке РП беспилотных ЛА, исключая метод проб и ошибок. Проведение экспериментальных исследований позволяет выполнить анализ соответствия результатов численного моделирования на адекватность реальному объекту.

В данной работе разработана имитационная модель РП ЛА по результатам обработки и обобщения экспериментальных данных, полученных в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева» и в учебно-научном инновационном центре «Гидропневмоавтоматика» на кафедре прикладной гидромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета.

Цель и задачи работы

Улучшение динамических характеристик рулевого привода летательного аппарата на основе имитационного моделирования.

Задачи

1. Разработка математической модели РП и анализ результатов численного моделирования;

2. Проведение экспериментальных исследований РП и сравнение их результатов с результатами численного моделирования;

3. Апробация исследований и выработка рекомендаций по повышению устойчивости РП при анализе результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований;

4. Разработка методики расчёта с применением имитационной модели РПЛА.

Методы исследования базируются на фундаментальных методах математического моделирования физических процессов, происходящих в РП JIA в процессе эксплуатации, методах статистического анализа экспериментальных характеристик РП и методах вычислительного эксперимента.

Научная новизна основных результатов работы

1. Впервые в математической модели РП JIA со струйным гидравлическим усилителем (СГУ) предложено использовать нелинейную модель люфта в механической передаче и эмпирическую модель гистерезиса характеристики управления электромеханического преобразователя, что позволило повысить достоверность результатов численного моделирования.

2. Впервые была решена обратная задача по влиянию нежёсгкости силовой проводки на изменение гидродинамического момента обратных струй, действующих на струйную трубку, вследствие чего уменьшается зона устойчивости РП. В результате проведённых исследований были получены рекомендации по снижению гидродинамического момента обратной струи.

3. Впервые был определён диапазон изменения коэффициента передачи РП JIA, при котором наблюдается его устойчивая работа. Анализ результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований позволили выявить зону устойчивости РП JIA как функцию от жёсткости силовой проводки и параметров РМ.

Практическая значимость заключается в том, что разработанная методика расчёта РП J1A позволяет исследовать устойчивость, точность и быстродействие с учётом действующих на него эксплуатационных нагрузок. Комплекс прикладных программ, выполненных в математическом пакете, позволяет провести численное исследование имитационной модели рулевого привода и сравнить полученные результаты с экспериментальными данными.

На защиту выносятся

1. Математическая модель РП JIA;

2. Результаты численного исследования имитационной модели привода;

3. Результаты экспериментальных исследований РП JIA;

4. Новая схема струйного гидравлического распределителя (СГР), позволяющая увеличить область устойчивости, за счёт снижения гидродинамического воздействия обратной струи на струйную трубку.

Апробация работы

Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Проблемы современного машиностроения» (г. Уфа 2004 г.), на международной конференции «Глобальный научный потенциал» (г. Тамбов 2006 г.), на Российской научно-технической конференции, посвящённой 80-летию со дня рождения чл.-кор. РАН, профессора P.P. Мавлютова «Мавлютовские чтения» (г. Уфа 2006 г.), на конкурсе молодых специалистов

авиационно-космической отрасли (Москва, 11111 РФ, комитет по развитию авиационно-космической техники, 2008).

Основанием для выполнения работы является план исследований госбюджетной НИР «Исследование теплофизических и гидродинамических процессов и разработка теории перспективных энергонапряженных двигателей и энергетических установок» (2008-2009 гг.), № 01200802934, Государственные контракты № П317 от 28.07.2009 «Разработка методов расчета и совершенствование рулевых приводов ракетных двигателей» и №11934 от 20.08.2009 «Электрогидравлическая система управления регулируемой двигательной установкой твёрдого топлива многократного включения» по направлению «Ракетостроение» федеральной целевой программы «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Публикации

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 16 публикациях, в том числе в 3 статьях в рекомендованных ВАК изданиях.

Структура и объем работы

Во введении отражена актуальность, практическая значимость и научная новизна работы, сформулирована цель и представлено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе представлен анализ опубликованных работ по исследованию РП JIA, методов их расчёта и проектирования.

Рассматриваются опубликованные теоретические исследования и экспериментальные исследования авторов А.И. Баженова, Н.С. Гамынина, С.А. Ермакова, И.С. Шумилова, В.М. Фомичева, В.А. Корнилова, В.В. Малышева, В.А. Полковникова, В.А. Чащина. Анализ результатов исследований позволил доработать линейную математическую модель рулевой машины (РМ), которая используется в РП JIA. На отечественных летательных аппаратах третьего поколения в состав РП входят РМ, разработанные в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева». Разработка и испытания РП на всех этапах, проводимые специалистами ракетного центра, подтвердили, что РМ, отвечающей всем параметрам работы, является струйная гидравлическая рулевая машина (СГРМ) (см. рисунок 1).

Научно-технический обзор исследований по РП И.С. Шумилова, Д.Н. Попова, В.Ф. Казмиренко, В.И. Гониодского, A.C. Кочергина, НГ. Сосновского, М.В. Сиухина, В .Я. Бочарова позволил разработать методику расчёта и методику имитационного моделирования РП JIA. Представленные частотные характеристики РП и зависимости, которые учитывают жёсткость силовой проводки, жёсткость крепления гвдроцилиндра, переменный модуль объёмной упругости рабочей жидкости, позволили доработать линейную математическую модель РП.

На протяжении развития военной авиации колоссальную роль в обеспечении надёжности, долговечности и быстродействия оказали исследования, основанные на инженерных методах. В работах таких авторов, как В.М. Апасенко, P.A. Рухадзе, В.И. Варфоломеев, М.И. Копытов, И.М. Гладков, И.Х. Фархутдинов, представлены различные конструктивные схемы РП, каждая

из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Конструктивные схемыпозв( * ""

В работах учёных кафедры «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета таких авторов, как Э.Г. Гимранов, В.А. Целищев, P.A. Сунарчин, A.B. Месропян, A.M.Русак, а также в трудах зарубежных авторов: М. Nordin, Gutman Per-Olof, Hong-guaiig Li, Guang Meng, F. Ikhouane, J. E. Hurtado, J. Rodellar разработаны нелинейные математические модели электрогидравлических и механических устройств, работающих в жёстких эксплуатационных условиях.

Проведённый аналитический обзор показывает, что зачастую метод проб и ошибок при проектировании РП ЛА является не только одним из самых эффективных методов, но и дорогостоящим методом, а линейные математические модели не адекватно описывают реальный объект, особенно при нагруженном режиме работы РП. Разработанные нелинейные математические модели позволяют приблизить результаты численного моделирования к физическим процессам, которые протекают во время эксплуатации РП JIA. Адекватность нелинейных математических моделей необходимо подтвердить экспериментальными исследованиями.

Во второй главе представлена математическая модель РП. Основным вопросом являлась доработка нелинейной математической модели РП JIA, учитывающей нелинейности, которые значительно влияют на характеристики СГРМ: нелинейная расходно-перепадная характеристика, гистерезис в характеристике управления и люфт в механической передаче. Основные уравнения математической модели имеют вид: а) Зависимость коэффициентов расхода и давления:

0 Цд

Оф

Рисунок 1. Струйная гидравлическая рулевая машина

«(О

'шах

здесь ц - коэффициент расхода, ¡¡-коэффициент давления;

б) Уравнение электрической цепи СГРМ:

здесь Ь - индуктивность обмотай (Гн), Я - сопротивление обмотки (Ом), ;'(/) — функция силы тока, изменение силы тока с течением времени (А), Кпэ - коэффициент противо-ЭДС, / - длина струйной трубки (м), Кос - коэффициент обратной связи (м/В), II - напряжение питания катушки ЭМП (В), а ) - угол поворота якоря ЭМП (рад), уп (/) - перемещение поршня гидравлического цилиндра (Щ) (м);

в) Уравнение динамики движения струйной трубки:

J~a(í)^KJ(t)-be■j¡a(t)-a(t).Kna-/3.i(t)Щn-Mгд(t), (3)

3 - момент инерции (кг ■ м2), Ъе - коэффициент вязкого демпфирования струйной трубки (Н • м • с/рад ), Кта - коэффициент жёсткости магнипюй пружины (Н • м/рад), Кт1 — коэффициент моменшой характеристики (Н-м/А), Р - коэффициент магнигаого гистерезиса (Н/(Ам)), п - эмпирический коэффициент, Мгд (/) - гидродинамический момент офатной струи (Н м);

г) Уравнения баланса расхода через СГРМ: __

2,

1

бнИ

1+2М)ЕШ

' РпЬ

I РП+Р,(е)

ФшСО), г, ¿3(0

л

л

(4)

2 Е, Л

>

1+£&) Щ

2 V Р £ 7 V Р £

шах /| сл^э \ "шах J К сл^

(5)

л

л

2Е2 Л

здесь <2П - номинальный расход на входе РМ (м3/с), - перемещение струйной трубки (м), 2тм - максимальное перемещение струйной трубки (м), Рп — давление питания РМ (Па), Р1 (г), Р2{() - перепад давления в полостях ГЦ РМ (Па), 4эф - эффективная площадь поршня ГЦ (м2), Ж,, й^ - объём правой и левой полостей ГЦ РМ ( м3), 2?, - приведённый модуль объёмной упругости рабочей жидкости (Па); д) Уравнение движения поршня ГЦ СГРМ:

Ап(0

-Чпр.

(6)

л1 ж "" " л

здесь тп - масса поршня ГЦ, - перепад давлений в полостях ГЦ (Па) (разность

давлений Р,(г) и Р2(г)), Ьп -коэффициент вязкого демпфирования поршня (Нс/м),

Яуу - сипа, связывающая шток ГЦ с инерционной нагрузкой (Н) (сила упругости

силовой проводки);

е) Уравнение движения инерционной нагрузки РП:

(?)

здесь тн - масса инерционной нагрузки (кг), _УН(0 ~ перемещение инерционной нагрузки (м), Ьн - коэффициент вязкого демпфирования нагрузки (Нс/м), ^ - позиционная нагрузка РП (Н);

з) Уравнение движения корпуса ГЦ СГРМ:

т,

'ГЦ

dt2

(8)

здесь тщ - масса корпуса Щ (кг), сщ - коэффициент жёсткости крепления корпуса ГЦ (Н/м), ¿гц - коэффициент вязкого демпфирования (Нс/м), ^гц(')~~ перемещение корпуса ГЦ (м);

ж) Уравнения изменения зазора люфта в силовой проводке:

dt

dt

(9)

otherwise

(10)

<Ы0 «МО dt dt dt

здесь уД?) - разница перемещений между штоком ГЦ и инерционной нагрузкой (сучётом жёсткости силовой проводки с, (Н/м)) (м), - зазор люфта (м),

Д -максимальный зазор люфта (м); и) Сила упругости проводки:

'М1_М11 пп , л л у

В РП ЛА в процессе эксплуатации возникают зазоры в механической передаче. Люфт является одним из параметров, ухудшающих характеристики РП по таким критериям, как точность и устойчивость. При исследовании математической модели с

нелинейностью типа «люфт», можно выявить зону фазового запаздывания в частотных характеристиках РП

М,

мм

Рисунок 2. Перемещение ведущего и ведомого звеньев

Рисунок 3. Люфт в механической передаче

Рисупок 4. Зависимость момента М, от угла поворота

Рисунок 5. Управляющая характеристика ЭМП

Для имитации люфта в механической связи между ппоком поршня и инерционной нагрузки в математической модели предлагается использовать логическое условие (9), которое учитывает жёсткость силовой проводки с, и величину вязкого демпфирования поршня ГЦ РМ Ьп. В ходе численного моделирования системы уравнений (1)-(11) были получены качественные переходные процессы перемещения поршня и инерционной нагрузки (рисунок 2) и (рисунок 3).

Присущая практически всем ЭМП электромагнитного типа неоднозначность управляющей (регулировочной) характеристики РМ является основным видом нелинейности, способной оказывать влияние на характеристики РП

Используя доказанное экспериментальными данными (которые были получены в других работах по аналогичной тематике) положение: при перемещении якоря а по крайним положениям характер изменения индукции на каждом из участков

машигаой цепи преобразователя близок к предельной петле намагничивания материала, в уравнении (3) учитывается момент сопротивления Мс, который является функцией от перемещения струйной трубки а и управляющего сигнала г:

Мс =р-г-ая (12)

здесь Р - коэффициент магнитного гистерезиса. В ходе численного моделирования была получена расчётная область Р, которая определяет характеристику управления ЭМП рассматриваемой РМ (рисунок 4) и (рисунок 5).

Для анализа устойчивости РП при численном решении нелинейной математической модели (1)-(11) предлагается использовать коэффициент передачи у, который определяется как отношение амплитуды перемещения поршня РМ Л(уп(г)), к амплитуде перемещения инерционной нагрузки РП Л(ун(/)):

..Ауп(<))

'4Ш

(13)

4 ê

%

j*

я * f

1 щт Г

H

С1

Рисунок 6. Зависимость коэффициента передачи от жёсткости силовой проводки и зазора люфта в механической передаче при 15 Гц

б-

Г 1

1

1 !

A

/ ' i i

i

i

У - r-г-

од ' t£a ' (6 ' M <Ù dj® о} ' ал ' ц> Jjk

Рисунок 7. Зависимость коэффициента передачи от жёсткости силовой проводки и зазора люфта в механической передаче при 18 Гц

В ходе численного моделирования определяется зона устойчивой работы РП в зависимости от жёсткости силовой проводки с, и люфта в механической передачи А. Цри устойчивой работе РП коэффициент передачи находится в пределах от 0.5 до 1.5, что подгвфждается экспериментальными данными. Так, если жёсткость силовой проводки изменяется в диапазоне с, =107-108 Н/м,тозона устойчивости при частоте колебаний / = 15 Гц (частота, при которой наблюдается граница устойчивости РП) наблюдается в диапазоне Д = 0 -1 (максимальная величина зазора люфта составляет 2-Ю^м), а в случае 18 Гц-в диапазоне Д = 0-0.6 (Л = 1.2-10"4м - зона А) (см рисунок б и см. рисунок 7).

В третьей главе был проведён анализ влияния внешних и внутренних факторов на показатели качества динамических характеристик. Здесь рассматривались такие показатели качества динамических характеристик как перерегулирование о, время регулирования Тр, максимальное перемещение инерционной нагрузки уп и

максимальная амплитуда колебаний поршня РМ Нты. Проведённые исследования по влиянию жёсткости силовой проводки с, на динамические характеристики РП позволили получить зависимость изменения величины перерегулирования о и время регулирования при её разных значениях (рисунок 8 и рисунок 9).

Рисунок 8 Зависимость величины перерегулирования от жёсткости силовой проводки

Рисунок 9 Зависимость времени регулирования от жёсткости силовой проводки

Анализ графиков, представленных на рисунке 8 и рисунке 9, показывает, что с изменением жёсткости силовой проводки (с, =104 -106 Н/м) величина перерегулирования уменьшается. При с, <3-104Н/м величина перерегулирования составляет выше 30%, что не допустимо для РП ЛА, К РП ЛА на сегодняшний день предъявляется требование по величине времени регулирования Гр, Гр <0.6-0.7 с.

Анализ показал, что жёсткость силовой проводки ниже, чем 106 Н/м для данного РП не допускается (см. рисунок 9).

Одной из особенностей СГР является сложные физические процессы, которые протекают в струйном каскаде при работе РП. При истечении высокой напорной струи в струйном каскаде (давление на входе в струйную трубку Рс= 7-9 МПа при расходе 2 = 6-7 л/мин, диаметр струйной трубки ¿с = 0.7-1.5мм) возникает эжекция рабочей жидкости, гидродинамическое (г/ц) воздействие обратной струи на струйную трубку. Наличие таких нелинейностей на определённых частотах работы РП (15 Гц — 18 Гц) приводит к автоколебаниям струйной трубки.

м,

Вы

/

• 1'

11 У

/

т I /

• 1

у 1

1

вД)х10-«

7ДЮ »10"* адОнЮ"* «0x10'"

3100 " 10"* ХОО * Ю"4

и» «иг*

1лГ 1

№

V

V

л

^гт

и, град 10"'

Рисунок 10. Гидродинамический

момент обратной струи, действующий на струйную трубку

о 1,00x10'' хахю-1

400Х1Г1

».с

Рисунок 11. Переходный процесс перемещения струйной трубки

Автоколебания струйной трубки возникают вследствие воздействия на неё гидродинамического момента при возвратно-поступательном движении поршня и, особенно, при возникновении автоколебаний в силовой проводке. При исследовании влияния гидродинамического момента на струйную трубку было выполнено имитационное моделирование течения рабочей жидкости в струйном каскаде при помощи пакета Ащя СИГ.

Изменение направления действия гидродинамического момента зависит от знака перепада давлений в полостях ГЦ РМ Рт (/), который в свою очередь может определяться жёсткостью силовой проводки с,. Переходный процесс перемещения струйной трубки г при действии гидродинамического момента и жёсткости силовой проводки с, = 10б Н/м заметно отличается от переходного процесса без учёта действия гидродинамического момента (рисунок 11).

В результате проведённых исследований была получена зависимость изменения гидродинамического момента Мгд(г) от перемещения струйной трубки г(^) (рисунок 10):

0.208 0.208 с^с 0.625

Мгд(г) =

0.004

кга+Ь2 кха + Ь1 0.004

к2а + Ъг

0.625 <|*(/]|

|г(7)| < 0.208

0.208 <р^)|< 0.625 0.625

(14)

Рисунок 12. Струйный каскад с дополнительной гидродинамической коррекцией

Рст=8.5 МПа 2„ = 0.15 кг/с

85 МПа = 0.15 кт/с

Рст = 8.5МПа = 0.108 кг/с

Рисунок 13. Зависимость гидродинамического момента обратной струи и устройства коррекции струйного каскада

М1 - г/д момент корректирующей устройства, М2 - г/д обратной струи

■у«-

В результате проведённых исследований при имитационном моделировании в пакете Апяуя СРХ, была предложена функциональная схема струйного усилителя, доработанная на основе существующего изобретения, которая позволяет компенсировать

гидродинамический момент, действующий на струйную трубку (рисунок 12).

При анализе результатов численного моделирования была получена зависимость гидродинамического момента обратной струи Мь который действует при перемещении Рисунок 14. Коэффициент передачи при

струйной трубки, и зависимость частоте колебания 15 Гц

* - МГд=0, ■ - Мта Ф 0.

гидродинамического момента

коррелирующего устройства М2 (рисунок 13). Выполненный анализ влияния гидродинамического момента на устойчивость рулевого привода, показал, что при отсутствии гидродинамического момента зона устойчивости рулевого привода при частоте колебаний 15 Гц лежит во всём диапазоне изменения жёсткости силовой проводки с, и люфта в механической передаче А. В случае воздействия гидродинамического момента обратной струи на струйную трубку при частоте колебаний 15 Гц устойчивость рулевого привода наблюдается в случае, когда с,<6107Н/м(с<0.45) и 4 = 1.2-10^ м(д = 0.45) (см.рисунок 14).

В четвёртой главе представлены экспериментальные исследования рулевого привода, которые проводились на экспериментальном стенде в лаборатории УНИЦ «Гидропневмоавтоматика».

М- 0ЛМ2 Н1м

9.1Е-0-9ЛВ01 арЕ-о;

В.7Е01

киг-о: ъл-ог Я.1Е-02

т.тг-ог

7,31.02

о

1*ш *ш|

Уникальный автоматизированный

экспериментальный стенд для получения статических и динамических характеристик РП с СГУ был разработан в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В. П. Макеева» и поставлен на кафедру «Прикладная гидромеханика» УГАТУ в рамках инновационного образовательного проекта РФ (рисунок 15). Все экспериментальные исследования проводились Рисунок 15 Экспериментальный стенд по утверждённой программе испытания рулевого привода ведущей организацией. Полученные экспериментальные данные, обработанные по методам статистики, позволили получить статические и динамические характеристики РП.

В ходе исследований статических и динамических характеристик был проведён сравнительный анализ результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований.

Рисунок 16. Значения теоретического и экспериментального значений коэффициента расхода струйного усилителя РП

Рисунок 17 Сравнение с экспериментом АЧХ:

1 - эксперимент, 2 - нелинейная модель, 3-линейная модель

- тсорна ц -■ эксперимент!

На рисунке 16 представлено изменение коэффициента расхода струйного гидроусилителя при ненагруженном режиме работы СГРМ, полученного при имитационном моделировании в пакете Ажув СКХ, и при анализе экспериментальных данных СГРМ. Исследование позволило выявить погрешность расчётов, которая составляет меньше 5%, что послужило основанием для проведения дальнейших исследований влияния на характеристики РП гидродинамического момента обратной струи.

Анализ результатов численного моделирования частотных характеристик показывает, что погрешность результатов численного моделирования составляет меньше 5%. На рисунке 17 показана амплитудная частотная характеристика ненагружешюго РП. Здесь показаны результаты численного моделирования линейной

и нелинейной математической модели. Расхождение результатов численного моделирования линейной математической модели и результатов экспериментальных исследований объясняется тем, что в линейной математической модели не учитываются такие факторы как люфт в силовой проводке и гистерезис в характеристике управления струйного каскада, влияние которых определяет частоту неустойчивой работы и максимальную амплитуду колебаний.

Анализ результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований позволил не только доработать математическую модель РП JIA, но и разработать методику расчёта. Разработанная методика позволяет проектировщику или исследователю использовать разработанную программу и современные методы проведения численного эксперимента для анализа характеристик РП, который позволит сократить временные затраты на проведение расчётов проточной части РМ и расчёты, связанные с проектированием РП.

В программе представлена математическая модель, которая может изменяться пользователем в рамках поставленных целей исследования. Пользователь, не изменяя структуру' языка программирования, может выбирать тип математической модели (линейная или нелинейная), тип получаемых характеристик (статические и динамические), а также выбирать значения некоторых параметров, диапазоны изменения которых были получены при экспериментальных исследованиях.

Основные выводы и результаты

1. На основании анализа опубликованных работ предложена новая математическая модель РП JIA. Для аналюа статических и динамических характеристик РП при нагруженном режиме была разработана нелинейная математическая модель, учитывающая такие нелинейности как люфт в механической передаче, гистерезис характеристики управления и щцродинамический момент обратной струи, что позволило повысить достоверность результатов численного моделирования;

2. Проведённые экспериментальные исследования позволили проверить на адекватность реальному объекту разработанную нелинейную математическую модель. Математическая модель адекватно описывает реальный объект при действии на РП следующих нагрузок: инерционной нагрузки до 90 кг, статической нагрузки до 15000 Н. Погрешность результатов численного моделирования не превышает 5%;

3. Разработана методика расчета РП на основе предложенной имитационной модели. Использование данной методики позволяет разработчикам РП JIA использовать при расчётах пакет прикладных программ в режиме «чёрного ящика» или вносил, дополнительные изменения в математическую модель;

4. Проведённое исследование с помощью численного моделирования в пакете Ansys CFX при доработке математической модели РП позволило разработать схему СГР, позволяющую снизить воздействие обратной струи на струйную трубку. Снижение воздействия образной струи позволило увеличить область устойчивости РП ЛА Были получены рекомендации по основным геометрическим параметрам СГР с

дополнительной щдродинамической коррекцией при перепаде давлений на РМ 7 - 8 МПа и расходе рабочей жидкости 6 - 7 л/мин:

Список основных работ по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Галлямов, Ш. Р. Применение эмпирических зависимостей в математической модели струйной гидравлической рулевой машины/ Ш. Р. Галлямов, Ю. К. Кириллов, А. В. Месропян, В. А. Целшцев // Вестник УГАТУ. - Уфа, 2007. Т.9, №6 (24). - С. 56-66.

2 Галлямов, Ш. Р. Исследование гидравлического рулевого привода летательного аппарата/ III Р. Галлямов, К А. Широкова, В. А. Целшцев, Д В. Целшцев // Вестник УГАТУ. - Уфа, 2008. T.l 1, №2 (29) секция «Машиностроение, щцравпические машины, щпропневмоахрегаты».—С. 66-74.

3. Галлямов, Ш. Р. Численное моделирование потоков в струйно-золотниковом гидроусилителе/ III Р. Галлямов, К. А. Широкова, В. А. Целшцев, Д. В. Целшцев// Вестник УГАТУ. - Уфа, 2008. T.l 1, №2 (29) секция «Машиностроение, гидравлические машины, щдропневмоагрегазы». - С. 55-60.

В других изданиях

4. Галлямов, Ш. Р. Экспериментальные исследования рулевых машин/ ИГР. Галлямов, AB. Месропян II Гццропневмоавгомахика и гидропривод: сб. трудов: в 2 т. Т1. -Ковров, 2006, КГТА.-С. 212-216;

5. Галлямов, Ш. Р. Анализ экспериментальных исследований струйных гидравлических рулевых машин/ III Р. Галлямов, А. В. Месропян, К А. Широкова, В. А. Целшцев// Мавпюговские чтения: Российская научно-техническая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения чл. - кор. РАН, профессора Р. Р. Мавлюгова: сб. трудов. Том4.-Уфа, 2006,УГАТУ.-С. 60-62;

6. Галлямов, III. Р. Вопросы проектирования СГРМ методом иденшфикации/ III Р. Галлямов, А. В. Месропян, К А. Широкова, В. А. Целшцев// Мавлютовские чтения: Российская научно-техническая конференция, посвящённая 80-летию со дня рождения

чл. - кор. РАН, профессора Р. Р. Мавлюгова: сб. трудов. Том 4. - Уфа, 2006, УГАТУ. - С. 30-32;

7. Галлямов, Ш. Р. Использование экспериментальной базы ОАО «ГРЦ им. ВЛ Макеева» при проектировании и численном моделировании исполнительных гидравлических приводов систем управления летательных аппаратов на кафедре

• расстояние от среза струйной трубки до приёмной платы

• диаметр каналов коррекции А иБ

• диаметр струйной камеры

• диаметр струйной трубки

• диаметр приёмных окон

1-1.5 мм;

2-3 мм;

1 -1.5 мм; 1.5-2 мм; 6-8мм;

«Прикладная гидромеханика»/ Ш. Р. Галлямов, А В. Месропян// От мечты к реальности: научно-техническое творчество создателей авиационной и ракетно-космической техники (к 100-легаю со дня рождения С Л Королёва): сб. тезисов докладов. - Уфа, 2006, УГАТУ.

8. Галлямов, Ш. Р. Использование идентификации при проектировании СГРМ/ III Р. Галлямов, К. А. Широкова// Глобальный научный потенциал. Заочная международная конференция: сб. тезисов докладоа - Тамбов, 2006, ТГТУ. - С. 54-56;

9. Галлямов, Ш. Р. Особенности проверки адекватности динамических характеристик струйных гидравлических рулевых машин/ IIL Р. Галлямов// Наука-Производству. НИИТ. -Уфа, 2007. - С. 70-74;

10. Галлямов, Ш. Р. Анализ рабочих процессов в высоконапорном струйном элемегпе с помощью программного комплекса Flowvision/ III Р. Галлямов, В. А. Целшцев// Вопросы теории и расчёта тепловых двигателей. - Уфа, 2008.-С. 104-112;

11. Галлямов, Ш. Р. Об использовании эмпирических зависимостей в математической модели струйной гидравлической рулевой машины/ III Р. Галлямов, П В. ПетровУ Мавшотовские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция посвященная 75-летию УГАТУ: сб. трудов, Том 1. - Уфа, 2007, УГАТУ,-С.84-85;

12. Галлямов, Ш. Р. Концепция проведения вычислительного эксперимента при проектировании авиационной космической техники/ ILL Р. Галлямов, П. В. Петров// Мавлкловские чтения: Всероссийская молодёжная научная конференция посвященная 75-лешю УГАТУ:сб. трудов, Том l.-Уфа, 2007, УГАТУ-С. 109-110;

13. Галлямов, Ш. Р. Численное моделирование струйной гидравлической рулевой машины/ ILL Р. Галлямов, П. В. Петров, К А. Широкова// Наука-Производству. НИИТ, 2007.-С. 60-70;

14. Галлямов, Ш. Р. Исследование влияния нелинейносгей типа «люфт» и «гистерезис» на гидравлический рулевой привод летательного аппарата/ Ш Р. Галлямов, А В. Месропян, В. А. Цеяищев// Сб. трудов, поса 75-легтю УГАТУ и ФАД «Проблемы и перспективы авиационного двигателестроашя», 2007. - С. 32-38;

15. Галлямов, Ш. Р. Применение программного комплекса Flowvision в численном моделировании рулевой машины гидравлического привода летательного аппарата/ ILL Р. Галлямов, П. В. Петров, К А. Широкова// Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2У/С6. статей третьей всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых учёных, 20-23 февраля 2008. -Уфа, 2008: «Издательство «Диалог». - С. 51-53;

16.Галлямов, Ш. Р. Исследование процессов и явлений, протекающих в проточной части струйных усилителей двухкаскадных схем. / III Р. Галлямов, К. А. Широкова, В. А. Целшцев, Д В. ЦелшцеаУ Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2//С6. статей третьей всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых учёных, 20-23 февраля 2008.-Уфа, 2008: «Издательство «Диалог».-С. 32-35.

-С. 21;

Диссертант

ГАЛЛЯМОВ Шамиль Рашитович

УЛУЧШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РУЛЕВОГО ПРИВОДА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.13 - Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 19.11.2009 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0, Усл. кр.- отт.1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 576. ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ 450000, Уфа - центр, ул. К. Маркса,12

Список условных сокращений.

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор РП ЛА.

1.1 Состояние и перспективы развития РП ЛА.

1.2 Анализ конструктивно-компоновочных схем РП.

1.3 Анализ математических моделей электрогидравлических РП.

1.4 Актуальность исследования, цель и задачи работы.

Глава 2. Математическая модель РП с СГРМ.

2.1 Особенности математического моделирования СГРМ.

2.2 Влияние основных нелинейностей ЭГУ на характеристики РМ.

2.3 Нелинейная математическая модель РП.

2.4 Анализ результатов численного моделирования РП.

Глава 3. Повышение качества динамических характеристик системы рулевой привод-орган управления.93 •

3.1 Особенности эксплуатации РП и определение факторов, влияющих на показатели качества работы.

3.2 Имитационное моделирование СГУ в пакете Ansys CFX.Ill

3.3 Влияние жёсткости силовой проводки на характеристики РП.

3.4 Рекомендации по улучшению динамических характеристик РП ЛА.

Глава 4. Экспериментальные исследования РП ЛА.

4.1 Экспериментальный стенд для исследования РП ЛА.

4.2 Исследование влияния инерционной нагрузки и жесткости крепления СГРМ на динамические характеристики РП ЛА.

4.3 Методика расчёта РП с использованием имитационного моделирования.

4.4 Сравнительный анализ результатов численного моделирования и экспериментальных исследований РП ЛА.

Усовершенствование летательных аппаратов (JIA) влечёт за собой повышение требований по надёжности, быстродействию и долговечности рулевых приводов (РП), работающих в жёстких условиях эксплуатации. Научные и производственные организации как за рубежом, так и в отечественной промышленности ведут исследования по совершенствованию РП и устройств, удовлетворяющих условиям их работы на JIA.

РП JIA представляет собой набор электрогидравлических и механических устройств, позволяющих с высоким быстродействием (время выхода на режим составляет менее 0.6 с.) и точностью (величина перерегулирования составляет не более 10%) развивать требуемые характеристики. Функционирование РП J1A происходит в достаточно сложных условиях эксплуатации: воздействие вибрационных нагрузок, резкие воздействия при отстыковке ступеней ракеты, нелинейные характеристики сил трения тяг и качалок и сил инерции поворотного управляющего сопла (ПУС) с постоянно изменяющимся шарнирным моментом, сложные климатические условия и проблемы длительного хранения.

Максимально возможные тактико-технические характеристики беспилотных JIA достигаются, в том числе, благодаря многочисленным конструкторским и исследовательским работам, к которым можно отнести проведение стендовых испытаний и имитационное моделирование РП. Имитационное моделирование РП с применением современных пакетов математического • моделирования и C/iD-проектирования позволяет снизить временные и финансовые затраты при разработке и последующей доводке РП беспилотных JIA, исключая метод проб и ошибок. Проведение экспериментальных исследований позволяет выполнить анализ соответствия результатов численного моделирования на адекватность реальному объекту.

В данной работе разработана имитационная модель РП JIA по результатам обработки и обобщения экспериментальных данных, полученных в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева» и в учебно-научном инновационном центре «Гидропневмоавтоматика» на кафедре прикладной гидромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета.

Цель и задачи работы

Улучшение динамических характеристик рулевого привода летательного аппарата на основе имитационного моделирования.

Задачи

1. Разработка математической модели РП и анализ результатов численного моделирования;

2. Проведение экспериментальных исследований РП и сравнение их результатов с результатами численного моделирования;

3. Апробация исследований и выработка рекомендаций по повышению устойчивости РП при анализе результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований;

4. Разработка методики расчёта с применением имитационной модели РП ЛА.

Методы исследования базируются на фундаментальных методах математического моделирования физических процессов, происходящих в РП JIA в процессе эксплуатации, методах статистического анализа экспериментальных характеристик РП и методах вычислительного эксперимента.

Научная новизна основных результатов работы

Впервые в математической модели РП JIA со струйным гидравлическим усилителем (СГУ) предложено использовать нелинейную модель люфта в механической передаче и эмпирическую модель гистерезиса характеристики управления электромеханического преобразователя, что позволило повысить достоверность результатов численного моделирования.

Впервые была решена обратная задача по влиянию нежёсткости силовой проводки на изменение гидродинамического момента обратных струй, действующих на струйную трубку, вследствие чего уменьшается зона устойчивости РП. В результате проведённых исследований были получены рекомендации по снижению гидродинамического момента обратной струи.

Впервые был определён диапазон изменения коэффициента передачи РП ДА, при котором наблюдается его устойчивая работа. Анализ результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований позволили выявить зону устойчивости РП ДА как функцию от жёсткости силовой проводки и параметров РМ.

Практическая значимость заключается в том, что разработанная методика расчёта РП ЛА позволяет исследовать устойчивость, точность и быстродействие с учётом действующих на него эксплуатационных нагрузок. Комплекс прикладных программ, выполненных в математическом пакете, позволяет провести численное исследование имитационной модели рулевого привода и сравнить полученные результаты с экспериментальными данными. На защиту выносятся

1. Математическая модель РП J1A;

2. Результаты численного исследования имитационной модели РП JIA;

3. Результаты экспериментальных исследований РП JIA;

4. Новая схема струйного гидравлического распределителя (СГР), позволяющая увеличить надёжность и быстродействие РП ЛА за счёт снижения гидродинамического воздействия обратной струи на струйную трубку.

Апробация работы

Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийской молодёжной научнотехнической конференции «Проблемы современного машиностроения» (г. Уфа 2004 г.), на международной конференции «Глобальный научный потенциал» (г. Тамбов 2006 г.), на Российской научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения чл.-кор. РАН, профессора P.P. Мавлютова «Мавлютовские чтения» (г. Уфа 2006 г.), на конкурсе молодых специалистов авиационно-космической отрасли (Москва, ТПП РФ, комитет по развитию авиационно-космической техники, 2008).

Основанием для выполнения работы является план исследований госбюджетной НИР «Исследование теплофизических и гидродинамических процессов и разработка теории перспективных энергонапряженных двигателей и энергетических установок» (2008-2009 гг.), № 01200802934, Государственные контракты № П317 от 28.07.2009 «Разработка методов расчета и совершенствование рулевых приводов ракетных двигателей» и № П934 от 20.08.2009* «Электрогидравлическая система управления регулируемой двигательной установкой твёрдого топлива многократного включения» по направлению «Ракетостроение» федеральной целевой1 программы «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Публикации

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены в 16 публикациях, в том числе в 3 статьях в рекомендованных ВАК изданиях. представлен анализ опубликованных работ по исследованию РП JIA, методов их расчёта и проектирования.

Рассматриваются опубликованные теоретические исследования и экспериментальные исследования авторов А.И: Баженова, Н.С. Гамынина, С.А. Ермакова, И.С. Шумилова, В.М. Фомичёва, В.А. Корнилова,. В.В. Малышева, В.А. Полковникова, В.А. Чащина. Анализ результатов исследований позволил доработать линейную математическую модель РМ, которая используется в РП J1A. На отечественных летательных аппаратах третьего поколения в состав РП входят РМ, разработанные в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В.П. Макеева». Разработка и испытания РП, проведённые специалистами ракетного центра, подтвердили, что РМ, отвечающей всем параметрам работы, является струйная гидравлическая рулевая машина (СГРМ).

Научно-технический обзор исследований по РП И.С. Шумилова, Д.Н. Попова, В.Ф. Казмиренко, В.И. Гониодского, А.С. Кочергина, Н.Г. Сосновского, М.В. Сиухина, В.Я. Бочарова позволил разработать методику расчёта и методику имитационного моделирования РП JIA. Представленные частотные характеристики РП и зависимости, которые учитывают жёсткость силовой проводки, жёсткость крепления гидроцилиндра, переменный модуль объёмной упругости рабочей жидкости, позволили доработать линейную математическую модель РП.

На протяжении развития военной авиации колоссальную роль в обеспечении надёжности, долговечности и .быстродействия оказали исследования, основанные на инженерных методах. В работах таких авторов, как В.М. Апасенко, Р.А. Рухадзе, В.И. Варфоломеев, М.И. Копытов, И.М. Гладков, И.Х. Фархутдинов, представлены различные конструктивные схемы РП, каждая из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Конструктивные схемы позволяют определять кинематическую схему и расчётную схему РП.

В работах учёных кафедры «Прикладная гидромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета таких авторов, как Э.Г. Гимранов, В.А. Целищев, Р.А. Сунарчин, А.В. Месропян, A.M. Русак, а также в трудах зарубежных авторов: М. Nordin, Gutman Per-Olof, Hong-guang Li, Guang Meng, F. Ikhouane, J. E. Hurtado, J. Rodellar разработаны нелинейные математические модели электрогидравлических и механических устройств, работающих в жёстких эксплуатационных условиях.

Проведённый аналитический обзор показывает, что зачастую метод проб и ошибок при проектировании РП JIA является не только одним из самых эффективных методов, но и дорогостоящим методом, а линейные математические модели не адекватно описывают реальный объект, особенно при нагруженном режиме работы РП. Разработанные нелинейные математические модели позволяют приблизить результаты численного моделирования к физическим процессам, которые протекают во время эксплуатации РП JIA.

Во второй главе представлена математическая модель РП JIA. РП с СГРМ, который используется в настоящее время в ракетных двигателях JIA, отвечает всем требованиям по скоростным и силовым характеристикам. При работе РП JIA, включающие в свой состав СГРМ, протекают сложные физические процессы. Так, в струйном каскаде возникают сложные гидродинамические процессы, которые приводят к эжекции рабочей жидкости, к негативному воздействию гидродинамической обратной струи, к гистерезису в характеристике управления «ЭМП — струйная трубка» и др. В механической передаче РП можно выделить такие нелинейности как люфт, сила сухого трения, нежёсткость силовой проводки, которые отрицательно влияют на показатели динамических характеристик (точность, устойчивость и управляемость). Разработанная математическая модель РП JIA при численном моделировании позволяет получать результаты с высокой степенью адекватности реальному объекту.

В третьей главе представлены вопросы повышения качества динамических характеристик РП JIA. С помощью численного моделирования разработанной' математической модели РП' JIA можно выполнить анализ влияния определённых параметров, к которым можно отнести инерционную нагрузку, жёсткость силовой проводки, величину зазора люфта в механической передаче, гистерезис в характеристики управления «ЭМП — струйная трубка» и др. При этом рассматриваются показатели качества динамических характеристик: перерегулирование, время регулирования, время достижения первого максимума и амплитуда колебаний.

Использование современных пакетов Ansys CFX и Solid Works позволяет проводить имитационное моделирование РП, используя при этом метод конечных элементов, основную техническую базу по используемым материалам в современном машиностроении и математическую модель течения несжимаемой жидкости в проточной части СГРМ. Приведены результаты анализа теоретических и экспериментальных исследований и предложена функциональная схема СГРМ, позволяющая уменьшить зону нечувствительности в характеристике управления за счёт снижения гидродинамического воздействия обратной струи на струйную трубку.

В четвёртой главе представлен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований РП JIA. Для проведения экспериментальных исследований в ходе инновационного проекта в результате совместной деятельности УГАТУ и ОАО «ГРЦ им. академика В.П. Макеева» был разработан стенд по исследованию статических и динамических характеристик РП JIA. Стенд позволяет получать данные таких характеристик как расходно-перепадная характеристика СГРМ, перемещение струйной трубки, поршня РМ и инерционной нагрузки в режиме реального времени, а также частотных характеристик при различных условиях работы РП. В результате доработки математической модели погрешность расчётов численного моделирования и экспериментальных исследований составляет не больше 5%, что приемлемо для инженерной методики расчёта РП JIA.

Работа выполнена под руководством д.т.н., профессора В.А. Целищева и к.т.н., доцента А.В. Месропяна. Результаты, изложенные в данной работе и выносимые на защиту, получены лично автором диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

РП JIA постоянно совершенствуются по конструкции и функциональным возможностям. Усовершенствование JIA ведёт за собой повышение требований по надёжности, быстродействию и долговечности РП, находящихся в жёстких условиях эксплуатации. Снижение себестоимости при разработке и последующей доводке до требуемых характеристик РП JIA достигается использованием современных средств автоматизированного проектирования и моделирования, с применением многочисленных исследований по данной тематике. Работа РП происходит в достаточно сложных условиях: воздействие вибрационных нагрузок, резкие воздействия статической нагрузки при отстыковки ступеней ракеты, воздействие сил трения тяг и качалок и сил инерции ПУС с постоянно изменяющимся шарнирным моментом. Поэтому особое внимание, при его проектировании" уделяется проектированию жёсткости силовой проводки, проектированию РМ и проведению испытаний РП с максимально приближенными имитационными условиями эксплуатации. Жёсткость силовой проводки РП значительно влияет на его характеристики.

На сегодняшний день существуют различные методики расчёта и проектирования РП JIA, которые основаны на численном решении линейных и нелинейных уравнений, описывающих различные физические процессы. Необходимо использовать такую методику при расчёте РП, которая позволяет учитывать все возможные явления, протекающие во время эксплуатации РП. Такими явлениями могут являться люфт в механической проводке, зона нечувствительности в характеристике управления, нежёсткость крепления корпуса РМ, нежёсткость силовой проводки РП JIA, гидродинамическое воздействие на подвижные элементы струйного каскада и др.

Для проведения численных экспериментов РП ЛА была разработана математическая модель, которая позволяет проводить численные эксперименты РП на начальном этапе разработки. В отличие от существующих математических моделей в разработанной математической модели РП ЛА дополнительно были учтены нелинейности, которые существенно влияют на его характеристики. К таким нелинейностям относятся люфт в механической передаче, гистерезис в характеристике управления ЭМП СГРМ, зависимость гидродинамического момента обратной струи от перемещения струйной трубки, действующего на струйную трубку СГРМ.

При численном моделировании с помощью разработанной математической модели РП ЛА был выполнен анализ влияния некоторых факторов на показатели качества динамических характеристик, среди которых можно выделить перерегулирование, время регулирования, максимальное перемещение поршня и инерционной нагрузки и др. Исследования показали, что при изменении жёсткости силовой проводки с, =104.106 Н/м величина перерегулирования уменьшается на 50%, а время регулирования tp при жёсткости меньше чем с, = 106 Н/м превышает допустимые значения (tp < 0.6.0.7 с). Следовательно, для рассматриваемого РП ЛА с однокаскадной СГРМ не допускается, чтобы жёсткость силовой проводки была меньше чем с. = 106 Н/м. Анализ результатов численного моделирования выявил значительное влияние эмпирического коэффициента магнитного гистерезиса Р на величину перерегулирования о. Коэффициент р определяет величину ширины петли гистерезиса. Так в случае, когда выполняется условие Р<840Н/(Ам), величина перерегулирования а достигает 100%, что не допустимо для РП ЛА. В результате проведённых исследований было выявлено, что данного РП JIA величина (3 может изменяться в пределах 1500 Н/(Ам) — 2000 НУ(Ам).

При исследовании характеристик РП JIA была решена обратная задача о влиянии нежёсткости силовой проводки РП на изменение физических процессов, протекающих при истечении высоконапорной струи из конусного насадка СГУ. При изменении жёсткости силовой проводки РП возникает пульсация давлений в полостях ГЦ РМ, что приводит к изменению г/д момента, действующего на струйную трубку.

С целью определения г/д момента, который отрицательно влияет на характеристику управления, было выполнено имитационное моделирование СГУ в пакете Ansys CFX. В результате проведённых исследований была получена зависимость изменения г/д момента от перемещения струйной трубки для однокаскадной РМ, а также было проведено исследование по влиянию г/д. момента на струйную трубку на динамические характеристики. Изменение г/д момента обратной струи происходит не пропорционально смещению струйной трубки РМ. При отсутствии г/д воздействия обратной струи на струйную трубку при частоте колебаний 15 Гц наблюдается устойчивая работа РП JIA. В данном случае коэффициент передачи РП составляет меньше 1.5 (у <1.5). В случае г/д воздействия запаздывание инерционной нагрузки относительно поршня ГЦ РМ происходит при значениях сх = 6• 107 Н/м и Л = 1.2 • 10-4 м. С целью снижения г/д момента обратной струи была разработана функциональная схема СГУ, доработанная на основе существующего изобретения, которая позволяет компенсировать г/д момент, действующий на струйную трубку, и уменьшить зону нечувствительности.

В ходе совместной работы сотрудников ОАО «ГРЦ им. В.П. Макеева» и сотрудников кафедры прикладной гидромеханики УГАТУ был разработан экспериментальный стенд для исследования статических и динамических характеристик РП JIA. Экспериментальный стенд позволяет проводить исследовании с имитацией постоянной позиционной нагрузки, которая может изменяться от 0 до 5000 Н и инерционной нагрузки, которая может иметь значения 0, 45 и 90 кг. Разработанная математическая модель РП JIA адекватна реальному объекту, так как погрешность сравнения результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований составляет не больше 5%;

При анализе результатов численного и экспериментального исследований были получены такие характеристики как расходно-перепадная характеристика РМ, характеристика зоны нечувствительности при воздействии на исполнительный механизм позиционной нагрузки и при её отсутствии, характеристика изменения коэффициента расхода при разных положениях струйной трубки, АФЧХ поршня РМ и инерционной нагрузки. Анализ сравнения результатов численного моделирования и результатов экспериментальных исследований позволил разработать методику расчёта РП с однокаскадной СГРМ. Разработанная методика позволяет получить характеристики при расчёте РП на начальном этапе проектирования. Разработчик может по выбору использовать разработанную математическую модель РП JIA: использовать её как чёрный ящик не изменяя структуру или вносить некоторые изменения при численном исследовании РП ЛА. Так, существует возможность вносить изменения в расходно-перепадную характеристику РМ, изменять используемые эмпирические коэффициенты, менять режим нагружения РП ЛА.

1. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release И.О.© 1996-2006 AN SYS Europe, Ltd.;

2. F. Ikhonane, J. E. Hurtado, J. Rode liar. On the Hysteretic Bouc—Wen Model. Nonlinear Dynamics 42: 63—78, 2005;

3. F. Ikhouane, J. E. Hurtado, J. Rodellar. Variation of the hysteresis loop with the Bouc—Wen model parameters. Nonlinear Dyn 48:361—380,.2007;

4. Hong-guang Li, Guang Meng. Nonlinear dynamics of a SDOF oscillator with Bouc—Wen hysteresis. 2006 Elsevier Science Ltd: Chaos, Solitons and Fractals 337—343, 2002 (www.elsevier.com/locate/automatica);

5. M. Nordin, Per-Olof Gutman. Controlling mechanical systems with backlasha survey, wvw.elsevier.com/locate/automatica. 2002 r;

6. Nordin M., Gutman Per-Olof Controlling mechanical systems with backlasha survey. 2002 Elsevier Science Ltd: Automatica 1633 — 1649, 2002 (www. elsevier. com/locate/automatica);

7. R. V. Lapshin, "Analytical model for the approximation of hysteresis loop and its application to th'e scanning tunneling microscope", Review of Scientific Instruments, volume 66, number 9,pages 4718-4730, 1995;

8. Solid Works Flow Simulation 2009. Technical Reference, 2009.

9. Forsythe, G.E.; Malcolm, M.A.; and Moler, C.B. Computer Methods for Mathematical Computations. New Jersey: Prentice Hall, 1977;

10. Абаринова И.А., Пильгунов B.H. Испытания гидравлических устройств автоматики и приводов. М.; МГТУ, 1990г. п.л.;

11. Автоматизированное проектирование следящих приводов и их элементов/ Под ред. В.Ф. Казмиренко/ Энергоатомиздат,1984;

12. Андреев А.Б. Использование первичных элементов пакета ADAMS для создания виртуальных моделей механических систем и механизмов.

13. Часть I Метод, указан, для пользователей по КНИРС. 5,2 п.л. 2000г. М. МГТУ-ОАО Туполев;

14. Апасенко В.М., Рухадзе Р.А. Морские ракетно-ядерные системы вооружения (прошлое, настоящее, будущее). — М.: Муниципальное образование «Выхино-Жулебино», 2003.- 328 е.;

15. Бадягин А.А., Егер С.М., Мишин В.Ф., Склянский Ф.И., Фомин A.M. «Машиностроение», 1972, стр. 516;

16. Баженов А.И. Рулевые гидроприводы со струйно-дроссельным регулированием: Учебное пособие, Москва, МАИ, 2002;

17. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления/ В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. М.: «Профессия», 2004, 747 е.;

18. Боровин Т.К., Попов Д.Н., Хван B.JL Математическое моделирование и оптимизация гидросистем. М.; МГТУ, 1995г.; 5,25 п.л.;

19. Бочаров В .Я., Шумилов И.С. Системы управления самолётов. Энциклопедия «Машиностроение». — М.: Машиностроение, 2004 г. Том IV-21. Книга 2;

20. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — 544 е.;

21. Варфоломеев В.И., Копытов М.И. Проектирование и испытания баллистических ракет. — М.: Воениздат, 1969. — 491 е.;

22. Веденский В.А., Казмиренко В.Ф., Лесков А.Г. Системы следящих приводов. Монография. М.: Энергоатомиздат, 1993 г. 18 п.л.;

23. Власов К.П. Теория автоматического управления/ К.П. Власов, А.С. Анашкин. С.-Сб.: Санкт-Петербургский горный институт, 2003, 103 е.;

24. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. М. — JL: Энергия, 1965, 4.1,423 е., 1966, 4.2, 372 е., 1970, Ч.З, 328 е.;

25. Волков В.Т., Ягодников Д.А. Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей на твёрдом топливе. — М.: Изд.- во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 296 е.: ил.;

26. Высокоточные системы управления и приводы для вооружения и военной техники/ Под ред. СолунинаВ.Л. Изд-во МГТУ. М.1999. Гурский Б.Г., Казмиренко В.Ф., Лавров А.А. и др.;

27. Галлямов Ш.Р. Особенности проверки адекватности динамических характеристик струйных гидравлических рулевых машин. / Галлямов Ш.Р. // Наука-Производству. НИИТ. г. Уфа, 2007 г. С. 70-74.;

28. Галлямов Ш.Р., Месропян А.В. Математическое моделированиедвухкаскадного электрогидроусилителя / Галлямов Ш.Р., Месропян

29. А.В. // Проблемы современного машиностроения: Тезисы докладов всероссийской молодёжной научно-технической конференции 22-23 декабря 2004 г.- Уфа: УГАТУ, 2004. 180с. С.38;

30. Галлямов Ш.Р., Месропян А.В. Экспериментальные исследования рулевых машин / Галлямов Ш.Р., Месропян А.В. // Гидропневмоавтоматика и гидропривод. -2005 г: сборник научных трудов: в 2 т. Т1 .-Ковров: КГТА, 2006. -326 с. С. 212;

31. Галлямов Ш.Р., Петров П.В., Широкова К.А. Численное моделирование струйной гидравлической рулевой машины. / Галлямов Ш.Р., Петров П.В., Широкова К.А. // Наука-Производству. НИИТ, 2007 г. С. 60-70.;

32. Галлямов Ш.Р., Целищев В.А. Анализ рабочих процессов в высоконапорном струйном элементе с помощью программного комплекса FLOWVISION. / Галлямов Ш.Р., Целищев В.А. // Вопросы теории и расчёта тепловых двигателей, г. Уфа, 2008 г. с. 104-112.;

33. Галлямов Ш.Р., Широкова К.А. Использование идентификации при проектировании СГРМ. / Галлямов Ш.Р., Широкова К.А. // Глобальный научный потенциал. Заочная международная конференция: сб. тезисов докладов. Тамбов: ТГТУ; 2006. — 54 с.-56 е.;

34. Галлямов Ш.Р., Широкова К.А., Целищев В.А., Целищев Д.В. Исследование гидравлического рулевого привода летательного аппарата/ Галлямов Ш.Р., Широкова К.А., Целищев В.А., Целищев Д.В. // Вестник УГАТУ, Т.11, №2 (29) г. Уфа, 2008 г., стр. 56-74.;

35. Галлямов Ш.Р., Широкова К.А., Целищев В.А., Целищев Д.В. Численное моделирование потоков в струйно-золотниковом гидроусилителе/ Галлямов Ш.Р., Широкова К.А., Целищев В.А., Целищев Д.В.// Вестник УГАТУ, Т.11, №2 (29) г. Уфа, 2008 г., стр. 5560;

36. Гамынин, Н.С. Динамика быстродействующего гидравлического привода: Н.С. Гамынин, Ю. К. Жданов, A.JI. Климашин.— М. : Машиностроение, 1979 .— 80с.;

37. Гидравлические приводы летательных аппаратов./ Н.С. Гамынин, В.И. Карев, A.M. Потапов, A.M. Селиванов — М.: Машиностроение, 1992, 368 е.;

38. Гимранов Э.Г., Русак A.M., Целищев В.А. Электрогидравлический следящий привод: Учебное пособие. Уфа: изд. Уфимского государственного авиационного технического университета, 1984. - 92 е.;

39. Гладков И.М., Лалабеков В.И., Мухаммедов B.C., Шмачков Е.А. Массовые характеристики исполнительных устройств систем управления баллистических твёрдотопливных ракет и космических летательных аппаратов. М.: НТЦ «Информатика», 1996. — 168 е.;

40. Гониодский В.И., Кочергин А.С., Шумилов И.С. Системы управления рулями самолета. Ч. 1. Структура систем управления рулями самолетов. М.; МГТУ, 1992г. 3,0 пл.;

41. Гониодский В.И., Склянский Ф.И., Шумилов И.С. Привод рулевых поверхностей самолётов.- М., Машиностроение, 1974. — 317 е.;

42. Гониодский В.И., Шумилов И.С. Характеристики гидромеханических систем управления современными самолетами. Учебное пособие по курсу "Гидромеханические системы управления самолетом". 2,25 п.л., изд-во МГТУ, 1999 г.;

43. Гребёнкин В.И., Кузнецов Н.П., Черепов В.И. Силовые характеристики маршевых твёрдотопливных двигательных установок и двигателей специального назначения. Ижевск: Изд.-во ИжГТУ, 2003. - 356 е.;

44. Густомясов А.Н., Маландин ПО. Построение диагностических моделей гидроприводов. Методические указания. М. МГТУ, 1993 г. 1,5 п.л.;

45. Дьяконов В.П. Maple 9 в математике, физике и образовании. М.: СОЛОН-Пресс. 2004. 688 стр.;

46. Ермаков С.А., Карев В.И., Селиванов A.M. Проектирование корректирующих устройств и электрогидравлических усилителей следящих гидроприводов ДА: Учебное пособие, Москва, МАИ, 1990;

47. Ермаков С.А., Константинов С.В., Редько П.Г. Резервирование систем рулевых приводов летательных аппаратов: Учебное пособие, Москва, МАИ, 2002;

48. Ерохин Б.Т. Теоретические основы проектирования РДТТ. — Машиностроение, 1982. — 206 е.;

49. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1973. 606с.;

50. Испытания жидкостных ракетных двигателей. Под ред. В.З. Левина. — М.: Машиностроение, 1981. 199 е.;

51. Исследование ракетных двигателей на жидком топливе. Под ред. В.А. Ильинского. М.: Машиностроение, 1985. — 208 е.;

52. Казмиренко В.Ф., Ковальчук А. К. Электрические машины и преобразователи сигналов для автоматизированных гидроприводов. Учебное пособие. М.: Радио и связь., 1998г, 5 п.л.;

53. Карпенко А.В., Уткин А.Ф., Попов А.Д. Отечественные стратегические ракетные комплексы. — СПб.: Невский бастион Гангут, 1999. - 288 е.;

54. Конструкция и отработка РДТТ/ A.M. Винницкий, В.Т. Волков, С.В. Холодилов; Под ред. A.M. Винницкого. М.: Машиностроение, 1980. -230 е.;

55. Конструкция ракетных двигателей на твёрдом топливе. Под общ. ред. чл. корр. Российской академии наук, д-ра технических наук, проф. JI.H. Лаврова-М.: Машиностроение, 1993. — 215 е.;

56. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. — М.: Энергия, 1973. -400 е.;

57. Корнилов В.А. Газовые исполнительные устройства. Основы автоматики и привода летательных аппаратов: Учебное пособие, Москва, МАИ, 1991;

58. Корнилов В.А. Основы автоматики и привода летательных аппаратов: Учебное пособие, Москва, МАИ, 1991;

59. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н. Управление и стабилизация в аэродинамике: Учеб. пособие для втузов/Под ред. Н.Ф. Краснова. — М.: Высш. Школа, 1978. 480 е.;

60. М.А. Красносельский, А.В.Покровский. Системы с гистерезисом М., Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983. -272 стр.;

61. Крымов Б.Г. Исполнительные устройства систем управления летательными аппаратами: Учеб. пособие для студентов высших технических учеб. заведений / Б.Г. Крымов, JT.B. Рабинович, В.Г. Стеблецов. М.: Машиностроение, 1987. — 264 е.: ил.;

62. Лукас В.А. Теория автоматического управления. М.: Недра, 1990. 416 е.;

63. Малышев В.В., Кочеткова В.И., Карп К.А. Системы управления ракет-носителей: Учебное пособие, Москва, МАИ, 2000;

64. Математические основы теории автоматического регулирования / под ред. Б.К. Чемоданова. М.: Высшая школа, 1971. 807 е.;

65. Месропян А.В., Целищев В.А. Расчёт статических характеристик струйных гидравлических рулевых машин: Учебное пособие/ А.В. Месропян, В.А. Целищев; Уфимский государственный авиационный технический университет. — Уфа, 2003. 76 е.;

66. Месропян А.В., Целищев В.А. Электрогидравлический следящий привод. Учебное пособие. Уфимский государственный авиационный технический университет. — Уфа: УГАТУ, 2004. — 65 е.;

67. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Нелинейные и оптимальные системы. СПб.: Питер, 2006. — 272 е.: ил.;

68. Михайлов B.C. Теория управления. Учебное пособие для ВУЗов. Киев: Высшая школа, 1988. 309с.;

69. Низкотемпературные твердотопливные газогенераторы: Методы расчёта рабочих процессов, экспериментальные исследования/ О.В. Валеева, С.Д. Ваулин, С.Г. Ковкин, В.И. Феофилактов — Миасс: Издательство ГРЦ «КБ имени академика В.П. Макеева», 1997. 268 е.: ил.

70. Николаев Ю.М., Соломонов Ю.С. Инженерное проектирование управляемых баллистических ракет с РДТТ. М.: Воениздат, 1979. — 240 е.;

71. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками/ А.И. Бабкин, С.И. Белов, Н.Б. Рутовский и др. М.: Машиностроение, 1986. — 456 е.;

72. Петровичев В.И. Расчет не следящего гидропривода самолета: Учебное пособие. Москва, МАИ, 2001;

73. Полковников В.А Параметрический синтез исполнительных механизмов гидравлических приводов систем управления летательных аппаратов: Учебное пособие, Москва, МАИ, 2001;

74. Полковников В.А. Электрические, гидравлические и пневматические приводы летательных аппаратов и их предельные динамические возможности: Москва, МАИ, 2002;

75. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидропневмосистем. 4.2, Методические указания. М.; МВТУ, 1979г. п.л.;

76. Попов Д.Н. Механика гидро-и пневмоприводов. Учебник. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001г.,20 п.л.;

77. Попов Д.Н. Расчет и проектирование следящего электрогидропривода с дроссельным регулированием. М.; МГТУ, 1990г. 1,75 п.л.;

78. Попов Д.Н. Схемы и конструкции электрогидравлических приводов. Учебное пособие. М.; 1985г.2,25 п.л.;

79. Попов Д.Н., Сосновский Н.Г., Сиухин М.В. Экспериментальное определение характеристик гидравлических приводов. Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2002 г.;

80. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1989. 496 е.;

81. Проектирование следящих систем с помощью ЭВМ/ Под ред. B.C. Медведева/ Верещагин А.Ф., Казмиренко В.Ф., Медведев B.C. и др. Машиностроение, 1979 г.;

82. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трёх томах. Том 3. Под ред. д-ра техн. наук И.А. Биргера и чл.-корр. АН Я.Г. Пановко. Машиностроение, 1988 г.

83. Разинцев В.И. Электрогидравлические усилители мощности. — М.: Машиностроение, 1980. 120 е., ил.;

84. Рябинин М.В Гидравлический демпфер. Изобретение № 2000100564/28(000785) от 12.01.2000 г.;

85. Рябинин М.В, А.А. Головин, Ю.В. Костиков, А.Б. Красовский, В.А. Никоноров. Динамика механизмов. Уч. пособие по курсу "Теория механизмов и машин". Из-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001 г.;

86. Семенов С.Е. Электромеханические преобразователи электрогидравлических следящих приводов. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г.;

87. Синюков A.M. и др. Баллистическая ракета на твёрдом топливе. — М.: Воениздат, 1972.-511 е.;

88. Сипайлов Г.С.,Лоос А.В. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высшая школа,1980. -176 е.;

89. Смирнова В.И. Основы проектирования и расчёта следящих систем: Учебник для техникумов/ В.И. Смирнова, Ю.А. Петров, В.И. Разинцев. М.: Машиностроение, 1983. - 295 е., ил.;

90. Соколов А.А., Башилов А.С. Гидрокомплекс орбитального корабля «Буран». Москва, МАИ, 2006;

91. Солодовников В.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования / В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, А.В. Яковлев. М.: Машиностроение, 1985. 536 е.;

92. Труды МВТУ 244. Исследование и расчет струйных элементов и цепей систем автоматического регулирования. М.; МГТУ, 1977г. п.л.;

93. Труды МВТУ №244. Исследование и расчет струйных элементов и цепей систем автоматического регулирования. М.; МВТУ, 1977г. п.л.;

94. Управление вектором тяги и теплообмен в ракетных двигателях на твёрдом топливе/Н.М. Беляев, В.М. Ковтуненко, Ф.И. Кондратенко и др.; под ред. В.М. Ковтуненко // М.: Машиностроение. 1968. — 198 е.;

95. Фахрутдинов И.Х. Ракетные двигатели твёрдого топлива. М.: Машиностроение, 1981. -223 е.;

96. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твёрдого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. — М.: Машиностроение, 1987. — 328 е.;

97. Филипс Ч., Харбор Р. Системы управления с обратной связью. М.: Лаборатория Базовых знаний, 2001 —616с.: ил.;

98. Фомичев В.М., Жарков М.Н. Испытание электрогидравлического усилителя мощности. М.; МГТУ, 1992г. 2,0 п.л.;

99. Целищев В.А. Определение коэффициентов восстановления давления и расхода в струйной электрогидравлической рулевой машине//Сб. трудов VII Всероссийской НТК. ОКБ «Темп», 26-29 октября, 1998 г. — с. 57-61;

100. Целищев В.А., Русак A.M., Шараев В.А., Скорынин Ю.Н. и др. Струйные гидравлические рулевые машины. Уфа: УГАТУ, 2002. — 284 е.: ил.

101. Ш.Целищева А.Р., Целищев В.А. Выбор гидромеханических корректирующих устройств для электрогидравлического следящего привода со струйным гидроусилителем//У правление в сложных системах: Межвуз. науч. сб. Уфа, 1998;

102. Чащин В.А. Пневмопривод систем управления ЛА с дроссельным распределителем: Учебное пособие, Москва, МАИ, 1994;

103. Шумилов И.С., Гониодский В.И. Характеристики гидромеханических систем управления современных самолетов. Учебное пособие, М., МГТУ., 1996, 2 п.л.

104. Электромеханические преобразователи гидравлических и газовых приводов/Е.М. Решетников, Ю.А. Саблин, В.Е. Григорьев и др. М.: Машиностроение, 1982. — 144 е.;