Введение к работе
Актуальность темы. Развитие транспортной техники в определенной мере связано с повышением эксплуатационных характеристик и надежности пневматических и гидравлических систем, важнейшими элементами которых являются предохранительные устройства. Широкое распространение в этом качестве получили пружинные предохранительные клапаны (ПК), имеющие высокое быстродействие, ресурс и герметизирующую способность. В силу объективных причин формирование требуемого качества переходного процесса в самодействующем ПК сопряжено со значительными трудностями. Прежде всего это связано с отсутствием автономного привода, компенсирующего существенное влияние газодинамической силы на скорость движения золотника при прямом и обратном ходе, особенностями течения рабочей среды при перекрытии расходной магистрали и гистерезисом упруго-демпфирующих элементов, обуславливающих изменение величины давления обратной посадки затвора на седло. Указанные трудности возрастают при значительных скоростях соударения уплотнительных поверхностей, работе с трением и знакопеременными усилиями, коррозии, термоциклических и вибрационных нагрузок, включая внешние воздействующие факторы (ВВФ).
Несмотря на наличие достаточно большого количества научных исследований в данной области, применение в современных транспортных пневмогидравлических системах (ПГС) нетрадиционных рабочих тел, прежде всего криогенных (жидкий водород, сжиженный природный газ) и синтетических жидкостей с повышенными агрессивными свойствами существенно усложняет выполнение жестких экологических требований к работе ПГС и требует разработки научно обоснованных рекомендаций по проектированию клапанной арматуры. Поэтому работа, направленная на изучение эффективности применяемых в транспортной технике конструкторско-технологических приемов целенаправленного регулирования кинематических и силовых характеристик пружинной предохранительной арматуры для обеспечения стабильности ее параметров является актуальной.
Работа выполнялась в рамках договора № 9-1-00 «О научно-техническом и педагогическом сотрудничестве Орловского государственного технического университета (Орел ГТУ) и Самарской государственной академии путей сообщения (СамГАПС) », а также «Государственной программы по повышению безопасности движения поездов на железнодорожном транспорте России на период 1993-2000 годы» (Постановление правительства РФ от 29.10.92 № 833), отраслевой «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-
2000, 2005 годах» (П(|кЩнотленйе правдедфетва РФ от 04.07.98 № 262) и «Про-
!,; . < \ з
1 Пи Г Г ,-,1
«З і к
граммы создания нового поколения грузового подвижного состава на 2000 - 2005 годы» (Постановление Коллегии МПС РФ от 24.12.99г. №23).
Цель работы
Разработка методологии проектирования и конструкторских решений, обеспечивающих высокое динамическое качество и надежность пружинных предохранительных клапанов ПГС транспортной техники при внешнем на-гружении.
Задачи исследования
Провести сравнительный анализ эффективности устройств коррекции динамического качества пружинных клапанных агрегатов для обеспечения их работоспособности при варьировании ВВФ целенаправленным управлением кинематическими и силовыми параметрами упругоподвешен-ных клапанно-седельных пар.
Разработать математическую модель расчета основных характеристик ПК, учитывающую инерционные, упругие и демпфирующие свойства элементов.
Выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований предохранительных клапанов пропорционального и двухпозиционного типа с оценкой влияния параметров переходных процессов, включая внешнее нагру-жение, на стабильность выходных параметров предохранительной арматуры.
Систематизировать и дополнить конструкторско-технологические и эксплуатационные принципы стабилизации выходных параметров предохранительных клапанов с управляемым качеством динамического процесса на рабочем ходе пружинной клапанно-седельной пары по принятому алгоритму отклика корректирующего устройства на амплитудно-частотный спектр воспринимаемых внешних колебаний.
Разработать целесообразные алгоритмы изменения динамических характеристик самодействующих пружинных клапанов и создать на их основе новые структурные схемы и конструкторские решения корректирующих устройств различной физической природы для высокоэффективных конструкций разнотипных пружинных ПК со стабильными выходными параметрами при выработке гарантийного ресурса, в том числе с учетом внешнего нагружения.
Методы исследований.
Определение кинематических и динамических параметров, а также моделирование переходных процессов упругоподвешенных клапанно-седельных пар и средств их виброизоляции основано на решении уравнений движения подвижных элементов ПК с использованием численного метода Рунге-Кутта. При подготовке экспериментов применялись методы факторного планирования. Анализ и обработка экспериментальных данных выполнялись математико-статистическими методами с привлечением средств вычислительной техники.
Научная новизна:
Разработана математическая модель расчета основных характеристик пружинных предохранительных клапанов пропорционального и двухпозици-онного типа, учитывающая инерционные, упругие и демпфирующие стойства элементов.
В результате моделирования переходных процессов в двухпози-ционных пружинных предохранительных клапанах:
- уточнен механизм герметизации затвора при вибронагружении с
учетом варьирования давления обратной посадки затвора на седло при гармо
нических вынужденных колебаниях;
синтезирован набор расчетных соотношений для определения термодинамических параметров защищаемой системы с однофазной газовой средой и с двухфазной жидкостно-газовой средой переменного объема;
- получены выражения для оценки влияния параметров защищае
мой системы, параметров ПК и внешних возмущающих воздействий на час
тоту вынужденных колебаний упругоподвешенного затвора, позволяющие
получить условия экстремума от этих параметров методами дефферинци-
ального исчисления с учетом лимита ресурса наиболее нагруженных под
вижных уплотнительных и чувствительных элементов.
Предложены технические решения пружинных предохранительных клапанов ПГС транспортных средств на базе корректоров жесткости упруго-подвешенных клапанно-седельных пар различной физической природы.
Результаты экспериментальных исследований пружинных ПК пропорционального и двухпозиционного типа с сильфонным чувствительным органом, реализующих способ целенаправленного регулирования кинематических параметров упругоподвешенного затвора на его рабочем ходе.
Практическая ценность
Применение разработанных конструктивных и структурных решений пружинных предохранительных клапанов на базе предложенного способа снижения динамической нагруженности уплотнительных соединений позволит существенно сократить сроки их проектирования, доводки, увеличит ресурс и обеспечит стабильность давления срабатывания клапанов в эксплуатации.
Созданная методика экспериментальных исследований влияния вибрационного нагружения на работоспособность пружинных ПК пропорционального типов позволяет оперативно оценить пределы изменения давления их срабатывания в зависимости от параметров ВВФ и конструктивных особенностей ПК.
.5
3. Выявление в ходе исследований закономерности по снижению величины давления срабатывания пружинных ПК при интенсивных вибрации и ударах, совместно с рекомендациями по устранению этого эффекта, позволят на практике уменьшить непроизводительные расходы рабочих сред через нормально закрытые клапанно-седельные пары на 5-7%.
Реализация результатов работы.
Предложенные рекомендации по проектированию ПК пневмогид-равлических систем железнодорожного транспорта используются в службах Куйбышевской железной дороги и Самарском центре сертификации систем качества, продукции и услуг «Самара - Центр - Сертификат».
Результаты аналитических и экспериментальных исследований пружинных ПК с учетом внешнего нагружения используются в учебном процессе СамГАПС на кафедре «Механика» в учебных курсах «Решение задач нелинейных колебаний» и «Основы трибототехники узлов подвижного состава».
Основополагающие материалы диссертации легли в основу изданной при участии автора книги для студентов ВУЗов технического профиля.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на: международной конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестрое-ния», г. Самара, СГАУ, 2003 г.; межвузовской научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» г. Самара, СамГАПС, 2003 г.; научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», г. Москва, МИИТ, 2003 г.; V международной научно-технической конференции «Авиакосмические технологии». - «АКТ - 2004», г. Воронеж, ВГТУ, 2004 и межкафедральных НТС при кафедре «Механика» (г. Самара, СамГАПС, 15.11.2004г.) и кафедре «Прикладная механика» (Орел ГТУ 23.12.2004г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных трудов общим объемом 15 п.л., включая 5 статей в научных сборниках, 2 патента РФ на изобретения, 6 тезисов докладов, 2 свидетельства ВНТИЦ РФ на интеллектуальный продукт, 2 научно-технических отчета и одна книга для студентов технических ВУЗов, обучающихся по направлению «Транспорт» специальности «Динамика и прочность транспортных систем», и специалистов в области клапанного агрегатостроения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 140 наименований, одного приложения и изложена на 180 страницах, включая 63 рисунка и 7 таблиц.
