Nowy serwomechanizm zapewnia większą wydajność samolotowych układów hydraulicznych
Elektrohydrauliczne serwomechanizmy służą do sterowania dopływem paliwa do silnika, sterowania hamulcami i układem kierowniczym oraz głównymi powierzchniami sterowymi (sterami wysokości i kierunku oraz lotkami). Te kluczowe podzespoły kontrolują każdy ruch samolotu i w typowym samolocie jest ich około 40. Najczęściej kontrolują one przepływ płynu hydraulicznego z pomp wysokociśnieniowych do cylindrów hydraulicznych, zapewniając precyzyjne pozycjonowanie tłoka w każdym cylindrze. Z kolei każdy tłok jest połączony z powierzchnią sterową lub na przykład z układami kierowniczymi lub hamulcowymi. W serwomechanizmie, który jest elementem precyzyjnym, drgania miniaturowego silnika elektrycznego są wzmacniane hydraulicznie, aby przesunąć suwak, który z kolei otwiera lub zamyka porty (otwory) służące do sterowania przepływem hydraulicznym. Drgania silnika elektrycznego powodują jego przemieszczanie się o mniej niż 100 mikronów (to tyle, ile wynosi grubość ludzkiego włosa) i mają decydujący wpływ na ruch samolotu, którego masa może wynosić kilkaset ton. W przypadku serwomechanizmów koszty produkcji są niezwykle wysokie, ze względu na dużą liczbę części, wąskie tolerancje i ręczne procesy składania wymagane w przypadku obecnych konstrukcji. Te ręczne zadania produkcyjne mogą powodować różnice między serwomechanizmami i potencjalnie stwarzać problemy związane z niezawodnością i bezpieczeństwem, nie wspominając o wytwarzaniu odpadów produkcyjnych (złomu). Co więcej, obecne konstrukcje narażone są na występowanie wycieków z nieszczelności, co prowadzi do znacznego ubytku mocy.
Innowacyjne podejście
Naukowcy finansowanego ze środków UE projektu DNSVCFA wprowadzili radykalne zmiany w technologii, dzięki którym możliwa stanie się produkcja bardziej wydajnych i niezawodnych serwomechanizmów, które przy okazji będą też tańsze. W zaproponowanym rozwiązaniu zastosowano piezoelektryki. Piezoelektryczne materiały ceramiczne zmieniają kształt pod wpływem pola elektrycznego, co pozwala wyeliminować złożone miniaturowe silniki elektryczne. „Wprowadziliśmy również innowacyjną »podwójną klapę«, co oznacza, że w większości przypadków utrata mocy przez serwomechanizm na skutek nieszczelności może zostać zredukowana niemal do zera”, mówi Andrew Plummer, koordynator projektu i dyrektor Centre for Power Transmission and Motion Control na Uniwersytecie w Bath. Badania naukowców, w tym przewidywania przepływu płynu, zostały zweryfikowane dzięki symulacji wykorzystującej obliczeniową dynamikę płynów, a to umożliwiło zbudowanie prototypu do testowania i walidacji koncepcji.
Istotne korzyści
Badania zostały podjęte przy wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie”, a badacz Paolo Tamburrano poznawał proces produkcji serwomechanizmów w trakcie delegacji u dużego producenta serwomechanizmów. „To doświadczenie było niezwykle wartościowe i pomogło mi lepiej zrozumieć praktyczne aspekty projektowania i produkcji serwomechanizmów oraz wnieść tę wiedzę do projektu”, mówi. Efektem końcowym jest nowa konstrukcja, która działa tak samo, jak konwencjonalny serwomechanizm, ale jest mniej skomplikowana i złożona z mniejszej liczby części. „Wykazaliśmy również poprawę wydajności. Jest ona w dużej mierze zależna od cyklu pracy, ale spodziewamy się, że system sterowania samolotem z nowymi serwomechanizmami będzie zużywał o połowę mniej mocy hydraulicznej. Kolejnym etapem jest ilościowe określenie korzyści dotyczących produkcji. Mamy wielką nadzieję, że będą one znaczące”, podsumowuje Plummer.
Słowa kluczowe
DNSVCFA, serwomechanizm, hydrauliczny, piezoelektryczny, lotnictwo, obliczeniowa dynamika płynów
