zaharov

А.С. ЗАХАРОВ, В.И. САБЕЛЬНИКОВ

АВИАЦИОННОЕ

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ

ОБОРУДОВАНИЕ

Учебное пособие

НОВОСИБИРСК

2006

УДК 629.7.063(075.8)

З-382

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ю.В. Дьяченко, канд. техн. наук, доц. В.А. Спарин, канд. техн. наук, доц. Е.Г. Подружин

Захаров, А.С.

З-382 Авиационное гидравлическое оборудование : учебное пособие / А.С. Захаров, В.И. Сабельников. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 391 с. – («Учебники НГТУ»).

ISBN 5-7782-0716-6

В учебном пособии даны общие сведения об авиационном гидравлическом оборудовании с элементами его классификации. В каждом разделе приводятся теоретические основы, схемы и принципы работы отдельных конструкций, наиболее используемых в современных гидравлических системах (ГС), а также графики характеристик, полученные при испытаниях агрегатов. В пособии содержатся подробные сведения по рабочим жидкостям ГС и их свойствам, по контролю и испытаниям гидрооборудования, а также по надежности элементов гидросистем. Отдельно рассмотрены направления совершенствования гидроприводов и авиационного гидравлического оборудования. В приложениях приведены единицы физических величин и условные графические обозначения элементов ГС.

В пособие включены авторские результаты, полученные при выполнении научно-исследовательских работ по заказам авиационных фирм.

Материал книги является базовым для курсов «Гидромашины и гидроприводы», «Системы энергооборудования», «Проектирование систем энергооборудования», «Гидромеханические системы» для студентов по специальностям: 160202 – «Системы жизнеобеспечения оборудования ЛА»; 160201 – «Самолѐто- и вертолѐтостроение» и 160901 – «Техническая эксплуатация ЛА и двигателей».

	УДК 629.7.063(075.8)
ISBN 5-7782-0716-6	А.С. Захаров, В.И. Сабельников, 2006
	Новосибирский государственный
	технический университет, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ...................................................................................................	6
Введение ........................................................................................................	8
1. Насосы и гидравлические двигатели .......................................................	17
1.1. Источники гидравлической энергии................................................	17
1.2. Потребители гидравлической энергии (гидродвигатели) ..............	34
2. Агрегаты гидросистем ..............................................................................	47
2.1. Гидроаппараты ..................................................................................	47
2.2. Трубопроводы и их соединения .......................................................	78
2.3. Особенности проектирования агрегатов .........................................	93
3. Гидравлические приводы систем управления ........................................	101
3.1. Электрогидравлические усилители .................................................	101
3.2. Гидравлические исполнительные механизмы с дроссельным
и объемным регулированием............................................................	114
3.3. Рулевые агрегаты и рулевые приводы ............................................	131
3.4. Контроль и испытания гидравлического оборудования................	150
4. Рабочие жидкости ....................................................................................	191
4.1. Основные требования к рабочей жидкости ................................	191
4.2. Свойства рабочих жидкостей ...........................................................	195
4.3. Жидкости, применяемые на современных ЛА, и их свойства ......	212
4.4.Загрязнение рабочей жидкости .........................................................	222
4.5.Фильтрация рабочей жидкости .........................................................	229
4.6. Методы и средства контроля технического состояния рабочей
жидкости ............................................................................................	243
4.7. Учет требований к рабочей жидкости при проектировании ГС ...	254
5. Надежность элементов гидросистем .......................................................	257
5.1. Основные термины и понятия..........................................................	260
5.2. Анализ и оценка уровня надежности гидросистем и гидрообо-
рудования ...........................................................................................	273
5.3. Основные факторы, влияющие на надежность агрегатов гидро-
систем .................................................................................................	282
5.4. Показатели безотказности ................................................................	292
5.5. Периоды жизненного цикла изделия ...............................................	308
5.6. Резервирование элементов гидросистем .........................................	311
6. Совершенствование авиационного гидравлического оборудования и
гидроприводов самолетов........................................................................	329
Библиографический список ..........................................................................	360
Приложения....................................................................................................	364

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие составлено на основании Государственного образовательного стандарта по направлению 160100 «Авиа- и ракетостроение» подготовки бакалавров и инженеров по специальностям: 160202 «Системы жизнеобеспечения оборудования ЛА»; 160201 «Самолѐто- и вертолѐтостроение» и 160901 «Техническая эксплуатация ЛА и двигателей».

Работа формирует основы системного изучения гидравлического оборудования ЛА и расширенное рассмотрение вопросов, необходимых специалисту, работающему в области проектирования, производства, технического обслуживания и эксплуатации гидроприводов ЛА. Системный подход даѐт возможность алгоритмизировать этапы проектирования, испытания и обслуживания авиационного оборудования, минимизировать время выполнения этих этапов и способствовать увеличению надѐжности гидропривода ЛА.

Приведѐнный материал дает необходимое представление об авиационном гидрооборудовании, применяемом на современных ЛА, и о путях развития и совершенствования отечественного и зарубежного гидропривода и гидравлического оборудования ЛА. Это поможет в решении задач комплексного проектирования и применения современного авиационного оборудования, в развитии и совершенствовании методов и средств испытательной техники, в обеспечении промышленной чистоты гидросистем и надѐжности ЛА.

В основу учебного пособия положены данные исследований, опубликованные в последние годы по рассматриваемым вопросам и содержащие ряд новых положений по теории и практике авиационного гидропривода, а также опыт педагогической деятельности коллектива кафедры технической теплофизики (до 1998 года – кафедра механиче-

7

ского оборудования летательных аппаратов) Новосибирского государственного технического университета; в пособии использованы авторские результаты, полученные при становлении и развитии специальностей 160202 «Системы жизнеобеспечения и оборудования ЛА», 160201 «Самолѐто- и вертолѐтостроение» и 160901 «Техническая эксплуатация ЛА и двигателей», а также отдельные результаты научноисследовательских работ кафедры по заказам ряда авиационных фирм. Книга знакомит с назначением, структурой, особенностями устройства, работы, расчѐта и проектирования современного гидравлического оборудования ЛА; методикой и техникой его проверки и испытания; надѐжностью элементов гидросистем; рабочими жидкостями, применяемыми в гидроприводе современных ЛА, и совершенствованием отечественного и зарубежного гидропривода и авиационного оборудования ЛА.

Пособие может быть использовано при изучении курсов «Гидромашины и гидроприводы», «Системы энергооборудования ЛА», «Проектирование систем энергооборудования ЛА», «Гидромеханические системы» студентами высших учебных заведений авиационного профиля перечисленных выше специальностей, магистрантам, аспирантам и специалистам, работающим в области гидропривода. Специалистам могут быть полезными разделы по технике контроля и испытаний гидравлического оборудования, средствам обеспечения чистоты рабочей жидкости, методам обеспечения надежности ЛА.

Авторы глубоко признательны д.т.н., профессору Ю.В. Дьяченко, к.т.н., доц В.А. Спарину и к.т.н., доц. Е.Г. Подружину за полезные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи.

8	ВВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Авиация играет важную роль как в экономике и обороне отдельных государств, так и в мировом экономическом сообществе в целом. Гражданская авиация является составной частью единой транспортной системы, обеспечивая пассажирские, санитарные и грузовые перевозки, а также проведение поисково-спасательных, сельскохозяйственных работ, разведку полезных ископаемых, аэрофотосъѐмку, метеорологический и экологический мониторинг. Гражданская авиация СССР была интегрирована в мировую систему гражданской авиации и развивалась вместе с ней. С 1970 г. наша страна является членом Международной организации гражданской авиации ИКАО, участвуя в подготовке международных правовых норм, регламентирующих применение гражданской авиации.

В конце 80-х гг. гражданской авиацией перевозилось ежегодно до 132 млн пассажиров и более 3,3 млн т грузов и почты. Самолѐты гражданской авиации выполняли регулярные полѐты в 4000 городов и посѐлков страны и в 100 аэропортов зарубежных стран, а общая протяжѐнность воздушных трасс превысила 1 млн км. Парк гражданской авиации превышал 10 000 самолѐтов и вертолѐтов.

Раздробление единого «Аэрофлота» на 300 авиакомпаний, большинство которых были мелкими и нерентабельными, привело к снижению уровня обслуживания авиационной техники. В настоящее время парк гражданской авиации России составляет 7400 самолѐтов и вертолѐтов, в том числе 1700 магистральных самолѐтов, 2600 региональных самолѐтов и самолѐтов местных воздушных линий, 700 грузовых самолѐтов и 2400 вертолѐтов, причѐм у 70 % самолѐтов и вертолѐтов истекает эксплуатационный ресурс и они нуждаются в замене.

ВВЕДЕНИЕ

9

По прогнозам Минтранспорта, авиакомпаниям России до 2015 г. потребуется 1400 гражданских самолѐтов и 1150 вертолѐтов и предполагается поставить 2800 самолѐтов и 2200 вертолѐтов нового поколения, т.е. ежегодно авиационная промышленность должна поставлять в среднем 830 гражданских самолѐтов и вертолѐтов.

В конце ХХ века (по данным ИКАО) мировой парк пассажирских магистральных самолѐтов зарубежного производства, эксплуатировавшихся в 270 авиакомпаниях, приблизился к 20 700. Большую часть парка составили самолѐты, срок службы которых превысил 15 лет. Мировой парк пассажирских самолѐтов зарубежного производства дополняют более 6000 самолѐтов российского и украинского производства.

Ведущие авиастроительные фирмы Запада составили прогноз развития мирового авиационного рынка магистральных самолѐтов. В соответствии с ним в течение предстоящих 20 лет прогнозируются поставки более 16 000 пассажирских самолѐтов и 680 грузовых. Прогнозируется, что к 2017 году мировой парк магистральных самолѐтов возрастѐт до 19 800 самолѐтов, а общая вместимость, составляющая примерно 1,7 млн пассажиров, увеличится в 2017 г. до 4 млн пассажиров, причѐм доля в ней самолѐтов большой пассажировместимости с числом мест более 400 возрастѐт с 1 до 21 %.

На зарубежных авиалиниях используются также примерно 5200 региональных самолѐтов, парк которых в 2017 г. увеличится до 9000 самолѐтов. Предполагается, что в течение 20 лет будет поставлено более 8000 региональных самолѐтов.

Мировой парк административных самолѐтов к концу ХХ века превысил 18 600 самолѐтов. Большая часть их (около 12 200) используется в США и только 2000 самолѐтов – в европейских странах. В прогнозе Национальной ассоциации административной авиации США указывается, что в 1999–2008 гг. может быть поставлено почти 6500 административных реактивных самолѐтов и 170 административных самолѐтов, являющихся вариантами магистральных самолѐтов.

Авиация общего назначения (АОН) располагает самым большим парком ЛА: в 1998 г. в эксплуатации находилось 188 000 ЛА. По прогнозу Федерального агентства авиации (FAA), в 2009 г. парк авиации общего назначения увеличится до 213 000 ЛА; предполагается, что ежегодно будет поставляться около 4000 ЛА и сниматься с эксплуатации примерно 2000.

10

ВВЕДЕНИЕ

Для оценки уровня совершенства магистральных пассажирских самолѐтов используют несколько критериев. Среди них основными являются экономические и, прежде всего, показатель себестоимости

пассажирских перевозок и коэффициент топливной эффективности

самолѐта.

Показатель себестоимости определяет пути развития воздушного транспорта, как отрасли, и гражданского самолѐтостроения в направлении постоянного увеличения их пассажировместимости и грузоподъѐмности (в настоящее время при относительно небольшом увеличении крейсерской скорости полѐта).

Это направление развития гражданских самолѐтов является приоритетным и характеризуется, например, переходом от узкофюзеляжных пассажирских самолѐтов (Ту-104, Ил-18, Ту-154, Ил-62, Ту-204 на 100-200 мест) к широкофюзеляжным: сначала однопалубным (Ил-86, Ил-96 на 300...350 мест), а затем двухпалубным пассажирским машинам (Эрбас Индастри А-380 на 550...600 мест).

Стремление повысить рейсовую скорость пассажирских и грузовых самолѐтов вплоть до больших дозвуковых чисел М и за счѐт этого снизить себестоимость воздушных перевозок прослеживается на всех этапах развития гражданской авиации: постоянно растѐт мощность силовых установок, совершенствуется аэродинамика. Однако опыт эксплуатации небольшого парка сверхзвуковых пассажирских самолѐтов Ту-144 и «Конкорд» показал, что на этапе их эксплуатации они не обеспечили заметного снижения себестоимости перевозок вследствие существенного увеличения расходов на их эксплуатацию. Значительной проблемой, ограничивающей широкое распространение сверхзвуковых пассажирских самолѐтов, являются их экологические характеристики (уровень шума на местности, сверхзвуковой удар, воздействие на озоновую составляющую земной атмосферы), заметно влияющие на окружающую среду.

Другим важным показателем в настоящее время является коэффи-

циент топливной эффективности самолѐта, служащий интеграль-

ным показателем технического совершенствования пассажирского или грузового самолѐта, и влияющий на выбор параметров этих машин. За последние 30 лет расход топлива пассажирских самолѐтов (20...40 % стоимости в прямых эксплуатационных расходах) снизился в 2 раза (в среднем с 40 до 20 г/пасс.км). Это было достигнуто в основном благодаря внедрению реактивных двигателей с большой степенью двух-

ВВЕДЕНИЕ

11

контурности, увеличению пассажировместимости и повышению аэродинамического качества за счѐт применения сверхкритических крыльев большого удлинения, снижению массы конструкции в результате применения новых высокопрочных материалов и более совершенного оборудования. В связи с ограниченными мировыми ресурсами топлива влияние этого показателя на уровень технического совершенствования перспективных самолѐтов, естественно, возрастает. В итоге этот показатель может определить необходимость использования при создании перспективных пассажирских самолѐтов новых аэродинамических схем, например, схемы «летающее крыло», а также применения альтернативных (криогенных) видов топлива.

В настоящее время большое внимание уделяется развитию систем с высоким уровнем автоматизации полѐта на всех его этапах, начиная со взлѐта и кончая посадкой. Внедрение этих систем при высокой их надѐжности позволяет обеспечить необходимую безопасность полѐтов за счѐт как улучшения характеристик устойчивости и управляемости самолѐта, предотвращения его выхода на опасные режимы полѐта, так и безопасного выполнения полѐта в условиях перегруженного воздушного пространства и в сложных метеорологических условиях. Внедрение автоматических систем улучшает также экономические показатели пассажирских и грузовых самолѐтов благодаря оптимизации параметров полѐта и снижению массы самолѐтов, например, в результате применения демпфирования колебаний крыла на самолѐте Ил-96-300.

Таким образом, экономические факторы и необходимость повышать надѐжность и безопасность полѐтов, а также удовлетворять всѐ возрастающим экологическим требованиям во многом определяют направления развития пассажирских и грузовых самолѐтов. Естественно, что дальнейшее совершенствование авиационной техники требует большого объѐма научно-исследовательских и опытно-конструктор- ских работ и соответственно всѐ больших капиталовложений. Это определяет два основных направления развития современного гражданского авиастроения: модернизация существующих самолѐтов при относительно небольших финансовых затратах; создание нового самолѐта, отвечающего современным требованиям.

Наряду с количественным ростом и расширением сфер применения перед авиационной промышленностью стоят задачи значительного

улучшения технико-экономических характеристик ЛА.

12

ВВЕДЕНИЕ

Уменьшение стоимости полѐта на 25 % в течение ближайших

10 лет и на 50 % в течение 20 лет может быть достигнуто сокращением времени и затрат на разработку, производство и сертификацию самолѐтов, что позволит уменьшить цену самолѐта и снизить эксплуатационные расходы. Для этого необходимо повысить уровень разработок в области материалов, конструкции, аэродинамики и прочности, силовых установок и оборудования, усовершенствовать методы расчѐта с использованием новейших вычислительных средств.

Снижение аварийности в 5 раз в течение ближайших 10 лет и в 10 раз в течение 20 лет является необходимым условием прогнозируемого трѐхкратного увеличения объѐма воздушных перевозок. Помимо традиционных способов повышения прочности конструкции и еѐ безопасной повреждаемости следует внедрять бортовые системы диагностики для предсказания, обнаружения и устранения потенциальных отказов, а также внедрять технологии, обеспечивающие целостность стареющего самолѐта.

Важная роль отводится глобальной системе управления воздушным движением с использованием спутниковой навигации для предотвращения столкновения с другими самолѐтами или препятствием, а также датчиков для обнаружения метеорологической опасности.

Увеличение пропускной способности авиационной системы в 3 раза при любых метеорологических условиях в течение ближайших 10 лет при сохранении уровня безопасности. Предполагается создание не ограниченной в пространстве системы полѐтов (концепция «свободного полѐта»), которая позволит самолѐтам безопасно перемещаться в воздушном пространстве при неблагоприятных погодных условиях и повысит доступность взлѐта и посадки даже в самых загруженных аэропортах.

Снижение уровня эмиссии самолѐтов в 3 раза в течение ближайших 10 лет и в 5 раз в течение 20 лет должно обеспечить защиту окружающей среды и предотвратить при увеличении воздушных перевозок разрушение озонового слоя, не оказывая влияния на глобальное потепление.

Снижение уровня шума должно обеспечить соответствие экологическим требованиям и связано с созданием малошумных двигателей и шумопоглощающих материалов, а также с совершенствованием компоновок планера для уменьшения уровня шума.