Введение к работе
і^
Актуальность. Рост тактико-технических характеристик энергетических установок аэрокосмической'техники обусловливает повышение давлений и расходов рабочих сред в трактах гидропневмотоплив-ных агрегатов (ГИГА), расширение нижней границы температурного диапазона до 20К ввиду применения'в двигателях"более эффективных видов топлива, прежде всего криогенных (жидкий'водород, сжиженный метан и пр.), синтетических гидрожидкостей и мй'сел с повышенными агрессивными и токсическими свойствами.
В условиях жесткого лимитирования массы и минимизации запасов прочности элементов, что особенно характерно для авиационно-космической техники, усложнение выполнения возрастающих требований к надежности ГПТА обусловливает необходимость проведения кардинальных исследований динамических нагрузок-4 ' в контактирующих звеньях приводных и уплотнительных устройств клапанных агрегатов с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами и разработки научно обоснованных рекомендаций и принципов их проектирования.
Существенно возросли требования к показателям надежности, задаваемых' в отраслевых ТЗ на разработку ГПТАі- Так, анализ количественных показателей надежности по ТЗ, выданным АО "Агрегат" на разработку агрегатов в период 1960-1990 г.г., позволяет прогнозировать рост показателя вероятности выработки ресурса P(t) к 2000г. - до 0,999999. Указанный анализ проведён на систематизации результатов исследования работоспособности бблее чем 400 наименований агрегатов разработки АО "Агрегат" для различных типов самолетов, вертолетов и их двигателей.
Из результатов анализа следует, что современные требования к агрегатам автоматики и управления авиационно-космической техники нацелены на достижение следующего уровня основных показателей надежности:
безотказности с 3-Ю5 до 5-Ю5 летных часов (л.ч.), в том числе на функциональные отказы типа разрушений с 2-10 до 5-10е л.ч.;
заданного ресурса до первого ремонта - с 5-10^ - 6-Ю л.ч. до І0-І03 - 12-Ю3 л.ч.;
назначенного ресурса - с 10-Ю3 до ЗО-Ю3 л.ч.;
срока службы изделий - с 3-Ю до 30-35 лет.
Результаты анализа позволили установить, что значительная часть отказов и неисправностей ПГГА в эксплуатации (до 35%) обусловлена нарушением работоспособности уплотнительных и приводных устройств из-за повышенных динамических нагрузок в зоне контактирующих поверхностей.
Отмеченное снижение надежности ПГГА при росте динамических нагрузок резко прогрессирует в условиях комплексного проявления внешних воздействующих факторов (ВВФ), оказывающих неблагоприятное влияние на работоспособность контактируемых органов, средсті диагностики технического состояния клапанных агрегатов и контролі их параметров в эксплуатации.
В свете изложенного представляется актуальным проведение комплексного исследования качества переходных процессов в динамически нагруженных элементах и устройствах ПГГА, процессов трансформации энергии при ударном контактировании силовых и уплотнительных тлеханизмов, разработки моделей соответствующих процессої и критериев их качества с параллельным созданием на этой основе научно обоснованных принципов конструирования высокоресурсныз клапанных агрегатов, механизмов и устройств систем двигателей летательных аппаратов (ДЛА) с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами на рабочем ходе исполнительных органов і зависимости от интенсивности и сочетания ВВФ.
диссертационная работа выполнена в.соответствии с координационными планами НИР и ОКР по государственной научно-техническо! программе "Наукоемкие технологии" (Постановление государственногс комитета РОФСР по делам науки, высшей школы J» 28 от 15.04.91 г., Приказ министерства науки, высшей школы и технической политик! Российской Федерации » 6 от 18.12.91 г.), межвузовской научно-технической программе "Высокие технологии высшей школы" (Прика: Министерства науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации я 5 от 10.01.92 г., Указания Комитета по внсше! школе Миннауки РФ * 45-Ю от 11.03.93 г.), межвузовской научно-технической программе "Интеллектуальная собственность высшей школы" (Приказ министерства науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации * 660 от 30.10.92 г.), межвузовской научно-технической программе "Воздушный транспорт" (Приказ Госкомвуза РФ по высшему образованию » 174 от 27.08.93 г.), комплексно! инновационной научно-технической программе "Надежность конструкций" (Приказ министерства науки, высшей школы и технической поли-
тики РФ » 107 от 20.04.92 г.), межвузовской научно-технической программе "Конверсия и высокие технологии" (Приказ Госкомвуза .РФ по высшему образованию » 323 от 03.11.93 г.), региональной науч-. но-технической программе "Конверсия Самары" (Решение межведомственного совета РФ по региональной научно-технической политике и взаимодействие с высшей школой от 02.06.93 г.).
Цель работы. Разработка методов расчета и принципов проектиро
вания высокоресурсных клапанных агрегатов с регулируемыми динами
ческими и кинематическими параметрами для систем ДМ на основе
выявления, теоретического и экспериментального обоснования .важ
нейших закономерностей переходных процессов в агрегатах пневмо-
гидроавтоматики с ударным контактированием силовых и уплотнитель-
зых органов при срабатывании, и создание на этой базе различного
гапа клапанных ГПТА с повышенным ресурсом, высокими степенью.гер-
летизации и стойкостью к ВВФ. .....
Основные задачи исследования.
-
Разработка методов снижения динамических нагрузок, воздействующих на контактирующие поверхности приводных и уплотни-гельных органов клапанных агрегатов, и оценка предельных возмож-юстей используемых для этой цели разгрузочных устройств и меха-шзмов различной физической природы.
-
Разработка моделей и исследование газовых и жидкостных гстройств клапанных ГПТА с регулируемой скоростью движения испол-ительного органа (ИО) за счет управления на его рабочем ходе иерционной, внешней, упругой, газодинамической, диссшативной іагрузками и величиной тормозного пути.
-
Создание метода определения герметичности ушгатнительных юединений (УС) ГПТА с учетом комбинирования конструктивно-техно-гогических и эксплуатационных факторов при нормированном контактам давлении герметизации с синтезированием УС с заданными эксп-уатационными показателями.
-
Создание моделей, средств расчета и приемов конструирова-ия специфических клапанных устройств ГПТА на основе оболочечных едел, полимеров и эластомеров, в том числе с армирующими' элемен-ачи из упругопористых металлов.
5. Разработка и экспериментальное обеспечение комплекса
аучно обоснованных, взаимосвязанных практических рекомендаций и
ринципов конструирования высоконадежных, с повышенными ресурсом
степенью герметизации клапанных агрегатов, их механизмов и стройств в условиях интенсификации: .динамических нагрузок на ра-
Оочих органах при хранении, складировании, транспортировке и функционировании агрегатов в составе систем ДЯА и ЛА; процессов схватывания, адгезии и льдообразования в плунжерных и золотниковых парах при термоциклировании конструкций; загрязненности рабочих сред и износа элементов подвижных сопряжений; ВВФ и их комплексном проявлении, обусловливающих рост потребного усилия герметизации УС и расхода управляющей энергии на срабатывание ГИГА.
6. Создание на основе разработанных моделей и принципов конструирования различных по назначению высокоресурсных клапанных агрегатов для аэрокосмической и других отраслей промышленности.
Методы исследований. Примененные методы исследований базируются на расчетно-экспериментальном определении динамических и кинематических параметров Ж) ГПТА, теоретическом определении параметров рабочих тел в трактах ГПТА при срабатывании рабочих органов, физических представлениях о рабочих процессах в газовых и жидкостных демпферах и виброударозащитных устройствах; модельном эксперименте с элементами факторного планирования; физическом и математическом моделировании процессов трансформации энергии при соударении контактирующих органов на разных фазах их движения, включая этапы разгона и торможения;' использовании средств измерительной и вычислительной техники, натурном эксперименте с разработанными (в том числе находящимися в эксплуатации) образцами ГПТА. Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании отраслевых научно-исследовательских лабораторий » I и » 15 СГАУ, а также в натурных условиях: АО ЗТ ВКБ РКК "Энергия", АО Самарский научно-технический комплекс "Двигатели НК", АО "Агрегат", АО "СКБМ" (г. Самара), АО "Криогенмаш" (г. Балашиха московской обл.). Математическое обеспечение и обработка экспериментальных данных выполнялись с помощью разработанных для этой цели программных средств.
Научная новизна.
-
Созданы модели клапанных ГПТА с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами и методы снижения динамических нагрузок в зоне ударного контактирования приводных и уплотнитель-ных устройств агрегатов.
-
Определены рациональные (с точки зрения быстродействия и минимизации энергии соударения подвикных тел) законы движения и способы управления кинематическими параметрами рабочих органов ГПТА из.условия их безударного контактирования и соответствия критериям прочности и герметичности с учетом демпфирующей способ-
юсти материалов контактируемых поверхностей.
-
Разработаны основы расчета и конструирования демпфирующих устройств с регулируемой скоростью движения ИО для газовых и жид-шх сред при нормированном времени срабатывания приводных и уплотнительных устройств агрегатов.
-
На основе созданных моделей и методов снижения динамичес-сих нагрузок в соударяющихся массах ГПТА разработана методика шределения герметичности уплотнительного соединения, учитывающая различные комбинации конструктивно-технологических и эксплуатаци- . жных факторов при нормированном контактном давлении герметизации
і позволяющая осуществлять синтез УС с заданными эксплуатационными показателями ресурса и герметичности.
5. Разработан и систематизирован комплекс научно обоснован
ии, взаимосвязанных практических рекомендаций и принципов кон-
зтруирования высокоресурсных клапанных агрегатов, их механизмов и
устройств, работоспособных в составе систем ДЛА при интенсифика-
пш механических нагрузок и комбинировании ВВФ.
На основе выявленных закономерностей и обобщения результатов ісследовательских. работ созданы метода расчета и принципи проектирования высокоресурсных клапанных агрегатов с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами в составе систем ДЛА, этвечающим современным требованиям к аэрокосмической технике по бункциональной надежности приводных и уплотнительных устройств энерговооруженных двигательных установок, то есть решена важная шучная проблема, имеющая большое народнохозяйственное значение їля авиадвигателестроения.
Практическая ценность.
I. Научно обоснованные и подкрепленные теоретическими- и экспериментальными исследованиями методы и устройства различной Еизической природы для снижения динамических нагрузок на контактирующих поверхностях приводных и уплотнительных устройств ГПТА в зоставе систем ДЛА и ЛА, наземных комплексов и промышленного обозу дования создают реальную базу:
- для совершенствования эксплуатационных показателей (ре-зурс, долговечность, энерговооруженность приводных механизмов слаланных устройств и герметичность их УС при заданных габаритно-/гассовых характеристиках клапанных ГПТА) находящихся в експлуатацій энергетических установок, машин и механизмов высокой энерговооруженности, не удовлетворяющих современным требованиям отече-зтвенного авиадвигателестроения;
- для создания нового поколения ГПТА аэрокосмической и обі промышленной трубопроводной арматуры с повышенными, зксшіуатаї онными показателями при значительном сокращении времени их щ ектирования, изготовления и доводки технических . параметров уровня современных требований ТЗ к-энерговооруженным объектам.
2. Разработанные методы расчета герметичности и устройе
. стабилизации протечек среда через УС с регулируемыми, динамич
кими параметрами в зоне контактируемых поверхностей, вклю специфические конструкции с оболочечнымн седлами, эластомерами полимерами с элементами из упругопористых металлов, позвол учитывать различные вариации коструктивно-технологических и э плуатационных факторов при нормированном контактном давлении г метизации и осуществлять синтез УС с заданными эксплуагационн показателями.
-
Разработанный комплекс практических рекомендаций и пр ципов конструирования высокоресурсных.клапанных ГПТА и сред испытаний, контроля и диагностирования их технического состоя в составе систем ДЛА повышает тактико-технические характерної объектов за счет обеспечения функциональной надежности привод и ушютнителышх устройств агрегатов в условиях интенсифика механических нагрузок и комбинированного воздействия ВВФ.
-
Созданные конструкции высокоресурсных,и экономичных I для объектов аэрокосмической техники, имеют широкие перспекч использования в автомобильном и. железнодорожном транспорте переводе их на более эффективные виды топлива (сжатый природ газ или сжиженный метан) и "всепогодные" синтетические рабе масла и жидкости с повышенными агрессивными и токсическими сі ствами.-.
Реализация результатов работы. Разработанные теоретичес положения и принципы конструирования высокоресурсных клала* ГПТА систем ДЛА и ЛА внедрены в аэрокосмических объектах и . cj ствах их обслуживания на предприятиях: АО СНТК "Двигатели НК", "СШГ, АО ST ВКБ РКК "Энергия", АО "Агрегат" (г. Самара); / им. А.Н.Туполева (г. Москва); АО "Криогенмаш" (г. Балашиха I ковской обл.), а также на ряде механических и станкостроитвлі предприятий Самарской области.
Диссертантом лично и совместно с другими авторами разрабс ны и внедрены,в производство 36 изобретений (подтверждено 59 тами внедрений изобретений), давших более 3,5 млн. руб. эконс (в ценах до декабря 1991 г.), что послужило основанием присво(
ему в 1994 г.' почетного звания "Заслуженный изобретатель Российской Федерации"..
К наиболее эффективным научно-техническим разработкам со значительным экономическим результатом и важным народнохозяйственным значением следует отнести:
-
Агрегаты и их модификации для систем топливопитания и управления водородного ГТД НК-88 для самолета Ту-155, совершившего в 1987 г. первый в мире демонстрационный полет (агрегаты 88.610.000, 88.610.000-1; 88.620.000, 88.620.000-1; 88.630.000; 88.640.000; 850.500; 850.600 и др.), внедренные на предприятиях АО СНГК "Двигатели НК", АО "СКБМ", АО "Агрегат" (г. Самара) и АО АНТК им. А.Н.Туполева (г. Москва).
-
Высокопроизводительное стендовое оборудование, включая приспособления, оснастку и ряд модификаций оптико-волоконных датчиков для испытания пневмо.-гидро,-топливной арматуры для систем ДЛА и объектов общепромышленного назначения (универсальные установки ЭУ.88.000-2 и ЭУ.88.000-2М - в СГАУ и АО "Агрегат"); стенды: T-I246-00, T-I76-00, T-88I-00, 101, НО (АО СНГК "Двигатели НК", АО "СКБМ"); датчики положения ИО изделий 16.549.000 в газоперекачиващих агрегатах ГПА-Ц-І6 (АО СНГК "Двигатели НК") по магистральному транспортированию природного газа к потребителю.
-
Оригинальный высокоэффективный способ и устройство герметизации высоконагруженных УС с наддуваемыми оболочечными уплотнениями (газораспределительные станции, пневмо,-гидродемпферы, ре-сиверное оборудование, позиционеры и др.).
-
Элементы силовых и уплотнительных механизмов грузоподъемного и транспортного оборудования, систем и устройств перемещения и крепления крупногабаритных грузов.
-
Агрегаты и механизмы робототехнических систем, сварочных манипуляторов и средств малой механизации.
Основополагающие материалы диссертации изложены в трех книгах (монография, учебное и учебно-справочное пособия), которые используются студентами ВУЗов, обучающихся по направлению "Авиа-и ракетостроение" специальности "Авиационные двигатели" и специалистами отечественного авиадвигателестроения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, эбсуждались и опубликованы в трудах 30 зарубежных, всесоюзных (российских), республиканских, межотраслевых, отраслевых конференциях, совещаниях, семинарах, сессиях, симпозиумах, представленных в хронологической последовательности:
1984 г.: Зональная научно-техническая Конференция "Проектирование и эксплуатация промышленных"'гидроприводов и систеи гидрогшевмоавтоматики". - Пенза: ПрДНЙІ,.'І984;
1985 г.: X Всесоюзная научно-техническая конференция "Конструкционная прочность двигателей". -Куйбышев: КуАИ, 1985; 1\ Всесоюзное научно-техническое совещание по уплотнительной технике. -Сумы, 1985; Областное координационное совещание "Математическое обеспечение интегрированных.;, сибтем САПР-ГАП". - Куйбышев: КуАИ, 1985;
1986' г;:-. IV Всесоюзная, 'научно-техническая конференцш "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов". - Москва: МАИ., ,1986; IX Всесоюзный симпозиуь "Логическое управление в промышленности". - Ташкент, 1986;
,- 1988г.: V Всесоюзное научно-техническое совещание по уплотнительной технике. - Сумы,- 1988; научно-технический семина] "Повышение качества герметизирующих соединений". - Пенза: ПрДНТП, 1988; XI Всесоюзная научно-техническая конференция по конструкционной прочности двигателей. - Куйбышев: КуАИ, 1988;
-1989 г.: Всесоюзный научно-технический семинар "Совершенствование конструкций пневмогидроарматуры". - Киев: КИИГА, 1989; Всесоюзная научно-тохническая конференция "Методы и технически средства контроля герметичности технологического оборудования, магистральных трубопроводов и массовой продукции". - Севастополь 1989; Всесоюзная конференция "Повышение качества герметизирующш соединений". - Пенза, 1989; П Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы виброизоляции машин и приборов". - Иркутск 1989; республиканская конференция "Проектирование,-производство і эксплуатация кидкостно-газовых систем современных воздушных судо] и авиационной наземной техники". - Киев: КИИГА, 1989;
1990 г.: Научная сессия, посвященная 75-летию со дня рождения академика О.Д.Ониашвили. - Тбилиси, 1990; Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы динамики пневмогидравличес-ких и топливных систем летательных аппаратов". - Куйбышев: КуАИ 1990; 8 конференция по гидравлике и пневматике. - Магдебург (Германия), 1990;
1991 г.: VI Всесоюзный симпозиум по пневматическим (газовым) приводам и системам управления с международным участием. Тула, 1991; I Всесоюзная научно-техническая конференция Ассоциа ции специалистов промышленной гидравлики и пневматики "Проектирование, производство и эксплуатация систем гидропневмопривода и и;
компонентов". - Киев, 1991; V Всесоюзная конференция "Контактная гидродинамика". - Самара: КуАИ, 1991; зональная конференция "Управление качеством уплотнений и метрологическое обеспечение процессов механообработки". - Пенза: ПрДНТП, 1991; ХШ Всесоюзная научно-техническая конференция по конструкционной прочности двигателей. - Самара: КуАИ, 1991;
1992г.: П Российско-китайский симпозиум по аэрокосмической технике и технологии. - Самара: СГАУ, 1992; научно-техническая конференция "Методы и средства испытаний промышленной трубопроводной арматуры". - Пенза: ПрДНТП, 1992;
1993 г.: 9 конференция по гидравлике и пневматике. - Дрезден (Германия), 1993; 2 научно-техническая конференция "Проблемы динамики пневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов и двигателей". - Самара: СГАУ, 1993;
1994 г.:Ш Китайско-российско-украинский симпозиум по аэрокосмической технике и технологии. - Харбин, 1994; Всероссийская научно-практическая конференция "Гидропривод. Проблемы использования конверсионных разработок в машиностроении". - Самара: СГАУ, 1994;
1995 г.: 1-ая Поволжская научно-техническая конференция по [проблемам двойного применения. - Самара: СГАУ, 1995; П Междуна-родный научно-практический симпозиум "Трибология и транспорт". -Рыбинск, 1995.
Образцы разработанных клапанных ГПТА и их элементов с 1990 ?. по 1995 г. демонстрировались на международных и отечественных зыставках (Австрия: Вена "Новые технологии и материалы", 1993; Досква: "Интеллектуальная собственность высшей школы", 1993 -[994 г.г.; Самара: "Конверсия", "Конверсия Самары", 1992 - 1995 ?.v.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано: 3 книги, 56 статей, 46 тезисов докладов на Всесоюзных (республиканских, зональных, межотраслевых и отраслевых), Российских и зарубежных сонференциях, совещаниях, сессиях и симпозиумах; 24 научно-техни-іеских отчета; предложенные конструктивные решения и способы защищены 60 авторскими свидетельствами СССР и 8 патентами России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 \лав и заключения, изложенных на 387 страницах машинописного 'екста, содержит 132 рнсухка и 7 таблиц. Список использованных гсточников включает 193 наименование. Всего в диссертации ЦЗ страниц.
- 1U
