zaharov

Из анализа приведенной на рис. 5.6 диаграммы отказов гидросистемы тяжелого транспортного самолета с несколькими независимыми гидросистемами видно, что до 40 % всех отказов приходится на долю агрегатов распределительной и регулирующей аппаратуры, которые носят в большинстве случаев внезапный, а иногда и перемежающийся характер. Они часто приводят к ухудшению характеристик функциональных подсистем гидросистемы самолета, а иногда и к полному их отказу. Значительную часть составляют отказы шлангов и трубопроводов (до 34 %). В большинстве случаев отказы шлангов и трубопроводов приводят к внешней негерметичности, потере рабочей жидкости, предпосылкам к летным происшествиям и длительным простоям самолетов, снижая тем самым эффективность эксплуатации.

Отказы гидронасосов составляют в зависимости от типа самолета 5...8 % от общего числа и являются в большинстве случаев следствием кавитационного разрушения качающегося узла насоса из-за его работы при недостаточном давлении во всасывающей магистрали, из-за отказов в системе наддува гидробака или температурного перегрева насоса, из-за засорения дросселя минимального расхода. Имеют место также случаи среза приводного валика, негерметичность его уплотнений и некоторые другие виды отказов.

Особенность распределения отказов по агрегатам для вертолетных гидросистем – высокий удельный вес отказов источников давления (гидронасосов и гидроаккумуляторов) – до 30 %. Это обусловлено выбором принципиальной схемы гидросистем отечественных вертолетов и условиями их работы при повышенной загрязненности рабочей жидкости.

Так как большинство гидросистем отечественных вертолетов выполнено по схеме с насосом постоянной подачи и автоматом разгрузки насоса (АРН), то повышенная загрязненность рабочей жидкости сказывается и на работоспособности АРН. Отказы АРН составляют 13...15 % от общего их числа в гидросистеме вертолета, а выход его из строя приводит к отказу одной из гидросистем вертолета. Частое срабатывание АРН при повышенных утечках в гидросистеме вертолета приводит к большим пульсациям давления в линии нагнетания, в связи с чем отказы шлангов и трубопроводов гидросистемы вертолетов составляют до 29 %.

Наиболее тяжелые последствия возникают из-за отказов рулевых приводов и рулевых агрегатов системы управления ЛА. Они составля-

ют 5...7 % от общего числа отказов гидравлического оборудования самолетов и 6...9 % для вертолетов.

Распределение отказов по видам для авиационного гидропривода приведены в табл. 5.3.

5.3.Основные факторы, влияющие на надѐжность агрегатов гидросистем

Надежность агрегатов авиационной гидросистемы определяется совокупностью конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов. Конструктивно-технологические факторы отражают особенности конструкции агрегатов и технологии их изготовления. К эксплуатационным факторам относятся внешние воздействия и воздействия, оказываемые на агрегат гидросистемой, в которой он установлен. Внешние воздействия обычно подразделяются на механические, климатические, воздействия параметров гидросистем и нагрузки, возни-

кающие при перемещении исполнительных органов (шасси, систем управления и т. д.).

На рис. 5.8 приведена классификация воздействий на агрегаты авиационного гидропривода, возникающих в процессе эксплуатации ЛА.

Рис. 5.8. Классификация воздействия на агрегаты авиационной гидросистемы

Зависимость нагруженности агрегатов от режима полета.

Нагруженность агрегатов гидросистем современных ЛА существенно зависит от режимов полета: работы потребителей, скорости и высоты полета, температуры окружающей среды, режимов работы двигателей и т. д. Для определения нагруженности агрегатов в процессе летных испытаний осциллографируют изменения параметров гидросистемы ЛА в полете. Анализ таких записей позволяет определить значение и повторяемость эксплуатационных нагрузок на различных режимах полета.

В процессе работы потребителей может существенно изменяться давление в гидросистеме. Изменение давления в нагнетающей магистрали гидросистемы самолета в этом случае представляет собой нестационарный процесс, при котором давление в линии нагнетания изменяется от 28 до 10 МПа. Существенно меняется давление при выпуске или уборке шасси и в гидросистеме самолета с насосами переменной подачи.

Особый интерес представляет работа гидравлической системы при посадке и пробеге, когда включаются тормозные устройства колес, или при движении самолета по земле. В последнем случае система обеспечивает работу тормозов и управление колесами передней опоры шасси. На осциллограмме зафиксированы характерные колебания давления в напорной магистрали тормозов, что обусловлено работой системы автоматического торможения. Эти колебания создают своеобразные, тяжелые условия работы агрегатов тормозной системы и питающих их трубопроводов.

Для уменьшения колебаний давления в гидросистеме при срабатывании потребителей используются гидроаккумуляторы. Проведенные исследования показывают, что отмеченные колебания давления в напорной магистрали гидросистемы ЛА незначительно сказываются на гидравлических характеристиках большинства агрегатов участка гидропитания, но оказывают определенное влияние на скоростную и нагрузочную характеристики рулевых приводов и рулевых агрегатов системы бустерного управления. В связи с этим на современных самолетах с бустерной системой управления в качестве основной гидросистемы питания рулевых приводов и рулевых агрегатов используется одна из гидросистем самолета, не имеющая других потребителей, с большим расходом рабочей жидкости.

Работа гидросистемы ЛА характеризуется наличием пульсации давления в нагнетающей магистрали, вызванной неравномерностью подачи гидравлического насоса. Пульсация при нормальной работе гидросистемы составляет 3...4 МПа при наличии наддува в гидробаке. Однако в переходных режимах работы гидронасоса или при отказе системы наддува пульсация давления за насосом достигает 8 МПа, что негативно влияет на прочностные характеристики шлангов и трубопроводов, являясь причиной их преждевременного разрушения. В ряде случаев повышенная пульсация давления в напорной магистрали приводит к разрушению корпусов фильтров, мембран гасителей пульсаций

игидроаккумуляторов и к другим нежелательным последствиям. Температурные воздействия. Температура окружающей среды

ирабочей жидкости оказывает комплексное воздействие на работу агрегатов гидросистемы ЛА, поэтому такое влияние обычно рассматри-

вается совместно.

Минимальная температура окружающей среды, которая может быть при эксплуатации ЛА в северных районах, –60 °С. Температура

окружающего воздуха на высоте 8000...11 000 м составляет – 40 °C и ниже. В то же время температура воздуха во время стоянки ЛА в южных районах в летнее время может достигать +40 °С.

Температура рабочей жидкости гидросистемы может колебаться от

– 40 °С во время стоянки ЛА на перроне в зимнее время до +150 °C при полете сверхзвукового самолета.

Типовое изменение температурного режима гидросистемы самолета Ту-154 в полете: температура рабочей жидкости в гидросистеме на режимах взлета и посадки повышается, достигая максимума (+80 °C) в первые 30 мин полета, затем в режиме горизонтального полета, из-за того, что потребители не работают, понижается.

Повышение скорости полета ЛА и увеличение мощности гидросистем привело к ужесточению температурных режимов работы гидравлических агрегатов. В наиболее жестких температурных условиях находятся насосы гидросистемы, устанавливаемые на двигателях, а также агрегаты, расположенные в наиболее горячих зонах самолета.

Проведенные исследования показывают, что на работу гидравлических агрегатов значительно больше влияет температура рабочей жидкости, чем температура окружающей среды, – тепловой режим работы агрегата определяется температурой рабочей жидкости. Однако в некоторых случаях температура окружающей среды может оказывать заметное влияние на характеристики гидропровода. Так, у рулевых приводов системы управления со сложной кинематикой деформация под действием температуры окружающей среды может привести к появлению асимметрии скоростей перекладки исполнительного штока.

С изменением температуры рабочей жидкости существенно меняются ее вязкость и плотность. Кроме того, при повышении температуры увеличиваются сжимаемость рабочей жидкости, а также количество растворенного в ней воздуха. Эти изменения физических свойств рабочей жидкости заметно влияют на гидравлические характеристики агрегатов гидросистемы, а также на динамические характеристики рулевых приводов системы бустерного управления и других следящих систем управления с использованием элементов гидроавтоматики.

Прежде всего, с уменьшением вязкости и плотности рабочей жидкости изменяются расходные характеристики золотниковых распределителей, происходит изменение зоны нечувствительности агрегатов распределительной аппаратуры, смещение нулей гидравлических усилителей типа «сопло–заслонка» и т. д. Увеличиваются также утечки через дроссельные щели агрегатов.

Другое следствие изменения температурного режима работы гидроагрегата – изменение геометрических размеров его конструктивных элементов. Элементы золотниковых пар обычно изготовляют из одного материала, поэтому при изменении температуры зазоры в золотниковых парах практически не изменяются. В то же время для ряда сопряженных пар, сделанных из различных материалов, изменение теплового режима работы вследствие различия коэффициентов линейного температурного расширения может привести к изменению отрегулированных при нормальной температуре зазоров между элементами конструкции гидроагрегата. Это может изменить характер изнашивания элементов сопряженных пар агрегатов и снизить их долговечности. Для элементов гидроавтоматики такие температурные деформации могут привести к существенным изменениям их гидравлических характеристик. Так, из-за изменения расстояния между соплом и заслонкой в гидроусилителе типа «сопло–заслонка» рулевого агрегата скорость перемещения его выходного звена может измениться на 8...10 % при изменении температуры рабочей жидкости от 20 до

100 °С.

Как показывает опыт эксплуатации, температурные воздействия существенно сказываются на изменении технического состояния резиновых уплотнений (уплотнительных колец и манжет). При понижении температуры, как и при ее повышении, упругие свойства резины резко ухудшаются, что может привести к нарушению герметичности уплотнения. Одним из наиболее опасных для герметичности гидроагрегатов режимов при отсутствии давления в гидросистеме (например, при стоянке ЛА в зимних условиях) является работа уплотнений при температуре –20...–25 °С. В этих случаях нередко наблюдается нарушение герметичности уплотнений агрегатов гидросистемы. Это обусловлено тем, что герметичность уплотнительного узла зависит как от контактного давления в уплотнении (в свою очередь, зависящего от ряда факторов, в том числе от эластичности уплотнения и от давления в системе), так и от вязкости рабочей жидкости, которая увеличивается с понижением температуры. Наиболее опасно сочетание этих факторов при температуре –20...–25 °C и отсутствии давления в гидросистеме. При более низких температурах контактное давление в уплотнении уменьшается, однако в еще большей степени растет вязкость рабочей жидкости, что создает более благоприятные условия для обеспечения герметичности. В работающей гидросистеме давление рабочей жидко-

сти увеличивает контактное давление в уплотнении, способствуя обеспечению герметичности.

В работающей гидросистеме наиболее опасными для герметичности уплотнений являются режимы максимальной и минимальной температуры. При минимальной температуре (–60 °С) вследствие потери резиной упругих свойств и температурной деформации контактное давление в уплотнении становится минимальным. Опасность максимальной температуры для герметичности гидроприводов обусловлена минимальной вязкостью рабочей жидкости и максимальным влиянием температурных деформаций конструктивных элементов уплотнительных узлов.

При длительном воздействии как повышенных, так и пониженных температур происходят необратимые изменения в уплотнительных узлах, старение и потеря эластичных свойств материалов уплотнительных колец и манжет. Это ограничивает срок службы уплотнений и существенно влияет на надежность гидравлических агрегатов.

В связи с отмеченным негативным влиянием повышенной температуры на работоспособность и надежность агрегатов при проектировании современных ЛА предусматриваются меры по снижению температуры рабочей жидкости и защите агрегатов от температурных воздействий. Для охлаждения рабочей жидкости в гидросистеме устанавливаются холодильники, гидроагрегаты не размещают в зонах с повышенной температурой, предусматривается также установка специальных защитных экранов и кожухов. Особенно актуальны эти вопросы для сверхзвуковых самолетов.

Вибрационная нагруженность агрегатов. Обобщение опыта эксплуатации показывает, что до 40 % отказов гидравлического и пневматического авиационного оборудования – следствие действия вибрации и ударов, которые представляют собой наиболее опасный вид механического воздействия.

Вибрации, являющиеся одним из основных видов механических воздействий на агрегат, влияют на его прочностные, а в ряде случаев и на гидравлические характеристики. Частота и амплитуда вибраций зависят от типа ЛА, режима его полета и места установки агрегата.

Основной источник вибраций – двигатель, создающий широкий спектр вибраций из-за нестабильности процесса горения в камере сгорания, а также вследствие статической и динамической неуравновешенности ротора двигателя. Источником вибраций является также

воздействие переменных аэродинамических сил, возникающих при обтекании ЛА потоком воздуха. Вибрации, обусловленные воздействием этих сил на фюзеляж и другие элементы самолета, относятся к случайным. Вибрации агрегатов шасси, системы торможения и системы поворота передней опоры шасси возникают также под действием сил реакции поверхности ВПП, вызывающих упругие колебания конструкции при рулении, взлете и посадке. Источником вибраций является также акустический шум, создаваемый в основном авиадвигателем.

Вибрации, действующие на авиационные агрегаты, имеют пространственный характер и представляют собой случайно-периоди- ческий процесс, причем мощность периодических составляющих сравнительно мала. Некоторые гидравлические агрегаты, например гидронасосы, сами являются источниками вибраций.

Вибрации могут существенно влиять на усталостную прочность гидроагрегатов. Обычно диапазон их частот – от 10 до 200 Гц, амплитуда не превышает 1 мм, а виброускорение – 5g. В связи с этим при проведении испытаний гидроагрегатов на усталостную прочность должна быть учтена вибрационная нагруженность, имеющая место в эксплуатации.

Наибольшие напряжения в элементах агрегата возникают при действии гармонических вибраций с частотой, равной резонансной частоте элемента. Наиболее часто в результате действия вибраций разрушаются такие элементы гидросистемы ЛА, как трубопроводы и армированные шланги. Опыт эксплуатации показывает, что причина разрушения трубопроводов и шлангов, приводящего к внешней негерметичности гидросистемы, – чрезмерные вибрационные нагрузки и нагрузки, вызванные пульсацией давления рабочей жидкости в линии нагнетания.

Вибрация в ряде случаев влияет также на гидравлические характеристики электромагнитных кранов, гидравлических золотниковых распределителей, рулевых агрегатов управления и агрегатов, имеющих распределители «сопло–заслонка».

Вибрации могут влиять на устойчивость некоторых типов гидроприводов. Так, наиболее негативное влияние вибрация оказывает на скоростную характеристику рулевого агрегата при наличии резонанса. В этом случае при действии вибраций с частотой, близкой к резонансной, возникают вынужденные механические колебания заслонки

со значительной амплитудой. Эти колебания являются высокочастотными и, действуя аналогично интенсивной помехе, которая накладывается на управляющий сигнал, снижают скорость выходного звена. Скорость понижается интенсивнее при увеличении колебательности заслонки, приближении частоты вибраций к резонансной и при увеличении амплитуды виброускорения, возникающего в зоне распределительного устройства. Наибольшую опасность представляют собой вибрации, действующие в направлении оси сопел гидроусилителя.

Для рулевых агрегатов с потенциометрическими датчиками обратной связи вибрации могут привести на частотах, близких к собственной частоте токосъемника, к нарушению контактирования в потенциометре. В наибольшей степени влияют на характеристики гидроприводов гармонические вибрации с постоянной частотой, равной резонансной частоте соответствующего конструктивного элемента рулевого агрегата. При действии вибраций с качающейся частотой (случайных вибраций) характеристики гидропривода изменяются в значительно меньшей степени, а в ряде случаев вообще не изменяются. На характеристики рулевых приводов систем управления, являющихся сравнительно простыми силовыми агрегатами, вибрации практически не влияют.

Вибрации могут существенно влиять на прочность гидроагрегатов. Их действие на узлы крепления гидропривода из-за возникновения инерционных сил приводит к деформации конструктивных элементов. При этом возникают знакопеременные напряжения, которые могут привести к усталостному разрушению конструктивных элементов, если напряжения в них достигнут максимального значения. Наибольшую опасность с точки зрения возможности усталостного разрушения от действия вибраций представляют собой резонансные явления в конструктивных элементах с малым демпфированием и с собственной частотой, находящейся в рабочем диапазоне частот вибраций. Особенностью гидроприводов систем управления является то, что собственные частоты их конструктивных элементов (обычно более 200 Гц) в несколько раз превышают собственную частоту самолетных узлов крепления, которая не превышает 80 Гц. Поэтому крепление агрегатов к конструкции ЛА обычно оказывает амортизирующее действие и таким образом ослабляет влияние резонансных явлений.

На работу золотниковых пар гидравлических агрегатов вибрация оказывает в определенной мере положительное действие, препятствуя возникновению облитерации и защемлению золотников.

Ударные нагрузки. Агрегаты авиационной гидросистемы работают в условиях ударных нагрузок. Они возникают при посадке самолета и при рулении на взлетно-посадочной полосе. В наибольшей мере эти нагрузки действуют на агрегаты системы торможения, системы уборки и выпуска шасси и системы управления поворотом передней опоры шасси. Ударные нагрузки могут привести к разрушению шлангов.

Их действие приводит также к возникновению значительных напряжений в деталях агрегатов, в результате чего может произойти их разрушение. Максимальное напряжение, возникающее при действии ударных импульсов, зависит от формы ударного импульса, ударного ускорения и от соотношения длительности ударного импульса и периода собственных колебаний деталей агрегата.

Практически ударные импульсы не влияют на характеристики агрегатов, так как действие их кратковременно. Однако при проектировании агрегата учитывают, что действие виброускорений и ударных нагрузок приводит к накоплению усталостных явлений в одних и тех же конструктивных элементах.

Особенности условий функционирования агрегатов вер-

толетных гидросистем. Основная особенность условий работы гидравлических агрегатов вертолета – знакопеременные нагрузки, а также необычные по сравнению с самолетом низкочастотные вибрации. Главный источник вибраций фюзеляжа, которые передаются на корпус гидроагрегата,– переменные силы, действующие на вертолет со стороны колеблющихся лопастей винтов. Тряска и вибрации являются следствием перестройки вихревой системы винта при переходе от режима висения к горизонтальному полету. В этой области вихревая система винта крайне неустойчива, срывы вихрей сопровождаются повышенной вибрацией.

Аэродинамические и инерционные силы, возникающие в процессе вращательного и махового движений лопастей, через систему рычагов передаются на тарелку автомата перекоса вертолета, которая удерживается в любом фиксированном положении с помощью гидроусилителей общего циклического шага. Независимость управления общим и циклическим шагом вертолета обеспечивается выбором соответствующей кинематической схемы, конструктивное решение которой определяет нагружение той или иной цепи управления в зависимости от комбинации сил, возникающих от работы лопастей и действующих на