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IK4-Tekniker ha desarrollado, en colaboración con Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH, un banco de pruebas para actuadores electromecánicos

Supervisión del estado de actuadores electromecánicos desde el diseño hasta el funcionamiento

I. Bravo, E. Konde, S. Ferreiro y A. Arnaiz, de Sistemas Inteligentes de Información, Tekniker-IK4; T. Epple, de Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH16/07/2018
Los actuadores electromecánicos presentan el futuro de la aviación ya que ofrecen diversas ventajas. Entre ellas está la posibilidad de hacer un seguimiento de la ‘salud’ de dichos componentes. En el marco del programa Clean Sky, el proyecto ISSELUB ha desarrollado un banco de pruebas para EMA’s con la inserción de varios sensores para la medición del rendimiento y el estado de salud.

Hoy en día, las grandes multinacionales aeronáuticas, los fabricantes de equipos originales (OEM) y sus proveedores están inmersos en el concepto denominado ‘More Electric Aircraft’ que permitirá a la industria aeronáutica mejorar significativamente en términos de reducción del peso de los aviones, consumo de combustible, costes totales del ciclo de vida, mantenibilidad y fiabilidad. Esta tendencia se está acelerando en los últimos años y estas empresas están invirtiendo fuertemente en este concepto de aviones más eléctricos, en los que los sistemas hidráulicos y neumáticos tradicionales están siendo sustituidos por sistemas eléctricos [1]. Aeronaves totalmente eléctricas [2] significa que todas las tomas de energía de la aeronave son de naturaleza eléctrica, lo que elimina la necesidad de generación de energía hidráulica en el motor, eliminando así las poco eficientes purgas de aire para dicha generación. La eliminación de las purgas del motor requiere de actuadores eléctricos totalmente operativos. Las tecnologías EMA ya se están utilizando en aeronáutica, pero por razones de seguridad se limitan a controles secundarios de vuelo o aeronaves militares [3]. Su aplicación a los controles de vuelo primarios permitirá reducir el peso, el consumo de combustible y las emisiones contaminantes. El paso más importante para pasar de las EHA a las EMA’s es la prevención de fallos mediante la tecnología y la supervisión adecuadas, lo que proporciona al sistema de la aeronave la posibilidad de detección y diagnóstico de fallos.

Incluyendo más electrónica en los actuadores, también es posible predecir la vida del actuador, introduciendo el mantenimiento predictivo en lugar del mantenimiento preventivo utilizado hoy en día por las aerolíneas.

Esta es la razón por la que la monitorización juega un papel importante en el desarrollo de las tecnologías EMA. Debe tenerse en cuenta desde la fase de diseño hasta la fase de desarrollo y despliegue.

En el presente documento se presenta un banco de pruebas para EMA’s, con una propuesta de vigilancia de la ‘salud’. Se analizan diferentes señales relativas a señales internas del control y otras como emisiones acústicas, acelerómetros y análisis de la firma de corriente del motor, y se muestra el resultado.

Introducción

El avión ‘totalmente eléctrico’ no es un concepto nuevo: el concepto de avión eléctrico ha sido considerado por los diseñadores de aviones militares desde la Segunda Guerra Mundia l[4], aunque hasta hace poco la complejidad técnica lo hacía inviable, especialmente para aplicaciones comerciales y de transporte civil.

Hoy en día, varios sistemas funcionan utilizando energía directamente del motor de turbina [5]. En un avión de tamaño medio el empuje de propulsión es de unos 40 MW, en el caso de la potencia no utilizada para la propulsión existen generadores accionados por reductoras (para el sistema eléctrico) que consumen unos 200 kW, aire a alta presión ‘purgado’ del motor (para el sistema neumático) que consume unos 1,2 MW, una bomba hidráulica accionada por caja de cambios (para el sistema hidráulico) que consume unos 240 kW y bombas de combustible y bombas de aceite en el motor (el sistema mecánico) que consumen unos 100 kW, lo que supone una potencia total no útil para la propulsión de unos 1,7 MW. Haciendo que todos estos sistemas sean eléctricos (eliminando las redes neumáticas, hidráulicas y mecánicas) la potencia total ‘sin propulsión’ puede reducirse a unos 1MW.

En este contexto, el desarrollo y la implementación de sistemas de actuación avanzados ha aumentado, ya que muchos factores están impulsando la migración de los actuadores hidráulicos a los actuadores electromecánicos (EMA). Los EMA’s proporcionan ventajas significativas en aplicaciones complejas porque aumentan la capacidad de control del sistema (acortando los tiempos de cambio), proporcionan re-configurabilidad, mantienen la funcionalidad durante los fallos (mejorando la precisión y fiabilidad) y permiten realizar diagnósticos y pronósticos avanzados para un mantenimiento más inteligente, potenciando el incremento de la disponibilidad de la aeronave con la planificación de las actividades de mantenimiento. En general, el principal objetivo de las empresas en los últimos años es ahorrar costes operativos, así como el consumo de combustible y el impacto ambiental.

Las tecnologías EMA ya se están utilizando en la aeronáutica, pero, por razones de seguridad, se limitan a los controles secundarios de vuelo o a las aeronaves militares [3]. Su aplicación a los controles de vuelo primarios permitirá reducir el peso de los motores, el consumo de combustible y las emisiones contaminantes.

Por otro lado, al incorporar monitorización en los actuadores es posible predecir cuánto tiempo durará uno de ellos, en un paso más hacia el mantenimiento predictivo en lugar del mantenimiento preventivo utilizado hoy en día. Para ello es necesaria una amplia campaña de pruebas antes de usar los EMA’s en los aviones.

Un sistema exitoso de monitorización de salud y uso (HUMS por sus siglas en inglés) debe ser capaz de diagnosticar y mostrar la naturaleza de la avería. Proporcionar los medios para la predicción de la vida útil restante y la prevención de averías mayores.

Las ventajas adicionales vienen del lado de los equipos redundantes. En los sistemas actuales, los controles de vuelo generales se implementan normalmente mediante sistemas redundantes centralizados tolerantes a fallos, que son construidos por Unidades Centrales de Potencia complejas y costosas. Las nuevas arquitecturas distribuidas de EMA nos permiten trabajar sobre una base completamente diferente al permitir el aislamiento de cualquier equipo defectuoso de la red completa de actuadores mediante un simple interruptor.

Por primera vez en la historia de la aeronáutica [2], el enfoque de ‘aeronaves más eléctricas’ puede reducir drásticamente, o eliminar, la necesidad de sistemas de hidráulicos centralizados para aeronaves y sustituirlos por un sistema de energía eléctrica con una fiabilidad y un potencial de mantenimiento y apoyo muy superiores, así como la posibilidad de mejoras significativas en términos de peso, volumen y complejidad del sistema.

Antes del paso de insertar los actuadores en aeronaves, se deben realizar extensas pruebas en tierra. Con este objetivo, IK4-TEKNIKER ha desarrollado, en colaboración con Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH, un banco de pruebas para actuadores electromecánicos.

Descripción general del banco de pruebas para test EMA

Imagen del banco de pruebas para actuadores electromecánicos desarrollado en IK4-Tekniker, en colaboración con Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH...

Imagen del banco de pruebas para actuadores electromecánicos desarrollado en IK4-Tekniker, en colaboración con Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH. Foto: Tekniker.

En la figura superior se muestra una vista general del banco de pruebas. El actuador electromecánico se enfrenta a un actuador hidráulico que proporciona la carga. El actuador se ajusta a 32º, imitando la posición de las unidades primarias de control de vuelo. La carga es generada por el sistema hidráulico. Imita las cargas que el actuador encontrará en vuelo.

El banco de pruebas está provisto de elementos de seguridad que evitan el rebasamiento y la sobrecarga del actuador electromecánico. Hay una unidad de control para el actuador y el sistema hidráulico, y una unidad de adquisición, basada en productos de instrumentos nacionales. Para la monitorización de la salud se realizó una selección de sensores. El objetivo es disponer de las principales fuentes de información para determinar el estado de salud del actuador y poder monitorizar su evolución.

Sensores para el monitoreo de la salud y el uso

Un HUMS para una unidad de control de superficie de vuelo primaria EMA’s debe estar compuesto por estos módulos principales:

  • Medición relacionada con la eficiencia del sistema
  • Contador de ciclos
  • Monitorización de la salud: Señales de los sensores.
  • Estimadores de vida dependiendo del estado del actuador

Para satisfacer las necesidades relacionadas con el contador de ciclos, los sistemas se basan en la monitorización de las señales internas. Se guardan los diferentes parámetros de la prueba

  • Número de ciclos
  • Tiempo de trabajo
  • Velocidad
  • Posición

Para la monitorización de la salud y la estimación de la vida útil se han añadido sensores al actuador.

Temperatura: temperatura ambiente y la temperatura en diferentes posiciones sensibles de la EMA.

Acelerómetro: se ha instalado un acelerómetro de 3 ejes en el banco de pruebas. Un acelerómetro triaxial de alta frecuencia correctamente asignado en el banco de pruebas (CTC, AC230-2D/006M-F3C) [6]. Este modelo tenía un rango de medición de 0,6 Hz a 10 kHz, suficiente para cubrir todo el espectro de frecuencias a medir en el banco de pruebas.

Emisión acústica: se ha instalado un sensor de emisión acústica en el banco de pruebas. El sensor seleccionado es un 8152C0050000 de Kistler [7]. El rango de frecuencia de medición es: 50 y 400 kHz.

Conclusiones

Se ha diseñado y construido un banco de pruebas para el ensayo de actuadores electromecánicos para uso aeronáutico. La salud y el uso del actuador electromecánico es probado y medido, dando lugar a la posibilidad de realizar predicciones de vida.

Agradecimientos

Los trabajos presentados en este artículo forman parte del trabajo de investigación realizado en el proyecto ISSELUB, financiado por la UE en el marco del Programa Clean Sky (Grant número: 687148).

Referencias

[1] Derrien, J-c, Electromechanical Actuator (EMA) Advanced Technologies for Flight; 2012; 28th International Congress of the Aeronautical Sciences

[2] Rosero, J. a.; Ortega, J. a.; Aldabas, E.; Romeral, L.; Moving towards a more electric aircraft; EEE Aerospace and Electronic Systems Magazine (2007), Vol 22, 3-9

[3] Jensen, S.C., Jenney, G.D. and Dawson, D., Flight Test Experience with an Electromechanical Actuator on the F-I18 Systems Research Aircraft Proceedings of the l9* Digital Avionics Systems Conferences, Vol. 1, pp. 2E13/1 - 211310,7-13 October 2000

[4] Cloyd, J.S., Status of United States Air Force's More Electric Aircraft Initiative, IEEE AES Systems Magazine, pp. 17-22, April 1998

[5] Clare, J., Examples of More Electric Aircraft Research in the Aerospace Research Centre

[6] https://www.ctconline.com/biaxial_triaxial_accelerometers.aspx?prd=AC230 visited the 19-04-2018

[7] https://www.kistler.com/en/product/type-8152c/ visited the 19-04-2018

[8] http://www.lem.com/docs/products/hta_100-1000-s.pdf visited the 19-04-2018

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