Введение к работе
Актуальность темы. Беспружинная управляемая клапанная пневмоарматура, существенную долю которой составляют грузовые и рычажно-грузовые конструкции электропневмоклапанов (ЭПК), занимает должную нишу в системах управления и регулирования давления расхода рабочих сред в различных отраслях отечественной промышленности.
Анализ причин, сдерживающих развитие работ по созданию и повышению динамического качества беспружинных рычажно-грузовых электропневмоклапанов показал:
1. Работы по созданию агрегатов такого рода и повышению их динамического качества ведутся эпизодически без ориентации на системный подход.
2. Отсутствуют сводные классификационные схемы таких агрегатов с детализированным классифицированием входящих в их состав узлов и элементов.
3. Отсутствуют обобщенные математические и программные модели агрегатов с учетом вносимых рычажным звеном дополнительных силовых воздействий во взаимосвязи с быстродействием, сроком службы и герметизирующей способностью клапанно-седельных пар и уплотнительных рычажно-поршневых звеньев.
4. В отрасли практически отсутствует специализированная научная литература по конструкторско-технологическому обеспечению качества агрегатов такого рода на стадиях эскизного проектирования на базе предварительно полученных результатов инструментальных методов и средств обеспечения динамического качества проектируемой пневмоарматуры, базирующихся на накопленном теоретико-экспериментальном заделе знаний в данной области клапанного агрегатостроения.
5. Проводимые в отечественной промышленности структурные и экономические преобразования потребовали корректировки и разработки новых подходов к этапам создания беспружинной пневмоарматуры с учетом неуклонного повышения стоимости материалов и энергоресурсов, обуславливающего ситуацию экономической невыгодности проведения большого объема экспериментальных и доводочных работ. В связи с этим резко повышается роль машинных (инструментальных) средств проектирования пневмоарматуры.
Работа, нацеленная на восполнение недостающей ниши знаний в области теории и практики проектирования беспружинных электропневмоклапанов с рычажно-клапанными звеньями базируется на научно-методически обоснованном комплексе исследований и разработанных практических рекомендаций по обеспечению стабильности времени их срабатывания в пневмосистемах с опорожняемыми резервуарами сжатого газа конечного объема.
В связи с этим тема диссертации является весьма актуальной, что подтверждается ее соответствием координационным планам федеральной «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах (Постановление Правительства РФ от 04.07.98 № 262 ПРУ)» и реализуемой в СамГУПС Международной Европейской программы «ТЕМПУС» по насыщению учебной программы «Мехатроника и робототехнические комплексы» (2005-2007 годы) фундаментальными и научно-прикладными разработками уплотнительной техники.
Работа выполнялась в рамках договора № 1-06 «О научно-техническом и педагогическом сотрудничестве Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ) и Самарского государственного университета (СамГУПС) на 2006-2010 г.г.» по повышению динамического качества транспортной техники и энергетических установок.
Цель работы – совершенствование инструментальных средств проектирования беспружинных рычажно-грузовых электропневмоклапанов жесткими требованиями по быстродействию рычажно-клапанных звеньев при опорожнении резервуаров сжатого газа.
Задачи исследования:
1. Сопоставить разнотипные по структурному содержанию пружинные и беспружинные электропневмоклапаны и составляющие их рычажно-клапанные звенья по качеству выходных параметров (быстродействие, герметизирующая способность, срок службы).
2. Разработать обобщенную математическую модель и программный продукт по исследованию динамического качества системы «привод – рычажно-грузовой электропневмоклапан» с оценкой предельных возможностей известных типов электроприводных устройств и механизмов регулирования рабочим ходом клапанно-седельных пар.
3. Провести вычислительный эксперимент по моделированию динамики беспружинных рычажно-грузовых конструкций электропневмоклапанов в сопоставлении с данными аналогичных исследований пружинных клапанных агрегатов, позволяющий получить удовлетворяющие практические нужды клапанного агрегатостроения результаты и свойства моделируемого объекта на упрощенной обобщенной математической модели при минимизации потребного для их построения объема экспериментальных данных.
4. Создать на основе разработанных математической модели, программного продукта и вычислительного эксперимента различные по назначению и структуре высокоэффективные беспружинные электропневмоклапаны с заданным быстродействием для пневмосистем с опорожняемыми резервуарами газа; провести их систематизацию и классифицирование.
Объект исследования – класс беспружинных рычажно-грузовых электро-пневмоклапанов, который рассматривается в виде комплекса «резервуар с избыточным давлением рабочей среды – электропневмоклапан – потребитель среды», динамические и теплофизические свойства которого изменяются по мере опорожнения резервуара с сжатым газом.
Предмет исследования – процессы формирования рычажно-клапанным звеном дополнительных компенсационных воздействий, которые определяют динамические свойства беспружинного электропневмоклапана и позволяют уменьшить интенсивность влияния изменения термодинамических параметров рабочей среды на стабильность времени его срабатывания.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе классических методов расчета динамических систем с линейными и нелинейными упругодеформирующими элементами. Использовались методы математического моделирования и численного решения уравнений на базе разработанных алгоритмов, компьютерных программ и базы данных, сформированной с учетом результатов теоретико-экспериментальных исследований, полученных как автором, так и другими авторами с привлечением математико-статистических методов и современных средств вычислительной техники.
Научная новизна:
1. Разработана обобщенная математическая модель и программа расчета рациональных параметров пружинно-мембранного ЭПК и его частных конструктивных решений с разнотипными задатчиками нагрузки в виде пружинных, грузовых и рычажно-грузовых механизмов.
2. Определены пределы изменения временных параметров срабатывания исследуемого семейства беспружинных электропневмоклапанов в зависимости от изменения термодинамических свойств рабочей среды в опорожняемых резервуарах сжатого газа в сопоставлении с изменением данных параметров в пружинных клапанных аналогах.
3. Выявлены новые закономерности протекания динамических процессов в электропневмоклапанах такого рода в зависимости:
- от варьирования термодинамических параметров рабочей среды в опорожняемых резервуарах сжатого газа;
- от изменения динамических параметров комплекса «резервуар сжатого газа-агрегат-потребитель» при целенаправленном варьировании конструктивных параметров динамической системы «привод – рычажно-грузовой клапан» при разнотипных задатчиках нагрузки.
4. Дополнена и систематизирована классификационная схема беспружинной рычажно-грузовой клапанной пневмоарматуры с детальным классифицированием ее составных звеньев, позволяющая оценить этапы совершенствования пневмоарматуры такого рода и перспективные направления повышения ее быстродействия, срока службы и эргономического качества.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель и программный продукт для оценки функциональных свойств семейства электропневмоклапанов с пружинным, грузовым, рычажно-пружинным и рычажно-грузовым задатчиками нагрузки.
2. Пределы изменения временных параметров исследуемых типов ЭПК с учетом выявленных закономерностей протекания в них динамических процессов при варьировании термодинамических параметров рабочей среды и изменении конструктивных параметров динамической системы «привод–рычажно-грузовой клапан».
3. Технические решения беспружинных ЭПК и других типов арматуры с рычажно-клапанными звеньями.
4. Результаты систематизации (классифицирования) арматуры такого рода и практические рекомендации по обеспечению заданных быстродействия, герметизирующей способности и сроку службы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа, современной вычислительной техники и программного обеспечения и внедрением результатов диссертации в учебном процессе СамГУПС.
Практическую ценность работы составляют результаты систематизации разнотипных конструкций беспружинных электропневмоклапанов с рычажно-клапанными звеньями, их конструктивные решения и программы расчета рациональных параметров агрегатов подобного рода и их составных звеньев.
Реализация результатов работы:
Результаты работы используются в учебном процессе СамГУПС и в методике расчета рациональных параметров динамической системы «привод – рычажно-грузовой электропневмоклапан» в службах Куйбышевской железной дороги ОАО «РЖД».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005», г. Ростов на Дону, РГУПС, 2005 г.; 34-й научной конференции студентов и аспирантов «Дни студенческой науки», г. Самара, СамГАПС, 2007; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», г. Самара, СамГУПС и
ОрелГТУ, 2007 г.; 12-ой международной научно-технической конференции «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования». – «Гервикон-2008» (9-12 сентября 2008г.), г. Перемышль, Польша, 2008г.; Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти проф. Л. И. Кошкина (16-18 сентября 2008 г.) «Перспективные инновации в науке и оборудовании», г. Самара, СГПУ, 2008 г.; Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», г. Тула, ТулГУ, 2008г.; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2009 г.; рассмотрены и одобрены кафедрой АСЭУ, СГАУ, 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ общим объемом 5,4 п. л., из них 18 статей в научных сборниках, 2 патента РФ на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 104 наименований и двух приложений. Основной текст изложен на 152 страницах и содержит 44 рисунка и 8 таблиц.